可燃及有毒氣體在線監控系統在氯堿生產中的應用

溫 源，吳紅忠

（焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司，河南 焦作454191）

化工企業生產工藝復雜，生產過程中往往伴隨著易燃、易爆、有毒、有害氣體。這些氣體在生產、儲存、運輸、使用的過程中一旦發生泄漏，將會引起中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產安全，也會對企業造成不可挽回的經濟損失。因此，保持可燃、有毒氣體檢測手段、檢測設備、監控系統齊備、有效、及時就顯得至關重要，對避免和控制事故發生具有重要意義。

焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司（以下簡稱“開元化工”）成立于2009年10月，隸屬于河南能源化工集團。現有20萬t/a離子膜燒堿生產能力，目前生產穩定，形成了產、供、銷一體的運營模式，是河南能源骨干企業之一。

1 生產中存在的可燃、有毒氣體[1]

目前該公司主要有燒堿、鹽酸、液氯等產品，在生產過程中易燃、有毒有害氣體主要有H2、Cl2、HCl 3種氣體。其中H2易與空氣形成爆炸性混合物，其爆炸極限為4.1%～74.1%，在室內使用和儲存時，泄漏氣體上升滯留屋頂不易排出，遇火星會引起爆炸；Cl2屬于劇毒化學品，有助燃性，對眼睛和呼吸道粘膜有強烈刺激性，吸入高濃度Cl2時會引起肺水腫、昏迷、休克甚至死亡，同氫氣的混合氣體（氫6%～88%）若加熱或用紫外線照射，會產生爆炸；HCl具強刺激性，對眼睛和呼吸道粘膜有強烈刺激性，吸入高濃度HCl時會引起肺水腫、昏迷、休克甚至死亡；其中氫氣、氯氣屬于《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化學品目錄的通知》（安監總管三〔2011〕95號）和《國家安全監管總局關于公布第二批重點監管危險化學品名錄的通知》（安監總管三〔2013〕12號）中重點監管的危險化學品，氫氣、氯氣采取的安全措施和應急處置措施符合《重點監管的危險化學品安全措施和應急處置原則的通知》等規范的要求。

因此，必須對這3種氣體進行有效監測，確保工藝管線和廠房內不出現泄漏點，以保證生產穩定和人員安全。

2 可燃、有毒氣體檢測系統存在的缺點及優化方案[2]

開元化工以前采用將可燃和有毒有害氣體檢測報警系統并到過程生產控制系統DCS內，這種做法的好處是投資少、品牌統一、備品備件數量少、便于后期維護等，但在管理過程中存在缺乏直觀性、系統性，管理效率較低，管理人員不能快速、直觀、準確、動態地掌握相關檢測信息，系統監控安全性能、響應時間、設備可靠性和人員安全上都存在著較大隱患。

隨著工業4.0、兩化融合、智能工廠以及中國制造2025等計劃的推進和實施，以及越來越嚴峻的安全形勢要求，為了適應新的要求，開元化工根據GB 50493-2009的第3.0.9條國內設計規范，采用新型的GDS系統化、網絡化的手段將相應采集信息匯總，統一由獨立設置的管理平臺進行智能分析和處理，實現可燃、有毒氣體在線監測及自動預警系統。值班人員亦可通過查看現場聯動視頻，實時掌握現場狀況，進行各種決策，確保企業的人員和財產安全，減少企業發生危險事故的概率，達到企業安全生產的目標。

GDS系統不僅能預防重大事故的發生，而且能在一定程度上將事故危害限制到最低程度。不僅能夠協助政府端和企業辨識、登記、普查重大危險源，并且能夠評估事故嚴重程度和可能性，對危險源進行實時監控，加強組織管理，能夠及時發現泄漏情況及時處理，有效將事故消滅于萌芽狀態，極大提高了裝置運行的安全性。

3 可燃、有毒氣體在線監控系統工作原理[3]

在生產現場可能泄漏可燃氣體和有毒氣體的地方安裝檢測目標可燃氣體濃度的探測器，通過傳感器和輸入模塊的測量值由已設置好的內置程序即時管理，當現場出現監控氣體泄漏，測量值達到測量臨界值時，發出聲音及可視警報，可燃、有毒氣體監測系統會開啟；探測器的傳感器屬電化學傳感器，可將監控氣體濃度轉換為標準電信號4～20 mA送至控制室指示報警器內，并在達到危及安全的濃度時實現現場聲光報警。指示報警器（報警控制器）安裝在控制室內，指示報警器具有對每個檢測點相對獨立、互不影響的報警功能，并能區分和識別報警場所位號。可燃氣體檢測系統采用二級報警，信號經報警器送至DCS系統進行監控。

4 可燃、有毒氣體在線監測系統的結構及組成

4.1 系統的結構

GDS系統由可編程序邏輯控制器構成，主要由處理器、I/O卡件、網絡通信系統、電源、安裝附件等組成。為保證系統的可靠性，GDS的處理器（包括各控制子系統的處理器）應采用雙機雙背板熱備，熱備套件必須固化熱備切換程序，實現無擾切換，無需編寫切換程序，熱備系統為硬件切換型。GDS配備與DCS系統的通信接口，可將兩個系統有機結合起來。

該系統設1個工程師站，工程師站可用于系統的組態、參數設定及修改、用戶應用軟件的開發，通訊接口站用于與全廠信息管理系統的連接。設6個操作員站，操作員站之間互為冗余。各操作員站的功能有流程圖、趨勢圖、列表等形式顯示機組運行參數，歷史數據儲存與查詢、報警及打印，用鼠標可進行設備啟停和閥門開度調節等操作（軟手操），實現數據采集和指令發送等功能。6臺DCS機柜由DCS完成現場信號采集及運算、邏輯等功能。

本系統采用集散控制系統（DCS）完成裝置全部生產過程的自動控制、監視、操作、管理及自動打印報表等。整個DCS系統具有上位通訊功能，便于全廠信息的統一管理。采用的DCS系統具有開放性網絡結構，其硬件和軟件先進可靠，同時又有成熟的、有效的高級應用軟件包，可滿足生產控制、優化管理的需要。

DCS可與其他系統設備和平臺通過工業標準通信協議實現系統集成和信息交換，包括：HART、MODBUS、TCP/IP、OPC等。本系統設置一套獨立安全儀表SIS系統實現對裝置的關鍵部位安全聯鎖控制，確保裝置的安全可靠。

4.2 系統的組成

本系統由燒堿裝置、倉庫、罐區等組成，在其可能泄漏可燃氣體和有毒氣體的地方安裝檢測泄漏可燃氣體濃度的探測器，信號送至控制室指示報警器內，并在達到危及安全的濃度時實現現場聲光報警。指示報警器（報警控制器）安裝在控制室內。指示報警器具有對每個檢測點相對獨立，互不影響的報警功能，并能區分和識別報警場所位號。可燃氣體檢測系統采用二級報警，信號經報警器送至DCS系統進行監控。

4.3 現場報警器設置

電解及淡鹽水脫氯工序設置Cl2氣體報警器13臺、H2氣體報警器10臺，合成鹽酸工序設置Cl2氣體報警器10臺、H2氣體報警器8臺，氯氣液化及整瓶包裝工序設置Cl2氣體報警器34臺，氯氣處理及壓縮工序設置Cl2氣體報警器16臺；氫氣處理工序設置H2氣體報警器4臺，氫氣鍋爐工序設置H2氣體報警器4臺，中控中化樓設置H2氣體報警器1臺。

整個項目設置一套獨立的可燃、有毒氣體報警器控制系統，報警控制柜設置在聯合站房控制室內，并且與DCS控制系統進行通訊，數據傳送到DCS控制系統。本項目設置安全儀表系統（SIS系統）、可燃有毒氣體報警系統、視頻監控系統。

5 優化后可燃、有毒氣體在線監控系統的優勢

（1）解決了可燃、有毒氣體報警器檢測點多、面廣、復雜繁重，相關管理人員在控制室與現場間來回跑動，管理效率低的問題；

（2）解決了警情發現不及時，延誤處理時間，導致隱患擴大化問題；

（3）解決了各車間、各監測設備單獨作業，無法實現集中監測、聯動管理，即時、直觀、形象監測預警的問題；

（4）為安全生產相關部門提供實時數據、實時視頻和報警服務，為相關決策提供數據支持；

（5）解決了企業報警數據的收集、存儲和管理難的問題，提供歷史報警記錄檢索、查詢功能。

6 系統的主要應用范圍

6.1 廠區綜合監測

直觀展示整個廠區概況及檢測設備的位置分布信息等，展示檢測器傳回的實時數據、網絡狀態、報警信息等，智能判斷設備狀態、報警級別，并通過抖屏、發光、聲音等多種報警效果通知、提醒用戶。

6.2 實時及歷史趨勢查詢

在廠區綜合監測的基礎上，基于曲線監測加列表監測的方式，提供設備實時監測數據趨勢和歷史數據趨勢查詢功能，查詢結果亦可導出來單獨進行數據分析。

6.3 報警閾值設置

通過系統批量或單獨預設高高報，高報，低報、低低報、預警等報警閾值。

6.4 分級預警及警情處理

根據檢測器的報警級別（高高報、高報、低報、低低報）分別設置相應的報警責任人（可重復多選），當設備發生警情時，系統會依據預警設置通過抖屏、閃爍、聲光以及短信等方式自動向不同報警級別責任人發送報警短信；相關負責人確認、處理報警的同時，可手動進行消音、復位等操作。系統支持通過報警時間、企業、車間、監控探頭等多條件、多維度組合查詢出報警記錄和報警處理記錄，同時支持列表模式、曲線模式展示，支持報警單個和批量處理等常用便捷操作。

6.5 設備狀態智能監測

實時監測“監測、監控設備”的工作狀態，實現監控設備高高報，高報，低報，低低報，通訊故障，網絡故障，通訊超時、未連接、預熱、標定等在線實時監控，發生故障或報警時，可實時在系統中監控到，為故障原因診斷、排查提供可靠依據。

6.6 視頻聯動監控

系統提供視頻聯動監控，實時監測現場各視頻監控點位的實時視頻。當車間內設備出現故障或報警時，可通過聯動視頻查看現場情況，確認現場無危險后，再進入現場進行故障或報警的處理，可達到安全、快速定位并處理故障的效果。

6.7 即時通訊交流

系統提供完備的即時通訊交流工具，值守人員之間可通過即時通訊工具迅速、快捷進行溝通。

6.8 用戶權限管理

系統支持權限管理，用戶實現分角色管理，主要包括“普通用戶”和“管理員”等角色，不同的角色可進行不同的操作，滿足企業日常監管需求。其中“普通用戶”對企業廠區進行日常巡檢，同時對車間的設備及報警進行實時監測、報警通知、警情處理、綜合查詢、視頻監控；“管理員”除具有普通用戶的權限外，亦可對系統用戶信息（用戶權限分配、密碼重置等）、設備信息（監控探頭、監控視頻、通信鏈路等）、企業信息（車間、安全員等）、系統信息（系統日志、圖片信息、探測介質等）進行配置和管理。

6.9 智能移動終端

系統支持智能手機登錄訪問，可方便相關人員隨時隨地掌握廠區危險源的狀態。

7 實現管理目標

7.1 管理標準化、規范化

參照國家和行業標準制定相關業務流程，實現業務處理流程規范化、信息化管理。

7.2 直觀、便捷的重大危險源電子臺賬

借助GIS地圖對廠區內的重大危險源建立電子臺賬，對其種類、分布情況、危害范圍等信息進行排查摸底，使其處于可控范圍內。

7.3 分級聯動預警、報警

超限自動報警，按報警級別發光、發聲、智能分級發送報警短信，及時通知相關責任人采取措施，降低危害；自動彈出報警區域的監控視頻，調取相應應急預案，為處警人員提供及時科學的輔助決策，縮短反應時間；實現現場—車間—總控制室三級聯動，報警—處理—反饋—結果跟蹤機制，降低事故發生的概率，保證企業安全生產，進而增加企業經濟效益。

7.4 智能統計分析

實現報警記錄和歷史記錄查詢、統計、分析，減少漏報、誤報情況，為改進工作模式、提高工作效率提供科學依據和數據支撐。

7.5 聯網登錄訪問

實現一處部署，多人多端訪問，借助辦公電腦、筆記本、智能手機等終端設備，利用廠區通訊網絡可隨時隨地掌握企業重大危險源的實時信息和參數，提升企業的安全監管技術水平和工作效率；并支持多級權限控制，數據加密傳輸，保證系統訪問和數據的安全性。

8 結語

20萬t/a離子膜燒堿裝置通過使用新型的可燃及有毒有害氣體在線監控系統，能夠有效檢測并及時發現生產過程中的可燃、有毒有害氣體的泄漏，并第一時間發出聲光報警信號，及時將報警模擬信號通過上位機組態圖形迅速顯示出來，在事故前期幫助監控人員準確地判別泄漏點，并盡快采取有效的防控措施，還可啟動事故排風機排盡廠房等密閉空間中的可燃及有毒有害氣體，從而在處理事故中對人員提供安全保障，確保安全生產，避免造成嚴重的危險事故。