某煤化工企業(yè)GDS系統(tǒng)獨立及功能完善改造項目綜述

李亦方

（國能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010）

某煤化工企業(yè)于2010年建成投產(chǎn)，主要生產(chǎn)裝置包括：180萬噸／年甲醇裝置、180萬噸／年甲醇制烯烴（MTO）裝置、30萬噸／年聚乙烯裝置、30萬噸／年聚丙烯裝置。

為了在生產(chǎn)過程中及時發(fā)現(xiàn)泄漏的可燃?xì)怏w、有毒氣體，避免因可燃?xì)怏w、有毒氣體泄漏造成的人身傷害及火災(zāi)爆炸事故發(fā)生，該煤化工企業(yè)在項目建設(shè)期配套建設(shè)了可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測及報警系統(tǒng)，即GDS系統(tǒng)（Gas Detection System）。該GDS系統(tǒng)由安裝于現(xiàn)場的固定式可燃/有毒氣體探測器，安裝于現(xiàn)場機(jī)柜間內(nèi)的DCS系統(tǒng)內(nèi)的可燃/有毒報警控制器，安裝于全天有人值守的控制室DCS系統(tǒng)內(nèi)的GDS系統(tǒng)顯示及報警單元等部分構(gòu)成。

1 GDS系統(tǒng)整改問題的提出

2018年以來特別是新的《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布后，該企業(yè)在接受多次安全檢查中，可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的設(shè)置、運行管理均作為重點檢查項。檢查中發(fā)現(xiàn)的問題主要集中在以下幾個方面：

1.1 GDS系統(tǒng)未獨立于基本控制系統(tǒng)

1）2014年國家安全監(jiān)管總局發(fā)布《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》（安監(jiān)總管三〔2014〕116號），該文件中第四條明確提出：“高度重視其他相關(guān)儀表保護(hù)措施管理”的第（十一）項“嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和實施有毒有害和可燃?xì)怏w檢測保護(hù)系統(tǒng)，為確保其功能可靠，相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)獨立于基本過程控制系統(tǒng)[1]。”的要求。

2）2019年新修訂的《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50493-2019）中5.4.1條要求：“報警控制單元應(yīng)采用獨立設(shè)置的以微處理器為基礎(chǔ)的電子產(chǎn)品[2]?！?/p>

由以上相關(guān)政策及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[3]可知，GDS系統(tǒng)應(yīng)獨立于基本過程控制系統(tǒng)，不能依托于DCS等控制系統(tǒng)建設(shè)。而該企業(yè)原有的GDS系統(tǒng)是在DCS系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置，雖采取獨立的控制器、獨立的I/O卡件，但未完全獨立于DCS系統(tǒng)，故需重新設(shè)計實施獨立的可燃有毒氣體報警系統(tǒng)，將原可燃、有毒氣體探測器信號從DCS系統(tǒng)中分離出來，信號引入獨立的GDS系統(tǒng)，實現(xiàn)完全獨立設(shè)置。

1.2 現(xiàn)場未設(shè)置區(qū)域警報器

《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50493-2019）中5.3.1條要求：“可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)應(yīng)按照生產(chǎn)設(shè)施及儲運設(shè)施的裝置或單元檢修報警分區(qū)，各報警分區(qū)應(yīng)分別設(shè)置現(xiàn)場區(qū)域警報器?！?/p>

該企業(yè)各裝置現(xiàn)場可燃?xì)怏w、有毒氣體探測器數(shù)量眾多，但無區(qū)域聲、光警報器等設(shè)施，不符合規(guī)范要求。

1.3 現(xiàn)場探測器布置數(shù)量不夠問題

《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50493-2019）中分別在4.2條、4.3條及4.4條中，對生產(chǎn)設(shè)施、儲運設(shè)施、其他有可燃?xì)怏w、有毒地擴(kuò)散和積聚場所的探測器布置距離提出明確要求；另外，在《危險化學(xué)品重大危險源罐區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范（AQ 3036-2010》中，對危險化學(xué)品重大危險源罐區(qū)也提出了要求。

該企業(yè)各裝置現(xiàn)場可燃?xì)怏w、有毒氣體探測器按舊規(guī)范設(shè)置，比對新規(guī)范，部分探測器安裝位置與釋放源的距離偏遠(yuǎn)，須進(jìn)行整改。

1.4 現(xiàn)場探測器的安裝高度問題

《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50493-2019）中在6.1.1條、6.1.2條、6.1.3條、6.1.4條，對不同類型的探測器安裝高度提出了明確要求[4]。

該企業(yè)各裝置現(xiàn)場可燃?xì)怏w、有毒氣體探測器按舊規(guī)范設(shè)置，比對新規(guī)范，部分探測器的安裝高度不符合要求，須進(jìn)行整改。

1.5 現(xiàn)場探測器的量程及報警值設(shè)定問題

《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50493-2019）中在5.5.1條、5.5.2條，對探測器的測量范圍及報警值設(shè)定提出了明確要求。

該企業(yè)各裝置現(xiàn)場可燃?xì)怏w、有毒氣體探測器按舊規(guī)范設(shè)置，比對新規(guī)范，部分探測器的測量范圍及報警值設(shè)定不符合要求，須進(jìn)行整改。

2 GDS系統(tǒng)整改的解決方案

2.1 GDS系統(tǒng)獨立設(shè)置原則

按照要求，GDS控制系統(tǒng)應(yīng)獨立于基本過程控制系統(tǒng)，通過與周邊企業(yè)調(diào)研、廠家技術(shù)交流，再結(jié)合公司原始設(shè)計及現(xiàn)場探測器安裝情況，主要從以下3方面考慮控制系統(tǒng)改造方案：

1）采用傳統(tǒng)的盤裝二次儀表。此類系統(tǒng)適用于現(xiàn)場可燃/有毒氣體探測器數(shù)量少的裝置，可減少投資。

2）采用控制系統(tǒng)包括傳統(tǒng)的DCS、PLC控制系統(tǒng)，或者具有SIL2以上認(rèn)證的PLC控制系統(tǒng)，適用于現(xiàn)場可燃/有毒氣體探測器數(shù)量多的裝置，便于集中監(jiān)控、報警及事件記錄。

3）根據(jù)裝置所在位置、I/O點數(shù)情況，確定多裝置合并共用1套GDS系統(tǒng)或單個裝置使用1套GDS系統(tǒng)。

2.2 GDS控制系統(tǒng)

GDS控制系統(tǒng)采用北京康吉森公司最新推出的國產(chǎn)控制系統(tǒng)TSxPlus安全及關(guān)鍵控制系統(tǒng)。TSxPlus安全及關(guān)鍵控制系統(tǒng)基于完全的三冗余（TMR）架構(gòu)，包括控制器、輸入輸出模塊和通訊，最大限度地兼顧安全性和可用性，可為機(jī)組和關(guān)鍵裝置提供高可靠的安全和關(guān)鍵一體化解決方案，同時取得TUV萊茵SL1認(rèn)證的安全系統(tǒng)。

2.2.1 控制系統(tǒng)

TSxPlus系統(tǒng)為機(jī)籠式設(shè)計，機(jī)架內(nèi)安裝的模塊都設(shè)計有助拔器，易于在線更換和維護(hù)。TSxPlus是一種容錯控制系統(tǒng)，三冗余設(shè)計，三重電路物理上相對獨立，降低了系統(tǒng)共因失效的概率。該系統(tǒng)具備完善的自診斷功能，支持3-2-1-0的降級模式，系統(tǒng)所有模塊都可以在線維護(hù)。

2.2.2 硬件平臺

主機(jī)架提供2個系統(tǒng)電源模塊槽位，3個主處理器模塊槽位，3個BI模塊槽位，1個通訊模塊專用槽位和6對冗余I/O槽位；擴(kuò)展機(jī)架提供2個系統(tǒng)電源模塊槽位、3個BI模塊槽位和8對冗余I/O槽位。機(jī)架內(nèi)所有模塊采用導(dǎo)軌式安裝，模塊前面板的助拔器可以方便模塊插拔，固定螺栓保證模塊的抗振和抗沖擊性能。

2.2.3 軟件平臺

軟件平臺包括組態(tài)軟件、診斷管理軟件、SOE管理軟件、OPC Server、AMS軟件和HMI軟件。

2.2.4 集成的HART儀表管理方案

硬件平臺中的模擬量輸入（AI）支持HART協(xié)議解析，通過自有的AMS軟件可直接對現(xiàn)場的HART儀表進(jìn)行管理。用戶不再需要第三方的HART協(xié)議旁路、解析組件，而通過獨立的通路將HART信號引入上位機(jī)的AMS軟件。

2.2.5 與國外控制系統(tǒng)對比

見表1。

表1 TSxPlus與國外安全儀表系統(tǒng)的安全性和可用性對比表Table 1 Comparison of safety and usability between TSxPlus and foreign safety instrumented systems

2.3 實施方案

2.3.1 甲醇中心

分別在氣化裝置、凈化裝置中設(shè)置1套GDS系統(tǒng)，在甲醇合成裝置、甲醇罐區(qū)、硫回收裝置中設(shè)置獨立的GDS系統(tǒng)（其中，甲醇合成裝置設(shè)置1套主站，甲醇罐區(qū)、硫回收裝置設(shè)置1套從站），且每個站設(shè)置1套操作員站（兼工程師站功能，用于現(xiàn)場組態(tài)調(diào)試、數(shù)據(jù)存儲功能）。拆除原DCS系統(tǒng)中可燃/有毒氣體探測器信號電纜并接至新增GDS系統(tǒng)中。每套GDS系統(tǒng)通過光纜送至中心控制室，中心控制室設(shè)1套中心操作站，用于數(shù)據(jù)監(jiān)測。甲醇中心共設(shè)2套GDS系統(tǒng)。GDS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1。

圖1 甲醇中心GDS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Network diagram of GDS control system of methanol center

2.3.2 烯烴中心

分別在MTO裝置、烯烴分離裝置、MTBE/丁烯-1裝置、2PH裝置共設(shè)置1套GDS系統(tǒng)（其中，MTO裝置、烯烴分離裝置設(shè)1套主站；MTBE/丁烯-1裝置、2PH裝置設(shè)1套從站）；烯烴罐區(qū)設(shè)1套GDS系統(tǒng)；聚乙烯裝置、聚丙烯裝置設(shè)1套GDS系統(tǒng)（其中，聚乙烯裝置作為主站、聚丙烯裝置作為從站），且每個站設(shè)1套操作員站（兼工程師站功能，用于現(xiàn)場組態(tài)調(diào)試、數(shù)據(jù)存儲功能）。拆除原DCS系統(tǒng)中可燃/有毒氣體探測器信號電纜并接至新增GDS系統(tǒng)中。每套GDS系統(tǒng)通過光纜送至中心控制室，中心控制室設(shè)操作站，用于數(shù)據(jù)監(jiān)測。烯烴中心共設(shè)3套GDS系統(tǒng)。GDS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

圖2 烯烴中心GDS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Network diagram of GDS control system of olefin center

2.3.3 熱電中心

在鍋爐裝置、脫銷裝置、化學(xué)水裝置、氨站裝置設(shè)1套GDS系統(tǒng)（其中，鍋爐裝置、脫銷裝置為GDS主站、化學(xué)水裝置、氨站為GDS從站），卸儲煤裝置設(shè)1套GDS系統(tǒng)，每個站設(shè)1套操作員站（兼工程師站功能，用于現(xiàn)場組態(tài)調(diào)試、數(shù)據(jù)存儲功能）。拆除原DCS系統(tǒng)中可燃/有毒氣體探測器信號電纜并接至新增GDS系統(tǒng)中。熱電中心共設(shè)2套GDS系統(tǒng)。

2.3.4 公用工程中心

火炬裝置、儲運裝置（含裝卸棧臺）、新污水及回用水處理裝置、循環(huán)水裝置設(shè)獨立的GDS系統(tǒng)，拆除原DCS系統(tǒng)中可燃/有毒氣體探測器信號電纜并接至新增GDS系統(tǒng)中。其中，火炬裝置儀表信號通過光纜送至儲運裝置控制室。老污水及回用水處理裝置利用現(xiàn)有GDS系統(tǒng)（盤裝儀表）。新污水及回用水處理裝置GDS系統(tǒng)通過現(xiàn)有光纜通訊至老污水及回用水處理裝置。儲運裝置、老污水及回用水處理裝置均采用現(xiàn)有光纜備用通道通訊至凈水廠，循環(huán)水裝置新敷設(shè)2路光纜至凈水廠實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。凈水廠設(shè)操作站（兼工程師站功能，用于現(xiàn)場組態(tài)調(diào)試、數(shù)據(jù)存儲功能）用于監(jiān)控GDS數(shù)據(jù)。儲運裝置公用工程中心設(shè)5套GDS系統(tǒng)。

拆除原DCS系統(tǒng)中可燃/有毒氣體探測器信號電纜并接至新增GDS系統(tǒng)中，在實施中有的裝置電纜長度不夠，可拆除原DCS系統(tǒng)中可燃/有毒氣體探測器信號電纜至新增中間接線柜，然后從中間接線柜敷設(shè)多芯電纜至新增GDS系統(tǒng)中。

2.4 設(shè)置區(qū)域聲、光警報器（燈）

1）采用傳統(tǒng)的只具備報警聲和閃爍光的警報器作為區(qū)域報警，其對應(yīng)著一片區(qū)域內(nèi)所有可燃/有毒氣體探測器；在GDS系統(tǒng)中做邏輯控制，即任意一個探測器報警后，聲、光報警均響應(yīng)，但存在現(xiàn)場人員無法及時獲知哪臺設(shè)備或管線有泄漏的可能。

2） 采用2.3.1方案并搭配帶回路指示燈的控制器。當(dāng)現(xiàn)場任意一臺探測器發(fā)生報警時，均能在控制器面板上獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)。對于操作人員來說，能夠更有效地獲取信息，及時準(zhǔn)備排除故障，減少危害。

3）現(xiàn)場區(qū)域警報器的報警信號聲級應(yīng)高于110dBA，且距警報器1m處總聲壓值不得高于120dBA；在生產(chǎn)現(xiàn)場主要出入口處，同時設(shè)立了旋光報警閃光燈。

2.5 增加探測器數(shù)量

根據(jù)現(xiàn)場排查情況及結(jié)合《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB 50493-2019）以及《危險化學(xué)品重大危險源罐區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》（AQ 3036-2010）要求，對現(xiàn)場存在易泄漏點但未設(shè)置探測器的位置或探測器之間安裝間距超過規(guī)范要求的，予以調(diào)整部分聲/光警報器的安裝位置或補(bǔ)充增加新的聲/光警報器。

2.6 調(diào)整探測器的安裝高度

根據(jù)現(xiàn)場排查情況并結(jié)合《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB 50493-2019）中第6.1.1條、6.1.2條、6.1.3條、6.1.4條對探測器的安裝高度及空間布置[5]的要求，調(diào)整部分探測器的安裝高度。

2.7 修改探測器的測量范圍及報警設(shè)定值

在《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB 50493-2019）中的5.5.1條、5.5.2條，對探測器的測量范圍及報警設(shè)定值提出了明確要求。

2.7.1 可燃/有毒氣體探測器的測量范圍

1）可燃?xì)怏w的測量范圍應(yīng)為（0%～100%）LEL。

2）有毒氣體的測量范圍應(yīng)為（0%～300%）OEL。當(dāng)現(xiàn)有探測器的測量范圍不能滿足上述要求時，有毒氣體的測量范圍可為（0%～30%）IDLH；環(huán)境氧氣的測量范圍可為（0%～25%）VOL。

2.7.2 可燃/有毒氣體探測器的報警值設(shè)定

1）可燃?xì)怏w的一級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于25%LEL。

2）可燃?xì)怏w的二級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于50%LEL。

3）有毒氣體的一級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于100%OEL，有毒氣體的二級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于200%OEL。當(dāng)現(xiàn)有探測器的測量范圍不能滿足要求時，有毒氣體的一級報警設(shè)定值不得超過5%IDLH，有毒氣體的二級報警設(shè)定值不得超過10%IDLH。

4）環(huán)境氧氣的過氧報警設(shè)定值宜為23.5%VOL，環(huán)境欠氧的報警設(shè)定值宜為19.5%VOL。

結(jié)合《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學(xué)有害因素》（GBZ2.1-2019）的相關(guān)內(nèi)容，再結(jié)合該企業(yè)當(dāng)?shù)氐臍庀笮畔⒔佑|限值由mg/m3換算為ppm，確定該企業(yè)內(nèi)可燃/有毒氣體探測器的測量范圍及報警設(shè)定值見表2。

表2 可燃/有毒氣體探測器的測量范圍及報警設(shè)定值Table 2 Measuring range and alarm setting value of combustible gas and toxic gas detector

3 結(jié)束語

該煤化工企業(yè)利用兩年的時間對現(xiàn)場可燃/有毒氣體的控制系統(tǒng)、區(qū)域警報器、安裝數(shù)量、安裝高度、探測器測量范圍以及報警設(shè)定值等問題進(jìn)行改造、優(yōu)化、完善，已滿足國家安全監(jiān)管總局發(fā)布的指導(dǎo)意見及相關(guān)規(guī)范要求；同時，也利于控制室和現(xiàn)場人員及時發(fā)現(xiàn)泄漏點，減少對人員的傷害以及事故的發(fā)生，能夠更好、更充分地發(fā)揮其應(yīng)有的作用，為企業(yè)的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。