技术分享：丙烯腈装置GDS系统选型研究及应用

轩忠民，潘东 2024-06-28

丙烯腈装置 GDS 系统需求和功能，重点在于监测、报警和防范可燃和有毒气体泄漏。

本文刊登于PROCESS《流程工业》2023年第11期，标题《丙烯腈装置GDS系统选型研究及应用》，本文作者轩忠民供职于海洋石油富岛有限公司，潘东供职于北京康吉森自动化科技有限公司。

针对丙烯腈装置GDS系统的特殊需求，本文从功能安全的角度，提出了对于具有安全回路的GDS系统，应综合引用GB/T50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警系统设计标准》和GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》的选型原则，确保在现场有毒气体浓度过高时，GDS系统能及时起动风机排出有毒气体，避免危及现场操作和巡检人员的安全。并以完整案例，介绍了丙烯腈装置 GDS系统的基本功能、网络结构、报警及联锁逻辑等功能。

随着安全生产形势越来越严峻和国家对安全生产的监督和管理的加强，以及新版《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》的要求，某丙烯腈联合装置设置了一套独立的GDS系统。丙烯腈联合装置是一个复杂的含有剧毒物质的化工工艺过程装置，装置内有氢氰酸、丙烯腈、氨等有毒物料和丙烯、乙腈等可燃物料存在，在已建成投产的装置中曾发生多起因丙烯腈和氢氰酸泄漏导致的人员伤害事故，故在易燃易爆及有毒气体泄漏处安装了可燃及有毒气体检测报警器、区域报警器以及联动的排风设备。下面以丙烯腈厂的GDS项目选型和应用为案例，说明GDS系统部署的方式和结构。

丙烯腈及其生产工艺简介

丙烯腈是丙烯系列重要的有机化工原料，主要用于生产聚丙烯纤维、腈纶、ABS共聚物和SAN共聚物等合成树脂、丁腈橡胶等，也是丙烯酰胺、己二腈、丁腈橡胶及精细化工产品的原料。

丙烯腈装置为高度集成的一体化装置，纵观整个生产工艺流程，自动化程度较高，工艺流程比较复杂，所使用的主要设备反应器内温度较高，塔类、换热设备、储罐等涉及高压力容器、压力管道，装置危险性较高。丙烯腈生产过程工艺介质存在易燃易爆及有毒有害物质如：丙烯、丙烯腈、乙腈、氢氰酸以及氨等；在生产过程中存在火灾爆炸危险性，此外还涉及一些强腐蚀性化学品，如硫酸、碱液等。丙烯腈装置生产时还会排出大量影响环境及健康的有害污水及废气。在丙烯腈装置整个生产过程中都存在安全、健康、环境等方面的问题。

本装置生产过程中可能接触到的毒物中，氢氰酸因沸点低（26℃），毒性大，是毒物危害中最为严重的一种物质。氢氰酸是生产过程中的副产品，在反应器区、急冷塔区、吸收塔区、收塔区、脱氢氰酸塔区、丙烯腈反应泵房、回收精制泵房、丙烯腈污水泵房、废水、废液槽、污水收集槽间、焚烧炉氢氰酸喷嘴和火炬周围等处以及丙烯腈精制工段和氢氰酸输送管线附近容易发生氢氰酸中毒。在生产、输送、贮存等过程中若发生泄漏或喷溅，就会引发事故，应特别加以重视。

吸入高浓度氢氰酸可引起骤死。非骤死者临床表现为黏膜刺激、呼吸加快加深、乏力、头痛，口服者有舌尖、口腔麻木；呼吸困难期有呼吸困难、血压升高、皮肤黏膜出现鲜红色；惊厥期出现抽搐、昏迷、呼吸衰竭。麻痹期全身肌肉松弛，呼吸心跳停止而死亡。可致眼、皮肤灼伤，吸收引起中毒。氢氰酸属I级极度危害毒物，按《工作场所有害因素职业接触限值》(GBZ2—2002）中规定，最高容许浓度为l mg/m3。

丙烯腈装置GDS系统选型

系统需求

本案例应用的丙烯腈装置属于一个联合装置，包括丙烯腈主装置、MMA（甲基丙烯酸甲酯）装置、SAR（硫酸回收）装置以及配套的罐区及公用工程装置。该项目下设3个现场机柜间和1个中央集中控制室，其中丙烯腈装置单设1个丙烯腈现场机柜间、MMA和SAR装置共用1个SAR/MMA机柜间、罐区及公用工程单设1个罐区及公用工程机柜间，中央控制室远离丙烯腈装置近2km。

丙烯腈联合装置共采用了一整套GDS系统，主要包括可燃、有毒气体检测报警系统。可燃气体和有毒气体检测报警系统GDS（GasDetectionSystem）是由多台设备所构成，包括：气体探测器、GDS系统控制柜、交换机、工程师站/操作站等，主要为工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施触发区域报警动作或联锁起动风机控制。

选型分析

按GB/T50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警系统设计标准》，对于报警控制单元要求不高，只要求应采用独立设置的以微处理器为基础的电子产品，并应具备下列基本功能：

1. 能为可燃气体探测器、有毒气体探测器及其附件供电。

2. 能接收气体探测器的输出信号，显示气体浓度并发出声、光报警。

3. 能手动消除声、光报警信号，再次有报警信号输入时仍能发出报警。

4. 具有相对独立、互不影响的报警功能，能区分和识别报警场所位号。

5. 报警控制单元应能发出与可燃气体和有毒气体浓度报警信号有明显区别的声、光故障报警信号。

6. 具有记录、存储、显示功能。从以上要求可以看出，GB/T50493—2019定义的GDS系统只需实现采集信号和实现报警的功能，而不需要联锁动作，所以不构成一个安全回路，也就没有对报警控制单元提出安全可靠性等级的要求。

但丙烯腈装置的GDS系统包含了联锁起动风机的控制，确保在现场有毒气体浓度过高时，能及时排出，避免危及现场操作和巡检人员的安全。所以丙烯腈装置的GDS中存在完整的安全回路。故从风险分析角度考虑，应确保GDS的可靠性，系统能利用通断检测能力，确保现场信号正常传输，控制器及IO卡件的正常运行，现场设备正常运转。对于这样的GDS应用，其参考标准不应简单引用GB/T50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警系统设计标准》，而应当同时参考GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》。

考虑到丙烯腈装置的SIS系统采用的是具有SIL3等级的安全仪表系统，因此，对于GDS的安全回路，宜采用同样SIL3的安全可靠性等级，确保现场风机在异常状态下能及时起动、运行，确保现场操作环境的安全。

经综合对比分析，本案例的GDS系统选用了康吉森TSxPlus三重冗余系统和Architect系列软件，作为系统控制单元的实施平台。TSxPlus硬件采用三重化架构，含主处理器、输入、输出、通信等模块，通过FTA端子板实现与现场可燃有点检测器和区域报警器的连接，其降级模式为3-2-1-0，可以满足丙烯腈装置GDS系统的特殊设计要求。

设备配置

丙烯腈联合装置GDS系统规模I/O点数为611点，其中丙烯腈装置361点，MMA/SAR装置148点，罐区及公用工程装置102点。GDS系统选用了三重冗余的控制器，控制器和I/O模块采用三取二表决，基于3-2-1-0逐渐降级的原则进行容错，大大提高了系统的可靠性和容错能力。为保证扩展机架和主机架之间通信的稳定，通信模块均采用了三重化结构，通信光纤采用了“一天一地”的冗余敷设，从物理条件上给通信稳定奠定了良好的基础。

自机柜引入两路UPS，每套机架供电均采用冗余供电。在系统运行过程中，当其中某一台电源发生故障时，不必停机就可以在线更换。

网络拓扑

在丙烯腈机柜间设置1套独立控制器的GDS系统（以下简称GDS-01），在SAR/MMA机柜间设置1套远程I/O站（以下简称GDS-R-01）、在罐区及公用工程机柜间设置1套远程I/O站（以下简称GDS-R-02），GDS-01与GDS-R-01、GDS-R-02之间通过三重化冗余总线接口光模块光纤连接（星行连接）；在各机柜间及中央控制室设置工程师站，之间通过冗余光电交换设备连接在一个控制网络，实现全厂GDS的组态、监控、报警及报表等操作控制，所有工程师站具备操作员站功能。GDS系统网络示意，如图1所示。

图1 GDS系统网络示意

本项目设置4台工程师站，1台放在中央控制室（CCR），其余3台分别放置在3个现场机柜间（FAR）内。工程师站具备操作员站及SOE站功能。通过冗余的通信方式与各控制器通信，用于控制器的组态、除错、修改、测试、软件装载及维护等。

工程师站能对系统进行诊断并显示系统故障信息。配备过程控制和监测软件，具有完善的报警功能，具备数据记录和趋势显示的功能，配备用于保存过程数据记录的软件。操作员站用于仪表维护旁路的操作，并显示所有系统的状态，联锁逻辑状态，逻辑图等信息。工程师站具备打印组态数据和图形的能力、顺序事件记录（SOE/SER）站的功能，配备整套顺序事件记录的软件。

丙烯腈装置GDS系统控制功能

在丙烯腈装置现场存在着各种各样易燃易爆和有毒气体，例如：丙烯腈、氰化氢、乙腈以及甲烷等；易燃易爆气体一旦发生泄漏，在空气中具有达到一定浓度后，遇到点火源或热源便会发生火灾，严重的则发生爆炸；有毒性气体发生泄漏轻则出现环保事故，重则导致人身伤害等可怕的严重事故。为保障人身财产安全、避免环境污染，实时监测生产装置中泄漏的可燃气体和有毒气体的含量并在超标时触发报警和联锁，预防人身伤害以及火灾与爆炸事故的发生，在石油化工企业中设置GDS系统是十分必要的。

区域报警器联锁逻辑功能

图2、图3分别吉林设计院、宁波设计院所设计的有关区域报警器的联锁触发逻辑。根据GB/T50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警系统设计标准》“5.3.1区域警报器的起动信号应采用第二级报警设定值信号”，均在系统底层组态进行了设定。

图2 吉林院区域报警器逻辑

图3 宁波院区域报警器逻辑

风机联锁逻辑功能

图4为丙烯腈现场机柜间空调机房新风入口的电动密闭阀联锁逻辑，当现场可燃有毒气体测量值高于联锁设定值时，自动关闭新风电动阀，机柜间外的有毒有害气体无法进入机柜间内。图5为地坑风机联锁逻辑，当地坑内的可燃有毒气体测量值高于联锁设定值时，自动起动地坑风机，将地坑内的有毒有害气体抽至安全处，可有效降低现场毒气浓度，保证现场人员的人身安全。