探讨大型联合化工厂气体检测报警系统设置

在炼油、石油化工、煤化工等行业的生产过程中不可避免地存在各种可燃或有毒气体，这些气体一旦泄漏并积聚在周围环境中，有可能酿成火灾、爆炸或人身中毒等恶性事故，合理设置可燃气体和有毒气体检测报警系统（GDS），做好可燃有毒气体检测及报警，防患于未然，是十分必要的。安全生产和防灾减灾的基本原则是“安全第一、预防为主”，对GDS的设置自然是越来越受到重视。

2014年11月13日，国家安全监管总局发布的《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116号）文件，对GDS的设置产生了重要影响。目前，在编制GDS的规格书时，有些设计将GDS当作是安全仪表系统，有的要求其安全完整性等级（SIL）为SIL1，SIL2或SIL3，也有的只要求其具有SIL等级，而并没有明确提出具体的SIL等级，相对来说比较混乱。本文根据有关标准规范、管理文件并结合大型联合化工厂的实际情况，讨论GDS的设置。

1 大型联合化工厂主要控制系统

现代大型联合化工厂是由多套化工生产装置及公用工程装置组成的，各生产装置之间通过各种物料相互联系，使生产装置与公用工程装置构成了一个有机整体。化工生产装置都配置了用于过程控制和数据采集的分散型控制系统（DCS），用于生产装置安全联锁保护的SIS，用于生产环境监测的GDS等。

大型联合化工厂的地域较大，生产装置现场中的操作人员较少。为减少信号线路的长度，采用中心控制室和现场仪表机柜室相结合的方式，中心控制室设置在远离生产装置的安全区域，现场仪表机柜室设置在紧邻生产装置的适当区域。该模式下按照安装区域可大致划分为以下5个部分，各部分的安装位置是相对固定的。

1）安装在生产装置现场的有温度、压力、液位、流量、成分分析等检测仪表和控制阀、切断阀等执行类仪表。

2）安装在现场仪表机柜室内的控制站（器），包括电源柜、系统柜、安全栅柜、继电器柜、接线端子柜及仪表控制系统的一层网络柜等设备。

3）现场仪表机柜室与中心控制室的机柜室之间相连接的不同路径的冗余光纤。

4）安装在中心控制室的仪表机柜室内的设备，包括电源柜、各控制系统的二层及三层网络柜、SIS或CCS的远程I/O柜等。

5）安装在中心控制室内的各控制系统的操作站、SIS或CCS的辅助操作台、打印机等设备。

现场仪表与安装在现场仪表机柜室内的控制站相连接，控制站与各自的一层网络交换设备相连接；现场仪表机柜室内的各控制系统的网络设备，通过不同路径的光纤与中心控制室的仪表机柜室内的各自控制系统网络设备或SIS，CCS的远程I/O柜等设备相连接；中心控制室内的操作站与中心控制室的仪表机柜室内的各自二层网络设备相连接；SIS或CCS的远程I/O（或控制器）与中心控制室内的辅助操作台，通过仪表信号电缆相连接。

在大型联合化工厂的中心控制室建筑里，除了办公房间外，操作大厅、消防值班室、生产调度室等可称为操作人员常驻的有人值守房间。

大型联合化工厂中，与现场可燃及有毒气体探测器相连接的报警控制器安装在现场仪表机柜室内，显示报警设备安装在中心控制室或消防值班室内。

2 各类控制系统在保护层中的位置

保护层是通过控制、预防、减缓等手段降低风险的措施。石油化工典型风险降低保护层如图1所示。

从图1可以看出：DCS处于第二保护层；GDS及重要的过程报警处于第三保护层，当GDS发出报警时，需要工艺操作人员及时采取措施，以避免恶劣事故的发生；SIS处于第四保护层，用于防止或减少危险事件的发生；火灾消防应处于第七保护层，用于减轻和抑制危险事件的后果。

3 GDS和SIS的关系分析

3.1 国家部委文件的规定

原国家安全监管总局安监总管三〔2014〕116号文件第一部分规定：“化工安全仪表系统，包括安全联锁系统、紧急停车系统和有毒有害、可燃气体及火灾检测保护系统等。安全仪表系统独立于过程控制系统（例如分散控制系统等），生产正常时处于休眠或静止状态，一旦生产装置或设施出现可能导致安全事故的情况时，能够瞬间准确动作，使生产过程安全停止运行或自动导入预定的安全状态，……”。根据安全仪表功能失效产生的后果及风险，将安全仪表功能划分为不同SIL等级。

该文件的第四部分规定：“严格按照相关标准设计和实施有毒有害和可燃气体检测保护系统，为确保其功能可靠，相关系统应独立于基本过程控制系统。”

3.2 SIS的作用和结构及安全完整性等级

3.2.1 SIS的作用及结构

SIS是用来完成一个或多个安全功能的系统，应由测量仪表、逻辑控制器和最终元件组成。通常在项目设计初期要根据风险及可操作性评估（HAZOP）确定检测和控制回路是否需要SIS并确定所需要的SIL等级。在进行SIS工程设计时需要核算配备的测量仪表、逻辑控制器和最终元件是否符合相应的SIL等级。

SIS的作用是主动的，不需要人为干预。当过程变量超过联锁设定值时，按照预定的方式动作，使生产过程停止运行或进入预定的安全维持状态。安全功能是为了达到或保持过程的安全状态，由SIS、其他安全相关系统或外部风险降低设施实现的功能。安全仪表功能（SIF）是为了防止、减少危险事件发生或保持过程安全状态，用测量仪表、逻辑控制器、最终执行元件及相关软件等实现的安全保护或安全控制功能。

SIS是保障生产安全的重要措施，在危险事件发生之前能够正确执行安全功能，可避免或减少事故发生。SIS的最重要的特性是故障安全，一是使工艺过程可能发生故障时维持过程安全；二是SIS本身故障时使工艺过程保持安全。

3.2.2 安全完整性等级

安全完整性是在规定的条件下和规定的时间内安全相关系统成功完成所要求的安全功能的概率，SIL等级是一种离散的等级，用于规定分配给E/E/PE（电气/电子/可编程电子）安全相关系统的安全功能的安全完整性的要求。

风险通常定义为一件非预期事件的出现概率和出现后果的乘积，能够采取风险降低的措施，要么是降低其发生的概率，要么是减轻其灾害发生的后果。SIL等级代表着SIS使过程风险出现的概率降低的数量级。

3.3 GDS的作用及结构

GDS用于检测环境中可燃及有毒气体浓度，通过声光报警提醒工艺操作人员及相关人员。GDS由可燃及有毒气体探测器、报警控制器及声光报警设备组成。石油化工企业可燃及有毒气体的检测，除了极个别的对象有特殊的联动要求以外，绝大多数用于报警。当出现报警时，需要工艺操作人员和其他有关人员确认情况并采取相应的措施，防止恶劣事故发生。

可燃及有毒气体探测器工作在自然环境中，检测的是环境中的可燃及有毒气体的浓度，由于检测技术、探测器制造、自然环境条件所限，因而可燃气体探测器的误报、漏报的情况远比温度、压力、流量等其他过程检测仪表更多，即便是在按时校验的情况下，因为雨雪、高温、大风、尘暴等恶劣天气情况也会对探测器造成影响，使探测器出现误报、漏报。此外，可燃及有毒气体的泄漏大多是随机事件，不可事前预知，探测器的分布不可能恰到好处，安装位置也受到地理环境、设备分布等因素的影响，使检测不准确，都会使可燃及有毒气体探测器出现漏报的情况。

可燃及有毒气体泄漏的原因很多，当发生泄漏时，制止泄漏或消除原因的方式因泄漏点和泄漏原因的不同，处理方法也不同，不可能完全按照预案处理泄漏事件，检测报警系统仅仅报警，没有执行元件和既定的处理方式，因此GDS不是一种故障安全仪表系统，也不具备SIS的故障安全的特性。

综上所述，由于GDS与SIS的用途、作用及工作原理不同，GDS不能起到SIS的防止、减少危险事件发生或保持过程安全状态的作用，GDS也不具备SIS的特性，GDS不能使过程风险出现的概率降低，同时GDS报警准确度受检测环境及探测器的分布影响较大，用SIL等级来衡量GDS是没有意义的。因此，GDS不属于SIS的范畴，在设置GDS时也不需要考虑SIL等级的问题。

4 相关文件及标准规范对GDS设置的要求

目前GDS的设置方式仍按文献［7］执行，该文献中的3.0.9条规定：“GDS宜独立设置”。3.0.9的条文说明为“独立设置是指可燃气体和有毒气体检测报警系统的检测与发出报警信号的功能，不受对应装置生产控制仪表系统故障的影响”。即GDS的检测与发出报警信号的功能，不受对应装置生产控制系统故障的影响，即认为是GDS独立设置。

根据工厂（装置）的规模和特点，文献［7］中第5.3.2条给出了可燃及有毒气体报警控制器的设置方式。

1）GDS与火灾检测报警系统（FAS）合并设置。目前，除了极个别的工厂采用GDS与FAS合并为火灾及可燃气体报警系统（FGS）外，绝大部分的工厂还是采用GDS与FAS分立设置的方式。

GB 50116—2013《火灾自动报警设计规范》第8.1.2规定：“可燃气体探测报警系统应独立组成，可燃气体探测器不应接入火灾报警控制器的探测回路；当可燃气体的报警信号需要接入火灾自动报警系统时，应由可燃报警控制器接入”。

2）指示报警设备采用独立的工业程序控制器、可编程控制器等。近年来，对于新建或改建的工厂或装置，采用PLC、专用的可燃有毒气体巡检仪等用作GDS控制器的较多，该方式成本较低、功能有限，适合大型联合化工厂的应用，也满足相关的文件及相关的标准规范要求。

3）指示报警设备采用常规的模拟仪表。虽然该设置方式满足相关的文件及相关的标准规范要求，但不适合采用中心控制室与现场仪表机柜室相结合设置的大型联合化工厂。利用常规仪表来作为GDS的显示报警设备，就需要将其安装在有人值守的中心控制室，而中心控制室远离生产装置，受到仪表信号电缆长度的限制，无法利用仪表信号电缆将生产装置现场的可燃及有毒气体检测信号传递到GDS的显示报警设备，此外在中心控制室也无法安装数量庞大的常规模拟仪表。

4）当GDS与生产过程控制系统合并设置时，输入/输出卡件应独立设置。对于已建成投入正常生产的大型联合化工厂采用这种方式较多，效果较好、较经济合理，当现场发生可燃及有毒气体泄漏时应当及时报警并通知室内外的工艺操作人员。该设置方式虽然符合现有的GB 50116—2013和GB 50493—2009，但近期该设置方式是否属于“独立设置”、是否满足安监总管三〔2014〕116号文件的要求存有争议。主要问题在于DCS控制器是否需要为GDS单独设置，DCS的控制器发生故障时可燃及有毒气体探测器是否还能正常报警。

在中心控制室设置独立的过程控制系统的操作站，专用于显示可燃及有毒气体检测的信息，该操作站设置有别于过程报警的声音，当出现可燃及有毒气体浓度超标、线路检测异常、探测器故障、电源故障等时，利用该操作站能及时发出声光报警信息，这样可达到GDS的显示报警设备与BPCS的监控设备相对独立的目的。可燃及有毒气体检测信号输入过程控制系统的独立卡件，在控制系统其他I/O卡件故障或其他现场仪表故障时，对可燃及有毒气体检测没有影响。此外，由于大多数的可燃及有毒气体探测器自身带有声光警报器，一般采用外部冗余的24 V直流电源通过带有保险的供电端子或电源分配器分别给各可燃及有毒气体探测器供电，并不是采用过程控制系统的模拟输入卡件给可燃及有毒气体探测器供电，当过程控制系统与可燃及有毒气体探测器相连接的卡件故障或整个过程控制系统故障时，虽然会导致GDS的显示报警设备失去作用，在中心控制室无法看到可燃及有毒气体探测器的报警信息，但由于采用冗余24 V直流电源分别给各可燃及有毒气体探测器独立供电，生产装置现场的可燃及有毒气体探测器也能正常显示泄漏气体浓度，当可燃及有毒气体浓度超标时，可燃及有毒气体探测器自身的声光警报器仍能发出声光报警信号。

如上所述，通过采用独立的DCS I/O卡件并利用外部的冗余电源分别给各可燃及有毒气体探测器供电，可达到GDS的检测与发出报警信号的功能不受对应装置控制系统故障的影响的目的，符合GB 50493—2009，同时与安监总管三〔2014〕116号文件的第四部分的第十一条要求也不完全矛盾，在现阶段该GDS设置方式是可行的，但由于DCS控制器容量较大，用于报警系统控制器有些浪费，成本稍高。

5 大型联合化工厂GDS设置建议

对于大型联合化工厂来说，GDS的设置既要满足可燃及有毒气体检测与发出的报警信号功能不受对应装置控制系统故障的影响，也需要满足中心控制室与现场仪表机柜室相结合的设置特点，即GDS的控制器只能安装在紧邻生产装置的现场仪表机柜室，其显示报警设备只能安装在中心控制室内，为此建议如下：

1）对于新建、扩建或大规模改建的工厂或装置。建议GDS报警控制器采用独立DCS控制器、可编程逻辑控制器、专用可燃及有毒气体检测报警控制器等，为使GDS的控制器更加可靠，建议GDS报警控制器的CPU卡件、电源卡件、I/O卡件及网络设备等均采用冗余配置。采用冗余24 V直流电源利用带保险的供电端子或电源分配器分别给各可燃及有毒气体探测器供电。将GDS报警控制器及一层网络通信设备安装在紧邻生产装置的现场仪表机柜室，在中心控制室机柜室内安装GDS的二层网络设备，在中心控制室内的生产装置操作区域内，设置有别于过程报警声音的专用的GDS显示报警操作站，实现可燃有毒气体的浓度显示及超限、故障等声光报警的功能。GDS的可燃气体二级报警信息及故障信息，利用硬接线与设置在同一现场仪表机柜室内的火灾自动报警系统（FAS）控制器相连接，以便消防人员掌握生产装置的可燃气体泄漏信息及各种故障信息。在中心控制室内设置1套独立的GDS报警控制器，用于检测中心控制室附近的可燃气体和有毒气体浓度，同时，利用该GDS报警控制器及网络通信功能，将各生产装置的可燃气体和有毒气体超限的区域报警信号分别送到各生产装置操作区域的辅助操作台，提醒工艺操作人员注意，以便及时采取应对的措施。采用独立的DCS控制器和操作站作为GDS的控制器，充分利用DCS的显示、报警和记录等功能，不仅可以减少仪表人员的维护工作量，而且还能够当出现可燃气体和有毒气体泄漏超限报警时，及时提醒工艺操作人员，是一种比较好的设置方式。GDS的网络架构如图2所示。

2）对于已投入正常生产运行的工厂或装置，目前，大多数的可燃及有毒气体的信号连接到过程控制系统的独立卡件。建议在工艺生产装置没有进行较大规模的改建前，不必急于将这些可燃及有毒气体检测信号从过程控制系统中剥离出来，否则需要设置新的GDS并对现有的可燃及有毒气体检测的仪表信号连接进行改动，除了需要增加投资且工作量较大外，还需要对现有的过程控制系统的组态进行改动，会给过程控制系统正常运行带来一定的影响。据此，可以先对GDS的显示报警设备及可燃及有毒气体探测器的供电方式等进行局部改造，采用冗余24 V直流电源及单独配电系统为现场可燃及有毒气体探测器供电，达到GDS与过程控制系统相对独立的目的。同时在中心控制室，除保持原有的操作站既用于生产过程监控又用于可燃及有毒气体报警外，设置独立的一台操作站用于GDS的显示报警设备，设置有别于过程报警的声音，专用于显示可燃及有毒气体浓度信息，并可进行超限报警及各种故障报警等。待生产装置进行较大规模改扩建时，增设独立的GDS。

3）建议在压缩机厂房、泵房、分析小屋、物料筒仓等相对封闭且有可能出现可燃有毒气体泄漏的空间，除按相关的标准规范设置可燃及有毒气体探测器之外，在这些空间的出口或入口等醒目的位置设置带有眩光的声光警报器，声光警报器的驱动信号来自GDS系统的控制器。

4）建议对可燃及有毒气体探测器在生产装置中的分布给予足够的重视。若探测器的分布不当，无论可燃及有毒气体探测器多么可靠，也不论GDS是否独立于其他仪表控制系统，当生产装置现场出现可燃及有毒气体泄漏时也会使GDS漏报，起不到应有的作用。建议对可燃及有毒气体探测器在生产装置中的安装位置及分布数量进行评估。可燃及有毒气体探测器的数量并不是越多越好，应对检测区域是否为密闭空间、半密闭空间、敞开空间等空间形态，检测气体的密度，检测区域的主导风向，最大及最小风速，气体探测器与释放源间的距离，探测器与释放源间是否有遮挡物等因素综合考虑，使可燃及有毒气体探测器分布合理，尽最大努力避免使GDS出现漏报、误报等情况。

6 结束语

大型联合化工厂的GDS的设置应符合工艺生产安全监控的需要，采用独立GDS是比较好的方式。可燃及有毒气体探测器的安装位置及分布数量应合理有效，尽最大努力避免使可燃及有毒气体检测出现漏报、误报，当有可燃及有毒气体超限报警发生时，能有效、及时地提醒工艺操作人员及其他相关人员，采取应对措施避免事故的发生或扩大。