FGS系統(tǒng)在鹽化工裝置中的應(yīng)用前景分析

黃仲偉 楊 玄 李 杰 劉 彬 鄭春紅 王瓊霞 徐何軍

1. 中國(guó)石化江漢油田分公司鹽化工總廠, 湖北 潛江 433121; 2. 中國(guó)石化江漢油田分公司江漢采油廠, 湖北 黃岡 438011

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步,中國(guó)鹽化工行業(yè)在全球占據(jù)了較大份額。鹽化工行業(yè)已經(jīng)從傳統(tǒng)的“三酸兩堿”中的燒堿、純堿和鹽酸,逐步發(fā)展成向著眾多的精細(xì)專用化學(xué)品延伸的綜合型基礎(chǔ)原材料行業(yè)鏈,PVC、甲烷氯化物、環(huán)氧丙烷、TDI/MDI等多種基礎(chǔ)性化工原料就是鹽化工企業(yè)的產(chǎn)物。隨著產(chǎn)品的不斷豐富,鹽化工行業(yè)的安全環(huán)保要求也不斷提高,提出工業(yè)4.0背景下的智能化工廠展望，所以必須依靠智能化系統(tǒng)全面保障鹽化工企業(yè)安全環(huán)保運(yùn)行[1]。

在石油化工領(lǐng)域,智能化生產(chǎn)已初見成效。國(guó)內(nèi),西北石油局建成并投運(yùn)了智能化油田調(diào)度系統(tǒng),解決了油田單井點(diǎn)多面廣巡檢不利的局面,極大節(jié)約了人力資源,提高了油田整體生產(chǎn)效率[2-3]。國(guó)外,相關(guān)的化工企業(yè)設(shè)計(jì)并運(yùn)用了數(shù)字化工廠SIS系統(tǒng),優(yōu)化了化工裝置調(diào)控響應(yīng)時(shí)間,綜合提高了化工企業(yè)生產(chǎn)平穩(wěn)率,極大降低了事故發(fā)生概率。

從行業(yè)未來的趨勢(shì)來看,鹽化工行業(yè)未來將大力向多產(chǎn)品、集成化發(fā)展,特別是在氯產(chǎn)品的基礎(chǔ)上衍生消耗氫、燒堿的下游產(chǎn)品。形成以氫氣、氯氣、燒堿及其下游產(chǎn)品貫穿其中,中間產(chǎn)品互利型多種精細(xì)化學(xué)品的行業(yè)鏈[4-6]。由此看來鹽化工裝置工藝流程復(fù)雜,風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)多,安全生產(chǎn)責(zé)任重大。

1 鹽化工裝置安全特點(diǎn)

精細(xì)化工是鹽化工的下一步發(fā)展方向,但由于中國(guó)鹽化工起步較早,相應(yīng)企業(yè)廠房設(shè)施及工藝設(shè)備存在裝置老化、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差等問題。鑒于成本考量,精細(xì)化工發(fā)展上往往會(huì)在傳統(tǒng)鹽化工廠房及設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造[7]。老舊工廠的建設(shè)年份、設(shè)備運(yùn)行情況及當(dāng)時(shí)建設(shè)的國(guó)標(biāo)等因素都為改造后的后續(xù)生產(chǎn)帶來較多安全隱患,生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻。但鑒于工程預(yù)算,又不能大規(guī)模進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和設(shè)備更新?lián)Q代,只能在大修和改造的基礎(chǔ)上緩步推進(jìn)鹽化工裝置的發(fā)展[8-10]。鹽化工裝置常見安全隱患見表1。

表1鹽化工裝置常見安全隱患

設(shè)備及裝置安全隱患發(fā)生概率/(%)反應(yīng)釜及反應(yīng)器1)減速機(jī)異響、漏油、塑料風(fēng)葉熱融變形;2)機(jī)封、減速機(jī)缺油;3)墊圈老化、物料泄漏;4)爆破片失效、壓力表失效、閥門內(nèi)漏;5)溫度偏高、攪拌終端且存在異常升壓或沖料;6)反應(yīng)釜酸性腐蝕,搪瓷內(nèi)膽腐蝕且物料易燃易爆具有腐蝕性,系統(tǒng)及附件老化;7)缺少備用機(jī)或備用機(jī)年久失修21貯槽、罐區(qū)、槽車1)液位計(jì)模糊或損壞、堵塞;2)高位貯槽未能有效固定;3)常壓貯槽帶壓使用;5)貯罐頻繁受真空、氮?dú)饨蛔冚d荷,且出現(xiàn)裂縫;6)低沸點(diǎn)溶劑或液化氣貯槽受陽光直射;7)室外貯罐等存在運(yùn)輸車輛等撞擊危險(xiǎn);8)危險(xiǎn)品罐區(qū)圍堰孔洞未封堵,防護(hù)堤封堵不嚴(yán)密,任意開設(shè)排雨水孔18冷凝器、再沸器1)任何情況引起的腐蝕與泄漏;2)冷凝后物料溫度過高;3)換熱介質(zhì)層被淤泥、微生物堵塞19管道及附件1)可燃或腐蝕性物料出口管線,其支架未設(shè)置吊式壓式彈簧補(bǔ)償措施,或直接采用撓性連接短管;2)保溫保冷層破損;3)腐蝕、色標(biāo)不清;4)液位計(jì)及相關(guān)儀表未設(shè)置防護(hù)28機(jī)泵1)泄漏、異響、防護(hù)罩缺失;2)泵進(jìn)口管徑小或管路長(zhǎng)或拐彎多,泵出口未裝壓力表或止回閥;3)長(zhǎng)期停用時(shí),未放凈泵和管道中液體,造成腐蝕或凍結(jié)14

鹽是化學(xué)工業(yè)的重要原料,具有通用性與延伸性。當(dāng)前以鹽為原料的鹽化工種類繁多,工藝流程復(fù)雜,進(jìn)行不同裝置的互助生產(chǎn)可以運(yùn)用單一鹽化工裝置制成氯氣、金屬鈉、純堿、燒堿和鹽酸等種類繁多的產(chǎn)品，但裝置反應(yīng)復(fù)雜,產(chǎn)品危險(xiǎn)性大,其中純堿和氯堿等延伸產(chǎn)品具有較大毒性需要最高等級(jí)安全防護(hù)。所以相應(yīng)鹽化工企業(yè)生產(chǎn)與產(chǎn)品儲(chǔ)存安全任務(wù)重、環(huán)保壓力大。當(dāng)前相關(guān)企業(yè)建立有保障工廠正常運(yùn)行的DCS控制系統(tǒng)，而個(gè)別工廠因?yàn)榻ㄔO(shè)年份久遠(yuǎn),成本壓力大等原因,未設(shè)立智能化安全防護(hù)系統(tǒng)。所以在發(fā)生泄漏、火災(zāi)等重大事故時(shí),保障工程最后關(guān)口的防護(hù)措施至關(guān)重要。

2 FGS系統(tǒng)概述

火氣系統(tǒng)全稱為火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測(cè)系統(tǒng)(Fire Alarm and Gas Detector System,FGS),為專用獨(dú)立的安全預(yù)警性火氣系統(tǒng),符合中國(guó)消防安全資格認(rèn)證(CCCF認(rèn)證),在國(guó)際上常與SIS系統(tǒng)配合使用,保障工廠生產(chǎn)安全。目前，F(xiàn)GS系統(tǒng)在中國(guó)新一代化工廠和相關(guān)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程中運(yùn)用,但尚未全面普及，也沒有相應(yīng)法律法規(guī)和明確行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行FGS系統(tǒng)的強(qiáng)制性或建議性運(yùn)用[11]。

FGS系統(tǒng)主要針對(duì)火源和氣體進(jìn)行有效探測(cè),并實(shí)施報(bào)警響應(yīng)。FGS系統(tǒng)原理邏輯見圖1，其主要工作原理為:首先通過火焰、可燃?xì)怏w、煙感、溫感等探頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集;然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和信息傳遞,經(jīng)過軟件邏輯觸發(fā)中控和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，并在電腦上顯示報(bào)警位置和實(shí)時(shí)參數(shù)；最后進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)遙控消防炮、雨淋閥、泡沫閥以及空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)化響應(yīng),實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處理,最終達(dá)到保障安全目的[12-14]。

圖1 FGS系統(tǒng)原理邏輯

FGS系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件、邏輯控制器、執(zhí)行元件、模擬報(bào)警盤及不間斷電源組成,且包括辦公區(qū)火災(zāi)報(bào)警和空調(diào)控制系統(tǒng),見圖2。FGS系統(tǒng)采用冗余結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)可靠性和可用性。現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)裝置區(qū)域的FGS系統(tǒng)互為獨(dú)立,且與DCS保持冗余串行通訊,保證單一故障不影響系統(tǒng)全局正常運(yùn)行[15]。其中每套FGS系統(tǒng)均配置冗余的以太網(wǎng)接口,通過光纖連接至冗余的FGS系統(tǒng)中央交換機(jī)。中控室控制面板與消防支隊(duì)的HMI上位機(jī)可通過以太網(wǎng)進(jìn)行各個(gè)FGS系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享并保持實(shí)時(shí)通訊暢通,確?，F(xiàn)場(chǎng)探頭和系統(tǒng)報(bào)警狀態(tài)實(shí)時(shí)受控，全面提高應(yīng)急反應(yīng)速度和人員處置效率[16]。

FGS系統(tǒng)具備故障自檢和恢復(fù)功能。在系統(tǒng)設(shè)置之初,若系統(tǒng)發(fā)生供電故障、功能紊亂、檢測(cè)回路不暢等多種情況時(shí),會(huì)觸發(fā)報(bào)警提示并且鎖死檢測(cè)報(bào)警和消防閥。所以FGS系統(tǒng)中的全面裝置只默認(rèn)非故障安全模式，能在及時(shí)發(fā)生潛在故障并且自動(dòng)或半自動(dòng)恢復(fù),充分確保系統(tǒng)穩(wěn)定性與易用性[17-19]。

圖2 FGS系統(tǒng)組成

3 FGS系統(tǒng)應(yīng)用前景

鹽化工裝置設(shè)計(jì)緊湊,存在交叉性反應(yīng)和物料互竄等風(fēng)險(xiǎn)。加上精細(xì)化工發(fā)展方向上的傳統(tǒng)鹽化工廠工藝設(shè)備改造,使原有的安全問題更嚴(yán)峻。單純依靠傳統(tǒng)人工巡檢難以達(dá)到安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn),迫切需要類似FGS系統(tǒng)的智能化安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行全方位檢測(cè)預(yù)警[20]。

某公司安裝有燕山石化國(guó)外引進(jìn)并自主創(chuàng)新后FGS系統(tǒng),該系統(tǒng)基于工程工藝流程，首先進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探頭安裝位置標(biāo)注，確保中控人員隨時(shí)監(jiān)控各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警點(diǎn)位置。

然后通過硬件將冗余可編程序控制器和火災(zāi)報(bào)警控制器融為一體。HMI上位機(jī)部分采用組態(tài)軟件完成,使整個(gè)系統(tǒng)具備人性化操作界面,確保具備事前預(yù)防、事中處理、事后查詢分析的功能。具體運(yùn)行規(guī)程為可編程序控制器冗余系統(tǒng)與上位機(jī)通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通訊,將現(xiàn)場(chǎng)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行中控面板顯示,若現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè)到異常,信息會(huì)通過RS 485總線經(jīng)火災(zāi)報(bào)警控制器鏈入冗余可編程序控制系統(tǒng),觸發(fā)聲光報(bào)警并在中控面板顯示出報(bào)警位置及報(bào)警情況,以列表形式提示工作人員。FGS系統(tǒng)還能根據(jù)可燃?xì)怏w泄漏量及相應(yīng)探頭數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行智能判斷并進(jìn)行預(yù)警等級(jí)限定,防止出現(xiàn)誤報(bào)或消防設(shè)備觸發(fā)等較為敏感問題[21]。

綜上所述,FGS系統(tǒng)具有先進(jìn)性與可靠性,能根據(jù)工藝裝置特點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探頭的自由搭配,在全面兼容的系統(tǒng)框架下進(jìn)行包括報(bào)警燈、報(bào)警喇叭、電磁閥、消防設(shè)施等設(shè)備的靈活優(yōu)選聯(lián)動(dòng)優(yōu)選;極大提高系統(tǒng)可用程度,充分節(jié)約人力資源,避免人員傷亡，保障裝置設(shè)備安全。鹽化工裝置可根據(jù)工藝設(shè)備情況進(jìn)行包括手動(dòng)報(bào)警、煙感、溫感、壓力開關(guān)、流量開關(guān)等基礎(chǔ)DCS聯(lián)鎖設(shè)置,然后通過FGS系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警,智能響應(yīng)地全方位安全防護(hù)。由此可見,鹽化工裝置投用FGS系統(tǒng)方案可行。

4 結(jié)論

鹽化工裝置工藝流程復(fù)雜,產(chǎn)品危險(xiǎn)性大,具有互助反應(yīng)等行業(yè)特點(diǎn)。所以安全工作不僅要依靠體系文件和加強(qiáng)培訓(xùn)等工作來加強(qiáng),還必須依靠智能化先進(jìn)方案進(jìn)行軟硬件結(jié)合,形成具備自動(dòng)預(yù)警、智能指揮、實(shí)操演練等多項(xiàng)功能的立體化防護(hù)網(wǎng)。

采用全新設(shè)計(jì)理念和技術(shù)的FGS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的DCS、SIS系統(tǒng)配伍協(xié)調(diào)性使用,實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)生產(chǎn)管理上的檢測(cè)、傳輸、顯示與報(bào)警等安全方面功能,極大提高了裝置安全性。達(dá)到第一時(shí)間應(yīng)急處置,極大降低事故危害。在管理上真正做到檢測(cè)、傳輸、顯示、報(bào)警、應(yīng)急啟動(dòng)幾乎在同一時(shí)間完成。

FGS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)性良好。在極大兼容現(xiàn)場(chǎng)已有設(shè)施前提下做到成本可控,經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。FGS系統(tǒng)自帶的故障檢測(cè)功能齊全，具有較好的故障定位和修復(fù)能力,系統(tǒng)維護(hù)效率較高。毫秒級(jí)SOE功能(事故順序記錄)的實(shí)現(xiàn),極大地方便了用戶的事故數(shù)據(jù)采集,該功能彌補(bǔ)了民用普通火災(zāi)報(bào)警器在這一功能上的缺陷。