安全儀表系統(tǒng)在氯乙酸項目中的設(shè)計與應(yīng)用

蘭天，柳永剛

(福斯特惠勒(河北)工程設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050061)

?

安全儀表系統(tǒng)在氯乙酸項目中的設(shè)計與應(yīng)用

蘭天，柳永剛

(福斯特惠勒(河北)工程設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050061)

河北某50kt/a氯乙酸項目生產(chǎn)過程中存在大量有毒、有害、易燃和易爆的物質(zhì)，如氯氣和醋酸等，同時生產(chǎn)規(guī)模大、流程長、工藝復雜，一旦發(fā)生危險，可能會造成難以估量的損失，嚴重影響居民生活[1-4]。生產(chǎn)過程中主要使用DCS進行集中操作管理和分散控制，對超限過程參數(shù)設(shè)置聲光報警和聯(lián)鎖系統(tǒng)。為了進一步提高生產(chǎn)裝置本質(zhì)安全性水平，保證裝置的安全生產(chǎn)，防止事故發(fā)生和降低事故后果，經(jīng)過對氯乙酸生產(chǎn)過程中的危險化學品重大危險源辨識，確定了裝置的安全完整性等級(SIL)，進行了危險與可操作性(HAZOP)分析，設(shè)置了聯(lián)鎖控制優(yōu)先級別更高、與裝置安全等級相適應(yīng)的安全儀表系統(tǒng)(SIS)，用于生產(chǎn)裝置緊急事故切斷和聯(lián)鎖控制，作為工業(yè)過程中更為重要的安全控制措施[1-3,5]。

1氯乙酸項目危險化學品重大危險源辨識

氯乙酸的生產(chǎn)原料氯氣和醋酸具有有毒、有害、易燃、易爆的危險特性，且數(shù)量等于或超過臨界量，為危險化學品重大危險源。長期的生產(chǎn)、加工、使用或儲存過程中一旦泄漏或失去控制容易引發(fā)各種事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，有效辨識和加強管理上述危險化學品重大危險源對防止重大事故的發(fā)生具有重要意義[6]。

1.1辨識依據(jù)

根據(jù)GB 18218—2009《危險化學品重大危險源辨識》規(guī)定： 單元內(nèi)存在的危險物質(zhì)為多品種時，按下式計算，若滿足下式，則定為重大危險源：

m1/M1+m2/M2+…+mn/Mn≥1

(1)

式中：m1,m2, …,mn——每種危險物質(zhì)實際存在量；M1,M2, …,Mn——與各危險物質(zhì)相對應(yīng)的生產(chǎn)場所和儲存區(qū)的臨界量。

該項目區(qū)域內(nèi)涉及的危險化學品包括氯氣、醋酸、氯化氫等，危險化學品臨界量及實際存在量見表1所列。氯乙酸生產(chǎn)過程反應(yīng)生成的氯化氫氣體溶于水后為鹽酸，氯化氫氣體不設(shè)儲存。

表1　危險化學品臨界量及實際存在量

通過計算，該項目液氯罐區(qū)危險化學品實際存在量與臨界量之比為23.52，大于1，液氯罐區(qū)構(gòu)成危險化學品重大危險源。

1.2重大危險源分級

單元內(nèi)各種危險化學品實際存在(在線)量與其在上述1.1中的臨界量比值，經(jīng)校正系數(shù)校正后的值R之和作為分級指標：

R=α×(β1×m1/M1+

β2×m2/M2+…+

βn×mn/Mn)

(2)

式中：β1,β2,…，βn——與各危險化學品相對應(yīng)的校正系數(shù)；α——該危險化學品重大危險源單元外暴露人員的校正系數(shù)。

該項目單元內(nèi)危險化學品主要為氯氣，設(shè)定校正系數(shù)α=1.2，根據(jù)重大危險源單元邊界向外擴展500m范圍內(nèi)涉及的人口數(shù)量，設(shè)定單元外接觸人員在40～49人，校正系數(shù)β=4.0。

因此，裝置的重大危險源分級計算為

R=α×(β×m/M)=1.2×4.0×23.52=113

該項目液氯罐區(qū)危險化學品重大危險源為一級重大危險源，需要設(shè)置相應(yīng)安全完整性等級的SIS。

2氯乙酸生產(chǎn)項目的HAZOP分析

HAZOP是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，針對裝置工藝過程開發(fā)的危害辨識技術(shù)，是目前工藝危害辨識中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。

2.1HAZOP分析方法

HAZOP分析是由各專業(yè)人員組成的分析組，以一系列會議的形式對裝置工藝過程的危險和操作性問題進行分析。HAZOP分析的直接對象是工藝或操作的特殊點，這些特殊點稱為“分析節(jié)點”或工藝單元或操作步驟。對于每一“分析節(jié)點”，HAZOP分析組以正常操作運行的工藝(狀態(tài))參數(shù)為標準值，分析運行過程中工藝(狀態(tài))參數(shù)的變動(即偏離)，同時分析出現(xiàn)偏離故障的原因、后果及應(yīng)采取的措施。

2.2項目HZAOP分析

分析實施過程可以分為三個主要階段： 分析準備、分析會議、分析報告。為了有效地進行HAZOP分析，根據(jù)工藝管道儀表流程圖(P&ID)和實際操作，將工藝流程分割為液氯汽化、氯化結(jié)晶、尾氣處理，同時按照逐個設(shè)備、管線或操作劃分為分析節(jié)點，對于每個節(jié)點按照圖1所示逐項分析，并由會議記錄人員精確記錄分析討論過程中的重要內(nèi)容。分析會后對會議記錄結(jié)果進行整理、匯總，提煉出恰當?shù)慕Y(jié)果，形成HAZOP分析報告，提出應(yīng)采取的補充建議和措施。

2.3結(jié)論

經(jīng)過分析，確定在氯乙酸生產(chǎn)過程中，雖然液氯罐區(qū)內(nèi)將液氯汽化器等設(shè)備工藝參數(shù)送入DCS進行監(jiān)測，設(shè)置了相應(yīng)的控制和聯(lián)鎖系統(tǒng)，但為了確保生產(chǎn)裝置及操作人員的安全，除設(shè)置DCS外，在液氯罐區(qū)控制室應(yīng)獨立設(shè)置SIS，將液氯儲罐、生產(chǎn)緩沖罐等的主要工藝參數(shù)送入SIS進行監(jiān)測、報警、緊急事故切斷和聯(lián)鎖。

3SIS的設(shè)計

3.1SIS構(gòu)成

1個SIS回路包含1個或多個安全儀表功能SIF(safety instrumented function)，硬件由3個部分組成： 傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行機構(gòu)，當生產(chǎn)過程出現(xiàn)危險時，進行緊急停車，防止惡性事故的發(fā)生。

3.2SIL的確定

圖1　HAZOP分析程序和內(nèi)容示意

根據(jù)IEC 51508和IEC 61511規(guī)定，合理的SIL是保證功能安全的前提。因此，為了保證SIS能夠正常地執(zhí)行安全功能，必須合理設(shè)計SIL等級，有效地評估功能安全，避免SIS的拒動作與誤跳車現(xiàn)象。評估SIL的主要參數(shù)是平均危險故障率PFD(probability of failure on demand)，按其從高到低依次分為1～4級。在石化行業(yè)中一般涉及的只有1,2,3級，因為SIL4級投資大，系統(tǒng)復雜，一般只用于核電行業(yè)。詳細分類見表2所列。

表2　SIL等級與故障幾率對應(yīng)關(guān)系

正常情況下，液氯罐區(qū)SIS每年安全功能被執(zhí)行的次數(shù)不會超過1次。當然，在實際的應(yīng)用過程中，由于操作習慣等因素而造成的影響，SIS可能每年動作多次。經(jīng)過專家結(jié)合氯乙酸生產(chǎn)流程的討論和分析，確定該項目中SIS選擇低要求模式，即為SIL2。

3.3主要控制參數(shù)和設(shè)計

為保證液氯罐區(qū)液氯汽化裝置的安全生產(chǎn)，液氯儲罐的液位、生產(chǎn)緩沖罐的壓力、熱水罐溫度等作為主要控制參數(shù)，設(shè)計的SIS采用PLC進行聯(lián)鎖控制，分別設(shè)置與液位、壓力、溫度聯(lián)鎖的開關(guān)球閥和電磁閥作為執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)緊急事故切斷和聯(lián)鎖功能，選擇的檢測儀表和執(zhí)行機構(gòu)等需滿足IEC 61508 SIL或TUV AK(德)相應(yīng)SIL等級認證。

SIS整體包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器，按照故障安全型設(shè)計： 現(xiàn)場觸點應(yīng)開路報警，正常操作條件下閉合；現(xiàn)場執(zhí)行器聯(lián)鎖時不帶電，正常操作條件下帶電。儀表檢測元件和取源點獨立設(shè)置，采用“1oo2”冗余的傳感器；控制閥采用冗余電磁閥，為分別帶電磁閥的2個SIS開關(guān)閥(如液位聯(lián)鎖開關(guān)閥)和帶電磁閥的1個調(diào)節(jié)閥加1個SIS開關(guān)閥(壓力聯(lián)鎖的溫度調(diào)節(jié)閥)；冗余輸入的SIS邏輯包括輸入信號偏差報警，其中2個變送器的信號偏差，報警設(shè)定值為5%。

SIS的聯(lián)鎖控制獨立于DCS設(shè)置，可與DCS進行通信，但DCS不能通過數(shù)據(jù)鏈向SIS寫入數(shù)據(jù)。為避免SIS和DCS的信號接線出現(xiàn)差錯，SIS配置獨立的控制機柜、工程師站、操作員站、獨立的通信網(wǎng)絡(luò)等。SIS采用冗余電源，由獨立的雙路配電回路供電。SIS中使用的軟件、硬件和儀表必須遵守正式版本并已商業(yè)化，同時必須獲得國家有關(guān)防爆、計量、壓力容器等強制認證；嚴禁使用任何試驗產(chǎn)品。設(shè)計的液氯汽化裝置SIS聯(lián)鎖控制流程如圖2所示。

SIS具體聯(lián)鎖控制如下：

1) 生產(chǎn)緩沖罐的壓力高于設(shè)定值時，SIS進行聲光報警，同時聯(lián)鎖關(guān)閉液氯儲罐切斷閥和熱水儲罐溫度調(diào)節(jié)閥，停止液氯儲罐向液氯汽化器輸送液氯；同時停止液氯汽化器工作，防止液氯汽化器繼續(xù)向生產(chǎn)緩沖罐輸送氯氣，造成緩沖罐壓力繼續(xù)升高，引發(fā)危險，如圖3所示。

圖2　SIS聯(lián)鎖控制流程示意

圖3　生產(chǎn)緩沖罐聯(lián)鎖控制邏輯示意

2) 液氯儲罐的液位高于設(shè)定值時，SIS進行聲光報警，同時聯(lián)鎖關(guān)閉液氯儲罐進料閥，切斷液氯儲罐進料；SIS同時設(shè)置緊急停車按鈕，緊急情況下按下緊急停車按鈕緊急切斷液氯儲罐進料閥，切斷液氯儲罐進料，防止儲罐液氯泄漏造成危險，引發(fā)事故，造成人身傷害及損失。聯(lián)鎖邏輯如圖4所示。

圖4　液氯儲罐聯(lián)鎖控制邏輯示意

SIS設(shè)計完成投入使用后，液氯汽化裝置的安全性和可靠性明顯提高，生產(chǎn)過程中沒有一次因SIS誤動作造成停車。

4結(jié)束語

在化工氯乙酸項目生產(chǎn)中，SIS是非常重要的特殊安全控制系統(tǒng)，系統(tǒng)在設(shè)計、選型、使用和維護中需要嚴格遵循安全標準和設(shè)計規(guī)范[7-8]。河北某50kt/a氯乙酸項目自設(shè)計投產(chǎn)應(yīng)用以來，SIS工作穩(wěn)定可靠，操作維護方便，同時根據(jù)企業(yè)自身的實際情況，綜合采取多種安全可靠性措施[9]，確保了系統(tǒng)功能安全的實現(xiàn)，使企業(yè)的人身設(shè)備安全和環(huán)境安全得到充分可靠的保障，為工廠的長周期、穩(wěn)定生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用。

參考文獻：

[1]張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京： 中國電力出版社，2010.

[2]礱義文.安全儀表系統(tǒng)在化工裝置中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2010，3l(12)： 50-54.

[3]陳廠英.安全儀表系統(tǒng)在危化工藝裝置的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011(04)： 40-41.

[4]劉齊忠,林融.石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計及實施探討[J].石油化工自動化，2010，46(05)： 1-6.

[5]李勝利,盧金芳.石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計[J].石油化工自動化，2007，43(02)： 18-22.

[6]王永強,劉承明,杜洪斌,等.危險化學品重大危險源辨識中的問題與對策[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2013，9(06)： 115-119.

[7]黃步余，葉向東，范宗海，等.GB/T 50770—2013石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2013： 1-33.

[8]吳宗之，魏利軍，劉驥，等.GB 18218—2009危險化學品重大

危險源辨識[S].北京： 中國標準出版社，2009： 1-6.

[9]王娟娟.安全儀表系統(tǒng)中F&GS系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀表，2014,29(04)： 10-14.

[10]陳存銀.石化裝置安全儀表系統(tǒng)完整性等級設(shè)計方法及應(yīng)用[D].北京： 北京化工大學，2013： 5-63.

摘要：針對某50kt/a氯乙酸生產(chǎn)項目詳細進行了危險化學品重大危險源辨識，對工藝流程主要生產(chǎn)裝置分節(jié)點完成了危險與可操作性(HAZOP)分析，確定了液氯儲存和汽化裝置的安全完整性等級(SIL)，對裝置的主要控制參數(shù)進行了分析，具體設(shè)計了液氯儲存和汽化裝置的安全儀表系統(tǒng)(SIS)及完整的聯(lián)鎖控制，并投入生產(chǎn)運行。設(shè)計的SIS在實際生產(chǎn)中運行情況良好，保證了項目生產(chǎn)裝置的安全生產(chǎn),體現(xiàn)了SIS的可靠性、安全性以及在氯乙酸生產(chǎn)中的特點。

關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)重大危險源辨識HAZOP分析聯(lián)鎖控制

Design and Application of Safety Instrument Systems in Chloroacetic Acid ProjectLan Tian, Liu Yonggang

(Foster Wheeler (Hebei) Engineering Design Co. Ltd., Shijiazhuang, 050061, China)

Abstract：Aiming at one 50 kt/a chloroacetic acid project, major hazard resource of hazardous chemicals is identified in detail. Hazard and operability (HAZOP) analysis for partial node for main production installation of process flow are completed. Safety integrity level (SIL) for liquid chlorine storage and vaporization device is confirmed. Major control parameters for devices have been analyzed. Liquid chlorine storage and SIS of vaporization device and complete interlock and control have been designed, and have been put into production operation. The designed SIS is being run well in actual production, and ensures safe operation of production device. It represents reliability, security and characteristics of SIS in chloroacetic acid production.

Key words：safety instrument system (SIS); identification of major hazard source; hazard and operability (HAZOP) analysis; interlock and control

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0013-04

作者簡介：蘭天(1985—)，男，河北石家莊人，2011年畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于福斯特惠勒(河北)工程設(shè)計有限公司，從事石油化工自動化設(shè)計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-02-12。