可燃及有毒气体在线监控系统在氯碱生产中的应用

温 源，吴红忠

（焦作煤业（集团）开元化工有限责任公司，河南 焦作454191）

化工企业生产工艺复杂，生产过程中往往伴随着易燃、易爆、有毒、有害气体。这些气体在生产、储存、运输、使用的过程中一旦发生泄漏，将会引起中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全，也会对企业造成不可挽回的经济损失。因此，保持可燃、有毒气体检测手段、检测设备、监控系统齐备、有效、及时就显得至关重要，对避免和控制事故发生具有重要意义。

焦作煤业（集团）开元化工有限责任公司（以下简称“开元化工”）成立于2009年10月，隶属于河南能源化工集团。现有20万t/a离子膜烧碱生产能力，目前生产稳定，形成了产、供、销一体的运营模式，是河南能源骨干企业之一。

1 生产中存在的可燃、有毒气体[1]

目前该公司主要有烧碱、盐酸、液氯等产品，在生产过程中易燃、有毒有害气体主要有H2、Cl2、HCl 3种气体。其中H2易与空气形成爆炸性混合物，其爆炸极限为4.1%～74.1%，在室内使用和储存时，泄漏气体上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸；Cl2属于剧毒化学品，有助燃性，对眼睛和呼吸道粘膜有强烈刺激性，吸入高浓度Cl2时会引起肺水肿、昏迷、休克甚至死亡，同氢气的混合气体（氢6%～88%）若加热或用紫外线照射，会产生爆炸；HCl具强刺激性，对眼睛和呼吸道粘膜有强烈刺激性，吸入高浓度HCl时会引起肺水肿、昏迷、休克甚至死亡；其中氢气、氯气属于《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化学品目录的通知》（安监总管三〔2011〕95号）和《国家安全监管总局关于公布第二批重点监管危险化学品名录的通知》（安监总管三〔2013〕12号）中重点监管的危险化学品，氢气、氯气采取的安全措施和应急处置措施符合《重点监管的危险化学品安全措施和应急处置原则的通知》等规范的要求。

因此，必须对这3种气体进行有效监测，确保工艺管线和厂房内不出现泄漏点，以保证生产稳定和人员安全。

2 可燃、有毒气体检测系统存在的缺点及优化方案[2]

开元化工以前采用将可燃和有毒有害气体检测报警系统并到过程生产控制系统DCS内，这种做法的好处是投资少、品牌统一、备品备件数量少、便于后期维护等，但在管理过程中存在缺乏直观性、系统性，管理效率较低，管理人员不能快速、直观、准确、动态地掌握相关检测信息，系统监控安全性能、响应时间、设备可靠性和人员安全上都存在着较大隐患。

随着工业4.0、两化融合、智能工厂以及中国制造2025等计划的推进和实施，以及越来越严峻的安全形势要求，为了适应新的要求，开元化工根据GB 50493-2009的第3.0.9条国内设计规范，采用新型的GDS系统化、网络化的手段将相应采集信息汇总，统一由独立设置的管理平台进行智能分析和处理，实现可燃、有毒气体在线监测及自动预警系统。值班人员亦可通过查看现场联动视频，实时掌握现场状况，进行各种决策，确保企业的人员和财产安全，减少企业发生危险事故的概率，达到企业安全生产的目标。

GDS系统不仅能预防重大事故的发生，而且能在一定程度上将事故危害限制到最低程度。不仅能够协助政府端和企业辨识、登记、普查重大危险源，并且能够评估事故严重程度和可能性，对危险源进行实时监控，加强组织管理，能够及时发现泄漏情况及时处理，有效将事故消灭于萌芽状态，极大提高了装置运行的安全性。

3 可燃、有毒气体在线监控系统工作原理[3]

在生产现场可能泄漏可燃气体和有毒气体的地方安装检测目标可燃气体浓度的探测器，通过传感器和输入模块的测量值由已设置好的内置程序即时管理，当现场出现监控气体泄漏，测量值达到测量临界值时，发出声音及可视警报，可燃、有毒气体监测系统会开启；探测器的传感器属电化学传感器，可将监控气体浓度转换为标准电信号4～20 mA送至控制室指示报警器内，并在达到危及安全的浓度时实现现场声光报警。指示报警器（报警控制器）安装在控制室内，指示报警器具有对每个检测点相对独立、互不影响的报警功能，并能区分和识别报警场所位号。可燃气体检测系统采用二级报警，信号经报警器送至DCS系统进行监控。

4 可燃、有毒气体在线监测系统的结构及组成

4.1 系统的结构

GDS系统由可编程序逻辑控制器构成，主要由处理器、I/O卡件、网络通信系统、电源、安装附件等组成。为保证系统的可靠性，GDS的处理器（包括各控制子系统的处理器）应采用双机双背板热备，热备套件必须固化热备切换程序，实现无扰切换，无需编写切换程序，热备系统为硬件切换型。GDS配备与DCS系统的通信接口，可将两个系统有机结合起来。

该系统设1个工程师站，工程师站可用于系统的组态、参数设定及修改、用户应用软件的开发，通讯接口站用于与全厂信息管理系统的连接。设6个操作员站，操作员站之间互为冗余。各操作员站的功能有流程图、趋势图、列表等形式显示机组运行参数，历史数据储存与查询、报警及打印，用鼠标可进行设备启停和阀门开度调节等操作（软手操），实现数据采集和指令发送等功能。6台DCS机柜由DCS完成现场信号采集及运算、逻辑等功能。

本系统采用集散控制系统（DCS）完成装置全部生产过程的自动控制、监视、操作、管理及自动打印报表等。整个DCS系统具有上位通讯功能，便于全厂信息的统一管理。采用的DCS系统具有开放性网络结构，其硬件和软件先进可靠，同时又有成熟的、有效的高级应用软件包，可满足生产控制、优化管理的需要。

DCS可与其他系统设备和平台通过工业标准通信协议实现系统集成和信息交换，包括：HART、MODBUS、TCP/IP、OPC等。本系统设置一套独立安全仪表SIS系统实现对装置的关键部位安全联锁控制，确保装置的安全可靠。

4.2 系统的组成

本系统由烧碱装置、仓库、罐区等组成，在其可能泄漏可燃气体和有毒气体的地方安装检测泄漏可燃气体浓度的探测器，信号送至控制室指示报警器内，并在达到危及安全的浓度时实现现场声光报警。指示报警器（报警控制器）安装在控制室内。指示报警器具有对每个检测点相对独立，互不影响的报警功能，并能区分和识别报警场所位号。可燃气体检测系统采用二级报警，信号经报警器送至DCS系统进行监控。

4.3 现场报警器设置

电解及淡盐水脱氯工序设置Cl2气体报警器13台、H2气体报警器10台，合成盐酸工序设置Cl2气体报警器10台、H2气体报警器8台，氯气液化及整瓶包装工序设置Cl2气体报警器34台，氯气处理及压缩工序设置Cl2气体报警器16台；氢气处理工序设置H2气体报警器4台，氢气锅炉工序设置H2气体报警器4台，中控中化楼设置H2气体报警器1台。

整个项目设置一套独立的可燃、有毒气体报警器控制系统，报警控制柜设置在联合站房控制室内，并且与DCS控制系统进行通讯，数据传送到DCS控制系统。本项目设置安全仪表系统（SIS系统）、可燃有毒气体报警系统、视频监控系统。

5 优化后可燃、有毒气体在线监控系统的优势

（1）解决了可燃、有毒气体报警器检测点多、面广、复杂繁重，相关管理人员在控制室与现场间来回跑动，管理效率低的问题；

（2）解决了警情发现不及时，延误处理时间，导致隐患扩大化问题；

（3）解决了各车间、各监测设备单独作业，无法实现集中监测、联动管理，即时、直观、形象监测预警的问题；

（4）为安全生产相关部门提供实时数据、实时视频和报警服务，为相关决策提供数据支持；

（5）解决了企业报警数据的收集、存储和管理难的问题，提供历史报警记录检索、查询功能。

6 系统的主要应用范围

6.1 厂区综合监测

直观展示整个厂区概况及检测设备的位置分布信息等，展示检测器传回的实时数据、网络状态、报警信息等，智能判断设备状态、报警级别，并通过抖屏、发光、声音等多种报警效果通知、提醒用户。

6.2 实时及历史趋势查询

在厂区综合监测的基础上，基于曲线监测加列表监测的方式，提供设备实时监测数据趋势和历史数据趋势查询功能，查询结果亦可导出来单独进行数据分析。

6.3 报警阈值设置

通过系统批量或单独预设高高报，高报，低报、低低报、预警等报警阈值。

6.4 分级预警及警情处理

根据检测器的报警级别（高高报、高报、低报、低低报）分别设置相应的报警责任人（可重复多选），当设备发生警情时，系统会依据预警设置通过抖屏、闪烁、声光以及短信等方式自动向不同报警级别责任人发送报警短信；相关负责人确认、处理报警的同时，可手动进行消音、复位等操作。系统支持通过报警时间、企业、车间、监控探头等多条件、多维度组合查询出报警记录和报警处理记录，同时支持列表模式、曲线模式展示，支持报警单个和批量处理等常用便捷操作。

6.5 设备状态智能监测

实时监测“监测、监控设备”的工作状态，实现监控设备高高报，高报，低报，低低报，通讯故障，网络故障，通讯超时、未连接、预热、标定等在线实时监控，发生故障或报警时，可实时在系统中监控到，为故障原因诊断、排查提供可靠依据。

6.6 视频联动监控

系统提供视频联动监控，实时监测现场各视频监控点位的实时视频。当车间内设备出现故障或报警时，可通过联动视频查看现场情况，确认现场无危险后，再进入现场进行故障或报警的处理，可达到安全、快速定位并处理故障的效果。

6.7 即时通讯交流

系统提供完备的即时通讯交流工具，值守人员之间可通过即时通讯工具迅速、快捷进行沟通。

6.8 用户权限管理

系统支持权限管理，用户实现分角色管理，主要包括“普通用户”和“管理员”等角色，不同的角色可进行不同的操作，满足企业日常监管需求。其中“普通用户”对企业厂区进行日常巡检，同时对车间的设备及报警进行实时监测、报警通知、警情处理、综合查询、视频监控；“管理员”除具有普通用户的权限外，亦可对系统用户信息（用户权限分配、密码重置等）、设备信息（监控探头、监控视频、通信链路等）、企业信息（车间、安全员等）、系统信息（系统日志、图片信息、探测介质等）进行配置和管理。

6.9 智能移动终端

系统支持智能手机登录访问，可方便相关人员随时随地掌握厂区危险源的状态。

7 实现管理目标

7.1 管理标准化、规范化

参照国家和行业标准制定相关业务流程，实现业务处理流程规范化、信息化管理。

7.2 直观、便捷的重大危险源电子台账

借助GIS地图对厂区内的重大危险源建立电子台账，对其种类、分布情况、危害范围等信息进行排查摸底，使其处于可控范围内。

7.3 分级联动预警、报警

超限自动报警，按报警级别发光、发声、智能分级发送报警短信，及时通知相关责任人采取措施，降低危害；自动弹出报警区域的监控视频，调取相应应急预案，为处警人员提供及时科学的辅助决策，缩短反应时间；实现现场—车间—总控制室三级联动，报警—处理—反馈—结果跟踪机制，降低事故发生的概率，保证企业安全生产，进而增加企业经济效益。

7.4 智能统计分析

实现报警记录和历史记录查询、统计、分析，减少漏报、误报情况，为改进工作模式、提高工作效率提供科学依据和数据支撑。

7.5 联网登录访问

实现一处部署，多人多端访问，借助办公电脑、笔记本、智能手机等终端设备，利用厂区通讯网络可随时随地掌握企业重大危险源的实时信息和参数，提升企业的安全监管技术水平和工作效率；并支持多级权限控制，数据加密传输，保证系统访问和数据的安全性。

8 结语

20万t/a离子膜烧碱装置通过使用新型的可燃及有毒有害气体在线监控系统，能够有效检测并及时发现生产过程中的可燃、有毒有害气体的泄漏，并第一时间发出声光报警信号，及时将报警模拟信号通过上位机组态图形迅速显示出来，在事故前期帮助监控人员准确地判别泄漏点，并尽快采取有效的防控措施，还可启动事故排风机排尽厂房等密闭空间中的可燃及有毒有害气体，从而在处理事故中对人员提供安全保障，确保安全生产，避免造成严重的危险事故。