空分装置GDS工程设计探讨

李方涛

(中国石油集团 东北炼化工程有限公司，辽宁 大连 116023)

关键字： 石油化工；空分装置；气体检测；工程设计

近年来，国家对石油化工行业安全生产的重视程度越来越高，特别是涉及“两重点一重大”企业，更是国家安全监管部门重点的监管对象。为了保证安全稳定生产，许多石油化工企业的生产装置、储运设施等都配备了分散控制系统(DCS)、安全仪表系统(SIS)、可燃和有毒气体检测报警系统(GDS)等。GDS主要由现场气体探测器、现场声光警报器以及室内报警控制设备等组成，是石油化工生产安全系统中重要的组成部分[1]。通常情况，空分装置除了分析仪器配带的气瓶之外，几乎没有可燃或者毒性等危害气体，因此有很多技术人员认为没有必要设置GDS，但事实并非如此。实际上，空分装置除了火灾、爆炸、低温冻伤等危害外，还存在着窒息伤害、氧气中毒等重大危害[2]。所以，空分装置的气体检测不容忽视。本文以1套新建的8×103m3/h石油化工空分装置为例，通过对空分装置的工艺特性及石油化工行业气体检测系统的工程应用研究，提出了一种较为合理的GDS设计方案。

1 空分装置GDS现场气体探测器的设计

1.1 气体探测器的选型

该空分装置内涉及的气体检测主要为密闭空间内的氧气检测及分析小屋内的氢气检测。由于空气中的氮气化学性质不活跃，常温下很难与其他物质发生反应，同时氮气又是对称结构无极型的双原子分子，直接对空气中的氮气进行测量难度较大。所以，空分装置通常设置氧气探测器，间接对空气中的氮气进行监测。对于氢气的检测，方法较多，检测原理相对简单，可直接测量。

氧气浓度探测器根据检测原理不同，一般分为电化学式、氧化锆及荧光原理等；按照检测方式不同，可分为扩散式、管道式、泵吸式等；按照安装方式不同，又可分为固定式和壁挂式、便携式等。氢气探测器按检测原理不同可采用催化燃烧型、电化学式或传导型。

对于空分装置，从工艺介质特性、仪表性价比及稳定性等方面考虑，氧气浓度探测器通常选用电化学检测原理，并采用固定式安装方式和扩散式检测方式的仪表。

1.2 气体探测器布置

根据该空分装置平面布置情况分析，容易产生窒息或者氧气中毒的场所包括： 封闭式的氮气压缩机房，封闭式的膨胀机室，冷箱及附近的密闭及半封闭空间，分析仪小屋内，化验分析室室内，其他封闭空间及场所。

为了充分发挥气体探测器的作用，能够第一时间检测到该空分装置气体的泄漏，氧气探测器的布置应靠近释放源，并且安装高度尽量与释放源的高度相同。若受安装条件限制，则探测器的安装高度可根据操作与维护人员的身高来确定，一般距离地面或平台为1.5～2 m。装置内空间较大且释放源多的厂房内氧气探测器距离释放源的距离均不应大于5 m。

由于探测器采用电化学式，所以布置探测器时，应注意避免放置在高温设施附近，如果温度过高会导致电解质发生物理变化，从而失去监测功能[3]。

氢气探测器通常仅设置在分析小屋内部屋顶，对小屋内分析仪器使用的氢气是否发生泄漏进行监测。

2 声光报警器设置

在该空分装置中，空间较大的密闭建筑物为压缩机厂房，针对该厂房可采用独立的区域性的声光报警器，当厂房内任意区域氧气浓度超限，通过报警控制设备进行驱动，发出声光报警；空间较小的建筑物，例如： 膨胀机厂房，可采用单台氧气探测器配带一体或者分体式的声光报警器，声光报警器直接由氧气探测器驱动。

现场声光报警器声级应根据周围环境选定，通常应大于85 dB(A)并至少高于环境噪声15 dB(A)，声级最大不应超过115 dB(A)。区域性声光报警器声级应高于110 dB(A)，且距离报警器1 m处，总声级不应超过120 dB(A)[4]。在较为安静的场所(如控制室、化验分析室)，设备前方1 m处报警声级不低于75 dB(A)，且声级不宜大于85 dB(A)。声光报警器的报警灯针对不同类型的报警有不同颜色指示，有利于现场操作人员和应急处理人员迅速判断出报警类型，采取相适应的撤离和处理措施[5]。

声光报警器主要布置在压缩机厂房、膨胀机室、分析小屋等封闭房间的门口外部，并布置在易于巡检人员观察的地方。在人员未进入室内之前进行预警，保证人员能及时发现险情。

3 系统设计

根据GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》以及相关管理部分要求，GDS的报警控制设备应独立于DCS，SIS以及其他系统设置。目前国内各个石油化工企业对报警控制设备的选择却不尽相同。有的企业采用DCS，有的企业则采用SIS，有的则采用专用的气体报警控制器。对于GDS报警控制设备是采用DCS，还是SIS或者是其他形式的报警控制设备，还需要根据工程项目具体要求进一步具体分析。例如： 气体探测器数量较多的工艺装置，或者是全厂性的分布式集中监测，可采用DCS。规模较小的装置或罐区等气体检测点数相对较少的场所，则采用性价比较高的专用气体报警控制器或者小型PLC等。

综上所述，鉴于该空分装置气体探测器数量较少，且检测回路没有安全仪表功能相关要求，使用性价比较高的专用气体报警控制器来实现报警控制功能。采用专用的报警控制器既能满足业主节省投资的要求，又能从本质上实现GDS应有的安全功能。

采用专用气体报警控制器，首先应符合GB 16808—2008《可燃气体报警控制器》相关要求；其次，建议气体报警控制器的硬件和软件配置还应满足原国家安全监管总局颁布的AQ 3035—2010《危险化学品重大危险源安全监控通用技术规范》对安全监控的数据的采集、显示和存储、记录等相关要求[6-7]。该装置GDS设置结构如图1所示。随着空分装置规模的不断增大，现场设备布置及气体探测器数量等都会发生较大的变化，设计人员可参考本文的设计原则，根据装置特点，设计出更为合理实用的GDS。

4 GDS应用总结

在工程设计中，GDS应是一个有机整体，气体探测器、声光报警器及报警控制设备的设置等都应严格执行相关标准的规定。GDS工程设计中建议应注意以下几点：

1)自控专业应根据工艺专业提供的危害气体的二级释放源进行气体探测器的布置[7]。

2)可燃气体探测器平面布置设计完成后，应由安全专业、工艺专业、管道专业及自控专业等共同组织评审会议，对气体探测器布置的合理性进行论证，确保气体探测器、声光报警器的布置能有效发挥其监测的作用。

3)GDS报警控制设备应独立设置，并放置在有人值守的房间，如操作室、值班室等，保证人员能第一时间发现报警，避免危险发生。

4)GDS的设计必须从本质上完全独立于其他系统。其中包括：独立的气体探测器、独立的声光报警器、独立的报警控制设备、独立供电及接地系统、独立的数据传输、独立的维护及管理等。

5)GDS报警显示站应将装置的气体探测器平面布置按照气体探测器平面布置图绘制在上位机显示器中，便于操作人员及时发现报警，准确定位报警位置，做出最快安全响应。

6)除固定式氧气探测器外，现场还应配备便携式氧气探测器，便于操作人员在装置内巡检时随身携带使用[8]。

图3 空分装置GDS设置结构示意

5 结束语

近年来，国家安全相关部门对安全生产越来越重视，本着“以人为本，安全第一”的原则和“预防为主”的宗旨，加大了对安全事故的监督和监管力度，也提高了气体检测系统的设计要求[8]。同时，石油化工领域的专家也在不断完善GDS相关标准的要求。相信在不久将来，石油化工装置GDS设置会越来越完善，GDS也将会在石油化工装置中更好、更充分的发挥其应有的作用。