摘要
本课题根据多条二氧化氯（ClO2）生产线的设计经验，结合投产后的成果，从自动化控制设计角度，对ClO2生产线上的防爆区域划分、仪表防爆需求、可燃与有毒气体探测器的设置、危险与可操作性（HAZOP）分析、仪表安全完整性等级（SIL）划分、安全仪表控制系统（SIS）的设置等方面进行了总结。ClO2制备系统的自控安全措施，能够确保ClO2制备过程的安全性和稳定性。
随着全球漂白硫酸盐制浆的快速发展，二氧化氯（ClO2）作为一种高效、环保的漂白
ClO2是一种黄绿色气体，具有强烈的刺激性气味，在水中的溶解度较
ClO2制备有多种生产工艺方法，其中综合法所需的资源和能源只有水、食盐和电，生产过程中仅需补充少量氯气，因此常用于制浆生产线。综合法的主要生产工艺是通过电解食盐产生氯酸钠，再与盐酸反
ClO2制备系统综合法（电解食盐法）的主要化学反应如式(1)~
| 氯化钠电解： NaCl + 3H2O NaClO3 + 3H2 | （1） |
| ClO2制取： NaClO3 + 2HCl →ClO2 + Cl2 +NaCl + H2O | （2） |
| 盐酸的合成： H2 + Cl2 → 2HCl | （3） |
ClO2制备系统综合法的简易流程图如
图1 ClO2综合法生产工艺流程图
Fig. 1 Process flowsheet of integrated ClO2 system
ClO2制备系统在生产过程中，主要采用集散控制系统（DCS）进行集中操作管理和控制，对超限过程参数设置声光报警和联锁系统。为进一步确保生产装置安全性，防止事故发生，降低事故造成的后
除采用DCS、SIS等控制系统外，ClO2制备系统的自控设计，还需要一些自控技术措施来保证生产装置的安全运行。
防爆区域的划分是ClO2制备系统安全设计的基础。根据氢气的爆炸极限、闪点等特性，结合车间的工艺流程和设备布局，将车间划分为不同的防爆区域。在ClO2制备系统中，仪表防爆是车间安全的重要环节，应选用符合防爆要求的仪表，如本质安全型、隔爆型等。
防爆区域划分是根据车间内可能存在的爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间来确定的。在ClO2制备系统中，分为0区和2区；其中，0区包括氢气放空排放口和盐酸炉尾气洗涤塔排放口半径3 m范围内；2区包括氢气放空排放口和盐酸炉尾气洗涤塔排放口半径4.5 m范围内，氯酸钠反应器防爆膜泄放口半径4.5 m范围内，除气器防爆膜泄放口半径4.5 m范围内。
防爆区域的划分决定了在不同区域内，应区分使用不同种类的防爆设备和仪表。仪表防爆等级是根据仪表在爆炸性环境中使用时所能承受的爆炸压力和温度来确定的。通常，仪表防爆等级可分为以下等级。
本质安全型（intrinsic safety，IS，以下简称本安型）：本安型仪表在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物。这种仪表的防爆性能最好，适用于0区、1区和2区。
隔爆型（flameproof）：隔爆型仪表具有能承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播的隔爆外壳。适用于1区和2区。
在ClO2制备系统中，0区位于室外高处，无仪表和自控阀门布置在此范围内。因此，主要考虑2区氯酸钠反应器和除气器防爆膜泄放口半径4.5 m范围内的仪表和阀门类型选择。位于2区的仪表和自控阀门，应选择本安型或隔爆型，区别在于：本安型仪表需要和本安电缆，安全栅一起实现功能，且本安电缆需要单独的桥架敷设。隔爆型仪表可用普通电缆，并且不需要在DCS一侧安装安全栅，施工更为简单。此外，布置在防爆区域的接线箱也需要满足防爆要求。
在选择防爆仪表时，除了考虑防爆等级，还需要考虑仪表的精度、稳定性、可靠性等性能指标，以及车间的具体工艺要求和安全标准。通过合理选择和配置防爆仪表，可以有效提高ClO2制备系统的安全水平，确保车间的安全生产。
ClO2制备过程中涉及多种可燃、有毒气体，其制备、储存和使用过程中，若发生泄漏、积聚可能引发严重的安全事故，对员工健康和企业财产安全造成严重威胁。
在ClO2制备系统仪表自动化设计中，设置可燃、有毒气体探头，实时监测气体浓度，预防泄漏事故，确保ClO2制备产线的安全生产。
实际应用中，分布在各个区域的检测探头，多次在气体泄漏事件中能及时发出警报，为操作人员提供了宝贵的应急响应时间，有效避免了事故的发生。
为了防止可燃、有毒气体的泄漏和积聚，在设置探头时，应根据气体的性质、密度等因素，合理选择探头的类型和安装位置，确保其能够准确、及时地检测到气体的泄漏，提高监测系统的准确性和可靠性。
在ClO2生产过程中，可能产生的易燃易爆气体主要是氢气，而有毒气体则主要包括氯气、氯化氢、ClO2等。这些气体具有不同的物理化学特性，如密度、扩散性、腐蚀性等。因此，为了有效监测这些气体，满足安全监测要求，需要选择适当的探测器类型，并确定其关键技术参数，如量程、精度、响应时间等。
对于氢气等易燃易爆气体，一般选择催化燃烧型探测器。对于氯气和ClO2等有毒气体，电化学探测器因具有较高的灵敏度和稳定性，是常用的选择。氢气量程为0~100%LEL（爆炸下限）；有毒气体量程为0~300%OEL（职业接触限值）。由于氯气有极强的吸附性，氯气探测器不能满足上述要求，其量程宜为0~30%IDLH（直接至害浓度）。在ClO2制备系统中，通常要求响应时间<30 s。
气体探测器还应设定合适的报警值，当可燃或有毒气体浓度达到报警值时，探头应在现场立即发出声光报警信号，并触发相应的联动措施。
分析车间内的气流情况、设备布局和潜在泄漏点，确定可燃或有毒气体可能扩散的路径和积聚区域。确定探头的最佳布置数量、位置，确保全面覆盖潜在泄漏区域，避免盲区。
ClO2制备系统可燃、有毒气体泄漏积聚区域见
| 区域 | 氢气 | 氯气 | ClO2 | 氯化氢 |
|---|---|---|---|---|
| 氯酸钠反应器和除气器区域 | + | + | ||
| 盐酸合成装置炉头区域 | + | + | ||
| 氢气除雾器区域 | + | |||
| 氯气除雾器区域 | + | |||
| 尾气洗涤塔区域 | + | |||
| 气体分离器区域 | + | |||
| ClO2发生器防爆仓区域 | + | |||
| ClO2储罐区域 | + | |||
| ClO2外送泵区域 | + | |||
| 盐酸储罐区域 | + | |||
| 盐酸供应泵区域 | + |
对ClO2制备系统进行危险与可操作性（HAZOP）分析，根据结果合理设置仪表的安全完整性等级（SIL），对于确保工艺安全、减少事故风险及提高生产效率至关重要。
HAZOP分析是一种结构化的危险分析方法，通过对工艺过程中的偏差进行识别、分析和评估，找出可能导致危险的原因和后果，并制定相应的安全措施，对安全风险进行预防和控制。
通常，HAZOP分析步骤为：①将整个工艺划分为多个逻辑节点；②在每个节点中，确定关键工艺参数，分析其可能偏离设计意图的情况；③针对偏差预测其可能导致的后果，评估现有的保护措施是否足够有效；④若发现保护措施存在不足或缺陷，提出具体的改进建议。HAZOP分析的过程和结果记录作为工艺安全管理的重要文档保存，并用于指导后续的工艺改进和安全管理工作。
ClO2制备系统HAZOP分析过程文件见
| 偏差描述 | 原因关注 | 后果 | 现有措施 | 建议措施 |
|---|---|---|---|---|
| ClO2发生器的氯酸钠进料线流量过大 | 控制回路失效，导致强氯酸钠进料线调节阀FV故障开大 | 可能会超过过滤器运行负荷，导致杂质超标，造成ClO2分解，使ClO2发生器温度升高，压力升高，可能超温超压损坏设备，导致ClO2、氯气泄漏，可能造成人员中毒伤亡（巡检人员，每小时1次，每次巡检5 min） | ①设有泄压口；②ClO2发生器设有温度高报，高高联锁关闭盐酸进料线开关阀，强氯酸钠进料线阀门，蒸汽进料线阀门，同时打开空气进料线阀门、除盐水进料线开关阀；③ClO2发生器设有压力高报，高高联锁关闭盐酸进料线开关阀，强氯酸钠进料线阀门，蒸汽进料线阀门，同时打开空气进料线阀门、除盐水进料线开关阀（DCS） | 建议ClO2发生器温度高报，高高高联锁关闭蒸汽进料（新增开关阀），信号进SIS，SIL等级详见等级报告 |
| 气体分离器压力过高 | 控制回路失效，导致氯气至氯气冷凝器调节阀PV故障关闭或关小 | 可能造成气体分离器压力升高，可能超压损坏，氯气泄露，可能造成人员中毒伤亡（巡检人员，每小时1次，每次巡检5 min） | 设有爆破片 | ①建议气体分离器压力高高联锁关闭蒸汽进料（新增开关阀），信号进SIS，SIL等级详见等级报告；②建议爆破片后直接接管送至海波塔 |
注 “高”的个数代表报警点的位置，以下同。
SIL是衡量仪表在安全功能方面的性能指标。在ClO2制备系统中，应根据工艺过程的风险等级和安全要求，选择适当SIL的仪表。一般来说，高SIL的仪表具有更高的可靠性和安全性，能够在关键时刻准确执行安全功能，降低事故发生的概率。
ClO2制备系统SIL报告见
| 序号 | SIF名称 | SIF描述 | 关键执行机构 | SIL要求 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | ClO2发生器温度高报，高高高联锁关闭蒸汽进料 | ClO2温度高报，高高高联锁关闭蒸汽进料（阀门新增） | 关闭蒸汽进料（阀门新增） | 1 |
| 2 | 气体分离器压力高高联锁关弱氯酸盐加热器蒸汽进料阀 | 气体分离器压力高高联锁关弱氯酸盐加热器蒸汽进料阀（阀门新增） | 关弱氯酸盐加热器蒸汽进料阀（阀门新增） | 1 |
注 SIF为安全仪表功能。
SIS是为了确保生产过程的安全、稳定以及防止潜在事故发生而设计的一种自动化控制系统。在ClO2制备系统中，采用SIS尤为必要。
SIS通过其配备的高精度传感器和仪表，能够实时监测生产过程中的各种关键参数，并持续分析和处理。当某个参数超出预设的安全范围时，SIS会立即发出预警信号，提醒操作人员注意并采取相应的措施。
SIS检测到生产过程中的异常情况或潜在危险时，会立即触发预设的安全联锁动作，以防止事故的发生或减轻事故的后果。这种及时响应和紧急停车的能力，是SIS在生产安全防护中的核心作用之一。SIS能够在毫秒
在ClO2制备系统中，安全联锁可以应用于以下场景：①ClO2发生器温度高报，高高高联锁关闭蒸汽进料；②气体分离器压力，高高联锁关弱氯酸盐加热器蒸汽进料阀。
在ClO2制备系统中，主要生产过程采用DCS进行控制。SIS与生产过程控制系统在控制层面上实现协同。在正常生产情况下，生产过程控制系统负责维持工艺的稳定并优化生产效益。当SIS检测到潜在的安全风险或异常情况时，可迅速介入，通过安全联锁动作切断危险源或调整生产过程参数，确保生产安全。这种协同控制机制使SIS能够在关键时刻接管控制权，避免事故发生。
本课题从自动化控制设计的角度出发，探讨了综合法二氧化氯制备系统需要采取的自控安全措施，包括防爆区域的划分、仪表防爆的选择、可燃与有毒气体探头的设置、危险与可操作性（HAZOP）分析、仪表安全完整性等级（SIL）及安全仪表系统（SIS）的采用等方面。这些措施可以显著提高二氧化氯制备系统的安全性。
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