摘要：石油化工产业在生产过程中，会产生大量可燃有毒气体，一旦在生产、运输、存储中出现泄漏问题，可能会造成人员中毒事故，如遇明火还可能发生爆炸事故，后果非常严重。为了避免可燃有毒气体泄漏、及时修复泄漏点，各大企业普遍采用了可燃有毒气体报警仪系统，而该系统设置是否科学合理，决定了系统的报警精度和响应时间。基于此，本文介绍了可燃有毒气体报警仪种类与运行原理，分析了可燃有毒气体报警仪设置中的不足，并提出相关整改建议与注意事项。

关键词：可燃有毒气体；报警仪；系统设置；控制系统

引言

可燃有毒气体报警仪系统（下文简称“GDS系统”）在我国石油化工领域的应用十分广泛，具有实时监测、快速响应、远程操控、设备管理等多功能一体化特点，可实时采集生产车间可燃有毒气体数据信息，一旦检测数据接近报警阈值则系统会自动发出声光警报，警示工作人员快速对泄漏点进行处理。为了充分发挥GDS系统综合效益，在GDS系统设置方面应积极采用先进技术，完善系统监测功能，同时还要考虑后期运维与使用的便捷性。目前，我国GDS系统设置主要参考GB/T 50493-2019和《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（下文简称“《意见》”）实施。

1.可燃有毒气体报警仪种类以及运行原理

1.1种类

可燃有毒气体报警仪是一种专门用来检测可燃、有毒有害气体浓度的仪器，是石油化工产业中常用的一种安全警报类设施，适用于可燃有毒气体生产车间使用，可及时探测到可燃有毒气体泄漏问题，并及时发出警报，避免人员中毒或车间爆炸。通常情况下，可燃有毒气体检测仪可分为固定式和移动式两种，可进一步划分成可燃气体报警仪和有毒气体报警仪。

1.2运行机理

在可燃有毒气体报警仪运行中，其内部的气体传感器可直接检测气体各类分子含量，传感器运行是否稳定、可靠会直接影响整个报警仪的使用性能，也是保证GDS系统正常运行的关键。下文以催化燃烧式气体传感器、电化学式气体传感器运行机理为例。

1.2.1催化式气体传感器

此类传感器主要凭借催化燃烧热效应实现气体检测功能。其内部核心元件包括检测元件、补偿元件，二者组合成为测量电桥。检测元件上有催化剂，在温度达到一定条件下，会在检测元件载体上生成无火焰燃烧，将载体温度升高并带动内部铂死电阻温度升高，此时在热力作用下平衡电桥失衡，输出与气体浓度成正比的电信号[1]。通过对测量元件阻值进行精准测量即可计算出被检测气体的浓度值。该传感器在化工生产领域应用十分广泛，并且生产成本和使用成本较低，可测量多种可燃有毒气体，所输出的信号精准、线性好，使用寿命约为24个月，可用于检测绝大部分可燃气体，但无法检测高闪点气体。

1.2.2电化学式气体传感器

此类传感器在运行中，其底部的薄膜与被检测气体接触，将气体扩散至电解液当中，电解液中同时包含了测量电极、反电极、参考电报。测量电极接触到检测气体会发生化学反应，生成电流，电流大小与气体浓度成正比关系，将该电流信号放大、温度补偿、修正即可获取精准的气体浓度数据。此类传感器具有耗能少、体积小、重量轻、灵敏度高等优势，即便是低浓度气体检测依然可以表现出良好的线性度。但该传感器需要在有氧气环境中运行，低温、高温环境不适用，使用寿命为12-36个月。

2.GDS系统常规应用方式

GDS系统主要包括三大模块，即控制模块、检测模块、报警模块。报警仪可独立使用，也可与其他系统联合使用。其主要应用方式有以下几种：

2.1报警仪专用控制器

报警仪专用控制器在应用中为整体机柜，在现场机柜间安放，如乙炔检测报警仪装置，现场仪表输入4-20mA电流信号传输给控制模块，并在控制模块显示器上显示信号数值，控制模块输出开关量信号接入PLC、GDS系统，中央控制室即可呈现系统所采集的气体信息，如果检测到气体数据超出阈值量则系统自动发出警报。报警仪专用控制器是一种单独检测系统，无需与其他系统联合使用，投入成本相对较低，较为适用于报警仪点数少或小型生产车间，可选用挂壁式或移动式。对于大型车间且报警仪安装较为分散的场地，则必须使用挂壁式。

2.2 GDS系统与生产控制系统一体化设计

化工生产控制系统具有生产参数控制功能，是一个庞大的系统，针对独立GDS系统的局限性，目前很多化工生产企业将GDS系统于生态控制系统一体化设计，搭建DCS系统（生产一体化系统）。GDS系统并入生产控制系统可分为3种方式，一是仅与生产控制系统共用网络模块，GDS系统的控制器、机柜、I/O卡件均保持独立；二是除了I/O卡件外，其他部分均与生产控制系统共用；三是GDS系统完全并入到生产控制系统。化工生产企业可根据自身需求以及工艺特点，合理选择共用模式[2]。GDS系统与生产控制系统一体化设计具有统一性好、投资少、设备投入量少、后期维护便捷等优势，但相比独立的GDS系统，安全性较低、响应时间长、设备可靠性较低。

2.3增设SIS系统

增设SIS系统可分为两种方式，一种为SIS系统负责接收联锁信号，GDS系统负责接收报警信号；另一种为SIS系统负责接收所有信号。

SIS系统负责接收联锁信号，GDS系统接收报警信号。该方式是系统检测到可燃有毒气体浓度达到阈值时，联锁风机参与生产联锁，并将信号传输给SIS系统，此时控制器、卡件处于联动状态，通信模块将所采集或显示的信息传输给GDS系统，报警仪信号同样传输给GDS系统[3]。

SIS系统接收全面信号。该方案应设置独立且完善的SIS系统，这种模式更多是强调生产控制系统的可靠性，与GDS系统本质上还有一定的差别，无法真正起到独立GDS系统的作用。

2.4 GDS系统与火灾监测报警系统合并

GDS系统与火灾监测系统合并形成FGS（火灾及气体监测报警系统）。整体来看，目前我国化工企业采用FGS模式减少，虽然该模式从国际引入国内已经长达十年时间，但国内依然没有完整的FGS模式标准。这是因为设计专业差异、设计规范差异、行业标准差异造成的结果。

3.GDS系统改造措施

从目前我国化工生产企业GDS系统应用现状来看，其主流方法是DCS模式，即GDS系统与生产控制系统一体化设计模式，因此下文以DCS模式作为探讨对象，分析DCS系统改造策略。

3.1GDS系统现状

某化工企业采用了DCS系统，该系统包括GDS子系统、生产控制子系统、PLC子系统，是一种“三合一”的系统设计方案。该化工企业生产中会产生大量的一氧化碳气体，该气体也是DCS系统主要检测对象。某化工企业的DCS系统为环网结构、CPU冗余、独立I/O卡件、ups电源（与市电经过交流切换器后单路供电）。DCS系统投入使用一段时间后产生电器侧短路，交流切换器保护装置动作跳闸，导致GDS系统、PLC系统失效，无法对生产车间的一氧化碳气体浓度进行检测，后续应急处理风险极大。该装置在本次事故前出现过一次一氧化碳泄漏情况，但位演化为事故[4]。

该DCS系统结构看似合理，系统运行也保有一定冗余度，电源模块、通信模块、控制模块设计无明显问题。但仔细分析可发现2个问题：一是电源可靠性有待进一步加强，虽然系统同时接入GPS和ups两路电源，但接入PLC系统的电源只有一路，一旦I/O模块电源故障或电源切换开关，会导致整个PLC系统失效；二是系统规模较大、运维难度高。

3.2改造措施

GDS系统作为安全防护体系，其管理标准相比生产控制系统更为严格，因此建议从以下方面开展改造工作：

保持一定的独立性，如果化工企业是新投入GDS系统，则必须要同时满足GB/T50493-2019和《意见》的规范标准，保持GDS系统的独立性，不与生产控制系统、SIS系统完全合并。可根据车间实际生产需求选择控制系统，包括专用控制器、DCS系统、PLC系统、SIS系统等，结合系统运行安全以及控制器、电源等核心部件冗余需求，建议选择SIS系统和生产控制系统，尽可能选择I/O背板可实现冗余供电的部件。供电以双电源供电为主，在条件允许的情况下不适用单路电源，保持I/O测点分布均匀，确保风险的分散性。

对于已经投入使用的GDS系统进行二次改造。如果所投入使用的GDS系统具有一定冗余性且系统运行可靠，如与生产控制系统、SIS系统部分一体化设计方案，通常无需进行改造，可针对所涉及到的可燃有毒气体提高相应管理等级即可。如果是GDS系统是非冗余结构并且采用的是老旧PLC系统，则必须要将非冗余部件更换为冗余部件，特别是控制模块、网络模块、电源模块，必须要确保有一定的冗余性。

GDS系统与SIS系统结合模式，可采用SIF系统辨识调控，如果系统中带有SIF，则要保持SIS系统的独立性，并且不同为了降低运营成本，采用SIS信号全接收模式。这是因为GDS系统与SIS系统并非是完全融合的系统，二者不在相同的保护层。GDS系统负责生产车间出现依然有毒气体泄漏时快速响应、快速撤离，在生产装置故障、检修期间依然可以保证正常运行，同时具备救援、撤离、应急处理的指导作用。而SIS系统主要用于系统辅助，因此GDS系统与SIS系统不能混用，但可以借助SIS系统的辅助功能完善GDS系统。如果系统不具备SIF功能，则可以搭配生产控制系统、PLC系统使用[5]。

4.GDS系统设置与管理

4.1问题分析

GDS系统在应用设置中需要注意以下问题：

如今国内外生产制作报警仪的厂家很多，品牌繁杂、质量参差不齐，一些生产质量较低、调节不精准的仪表存在零点漂移现象，这些仪表在使用中可能出现误报情况，再加上各个厂家生产规格不同，不同品牌、不同厂家的零件可能不适配，所以在GDS系统前期规划中尽可能选择相同品牌和厂家的产品。

报警仪在长期使用中误差累积会导致精度下降，如果未按照规定期限进行校准、检定，则会影响报警仪响应精度。这就需要根据报警仪使用时间定期做好校准工作，并记录校准信息。

很多GDS系统只设置了一种报警声音，无论是哪种气体泄漏均为一种报警声音，未作报警声音区分，一旦GDS系统发出警报难以快速辨别是哪种气体泄漏，发挥的警示作用较为有限。

部分GDS系统没有设置分布图、画面较为分散，车间安装的各类报警仪分散在不同流程画面中，无统一的现场分布图，甚至存在现场测点与展示画面不匹配情况，一旦发出气体泄漏警报不利于工作人员及时查看和应急处理。

部分化工生产企业报警仪的设置参数不合理，如某化工产业投入的GDS系统用于检测一氧化碳气体，其报警值设置标准为30mg/m³，而实际生产的一氧化碳浓度则在25-30mg/m³之间，报警仪报警参数标准与实际生产参数标准相重叠，生产人员每天都会听到报警音，长期以往导致现场工作人员思想麻痹，最终在出现一氧化碳气体大量泄漏无人作出反应，导致多人中毒。

4.2选型与安装

选择报警仪应选用安全可靠、适用性强、精度高的设备，必须要有国家以及相关单位认证以及防爆认证的合格产品。根据不同的检测原理，可以分为电气方法、电化学法、光学方法等，应根据化工产业可燃有毒气体检测按需选择。安装报警仪时，应选择环境干净、无阳光直射的区域，如果需要安装在风险较高的区域，则要增设相关保护设施，所有安装内容与方式均要满足GB/T 50493-2019标准。一些环境较差的区域空气中包含大量粉尘，再加上高湿度环境，长期累积会形成块状泥区，导致报警仪表面被污染，腐蚀设备密封圈，降低仪器的封闭性，针对此列情况可选用分体式仪表。控制系统选用应重点考虑其是否安全可靠。

4.3设定报警值

GB/T 50493-2019规定化工生产中的可燃有毒气体检测系统需采取二级警报，在相同等级报警中，优先警报有毒气体。设定报警值可分为3个等级，由高到低分别为高报、警报、预报，如果报警等级需求不高可以设定2个等级的报警值，即高报、警报和警报、预报。按照规定标准，不同等级报警的爆炸下限不同，一级警报≤25%、二级警报≤50%，测量范围0-100%爆炸下限。不同标准下的有毒气体报警值设置不同，一级警报≤100%最高允许浓度/短时间接触容许浓度，在有毒气体测量范围无法满足测量要求时，则有毒气体测量范围可为0-30%直接致害浓度；二级警报设定值不得超过10%直接致害浓度值。具体设定量可根据化工企业实际生产情况设定，但不得低于GB/T 50493-2019的最低标准[7]。整体来看，有毒气体警报值设定应结合工厂生产情况、有毒气体性质、事后危害、工艺设备、人员情况等因素综合考量，否则会导致设定值不合理、增加误报率，难以有效发挥报警作用。

4.4声光报警器设置

声光报警器作为生产车间现场常用的报警仪类型，共有2种设置方法，一种是报警仪同时具备声光报警功能，可检测多种可燃有毒气体，并对应发出声光警报。该设置方案一旦检测到气体泄漏可直接定位报警点，运维人员可迅速达到泄漏点，缩短检修时间，并且一体化设计安装便捷，无需监控系统另外发出信号。在一体化声光报警设备选型中，应选择闪光亮度高、声响大于100dB的设备[8]。另一种为检测仪与声光报警器独立设置，通过通信模块联动，独立式方案需要检测系统将采集信号传输给监控系统，一旦气体浓度超过阈值，则由监控系统控制声光报警仪发出警报。该方法具有设置灵活、可集中设置等优势，但泄漏点寻找难度相对较大，如果报警器故障可能会导致无法发出声光警报。

结束语

综上所述，石油化工企业在日常生产中会生产一定量的可燃有毒气体，做好气体检测和报警对提高车间生产安全有着重要意义。报警仪作为预警、减灾、救援的重要辅助设施，必须要保证GDS系统设置的合理性。结合目前GDS系统应用现状来看，新建项目的GDS系统应保持一定的独立性，是否采用SIS系统可根据企业生产情况选择。对于既有GDS系统的化工企业，应对非冗余的控制器、电源系统进行改造，保证设备冗余度。所有报警仪参数设置应满足行业标准，同时还要做好日常管理工作，确保GDS系统的有效性。

参考文献

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[5] 刘骅，程甫，於国良.西门子燃机可燃气体监控系统改造[J].仪器仪表用户， 2022， 29（8）：555-557.

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