化工設(shè)計(jì)中安全裝置的影響與選用研究

萬 滴，曹澤俊

（1.蘇州鑫晶人工智能技術(shù)研發(fā)有限公司，江蘇蘇州 215125；2.中城投榮欣（浙江）建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310020）

在開展化工生產(chǎn)時(shí)，人們需要識別化工生產(chǎn)存在的所有危險(xiǎn)因素，然后了解安全裝置的影響，優(yōu)化安全裝置的應(yīng)用。做好這些工作，能夠控制生產(chǎn)安全事故發(fā)生的概率，降低生產(chǎn)中存在的危險(xiǎn)系數(shù)[1]。

1 化工設(shè)計(jì)中安全裝置設(shè)計(jì)針對性規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)

1.1 系統(tǒng)因素控制

1.1.1 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要從以下幾個方面強(qiáng)化安全設(shè)置：對物料進(jìn)行詳細(xì)的評價(jià)，結(jié)合它們自身的特質(zhì)和使用，列出安全因子；把握好使用過程條件的評價(jià)，比如一項(xiàng)物料在使用時(shí)，是否會產(chǎn)生危險(xiǎn)因素，廢料能否被有效利用等，把工藝系統(tǒng)在生產(chǎn)時(shí)存在的危險(xiǎn)因子列出來；保證單元間的安全銜接，即每道工序在銜接時(shí)是否存在安全問題，這也是需要被列出來的安全因子；密封系統(tǒng)在密封時(shí)是否存在工藝難點(diǎn)，致使危險(xiǎn)系數(shù)增加[2]；系統(tǒng)中是否存在其他危險(xiǎn)介質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)，如果周圍的環(huán)境存在危險(xiǎn)因子，那么會引發(fā)安全問題；分析設(shè)備在使用時(shí)是否存在安全危險(xiǎn)，當(dāng)前人們應(yīng)用分析參數(shù)變化的方式來評價(jià)是否存在安全隱患，而如果沒有科學(xué)設(shè)定參數(shù)也會引發(fā)安全事故。建立安全系統(tǒng)，就是要把所有系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的安全因子列出來，并加以控制，這是把工藝系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)量化的方法[3]。

1.1.2 儀表及自動控制設(shè)備設(shè)計(jì)

操作員需要通過監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)來分析系統(tǒng)運(yùn)作的情況，那么儀表的數(shù)值顯示將影響著操作員的判斷，它的控制設(shè)計(jì)將影響設(shè)備的操控。儀表及自動控制設(shè)備設(shè)計(jì)需要從以下幾個方面做好安全控制：（a）動力系統(tǒng)，做好事故電源控制和氣源控制，避免失去了能源驅(qū)動裝置出現(xiàn)安全事故。（b）使用環(huán)境的控制，應(yīng)用設(shè)備自動采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，比如有害氣體濃度、生產(chǎn)環(huán)境的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，一旦可能存在安全隱患，能夠及時(shí)預(yù)警。（c）儀表設(shè)備的精確度控制，這需要建立一套儀表設(shè)備的動態(tài)維修制度，令生產(chǎn)中使用的儀表功能正常且沒有安全隱患。（d）特殊位置的儀表設(shè)備選用，比如易爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的儀表，需要具備防爆炸、防高溫的功能，令它們能夠在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)不受外在因素的影響[4]。

1.2 裝置因素控制

裝置因素控制，是指在裝置的過程中控制好一切的因子，令裝置環(huán)節(jié)不會出現(xiàn)安全隱患，這是讓系統(tǒng)安全使用的基礎(chǔ)?？梢詮囊韵聨讉€方面優(yōu)化電氣裝置設(shè)計(jì)：做好備份電源設(shè)計(jì)，強(qiáng)化系統(tǒng)能源使用的銜接，出于種種因素，化工生產(chǎn)中可能出現(xiàn)能源中斷的問題，此時(shí)如果做好能源銜接設(shè)計(jì)，就能避免系統(tǒng)使用時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)，比如給系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙電源，讓能源使用無縫切換就能提高穩(wěn)定性；做好能源的安全保護(hù)，避免在能源中出現(xiàn)火災(zāi)。比如有些設(shè)備在雷電等情形下，會出現(xiàn)絕緣體被擊穿，導(dǎo)致火災(zāi)事件。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要優(yōu)化防雷設(shè)計(jì)。做好安全區(qū)域等級分類，對于低危險(xiǎn)系數(shù)區(qū)域，做好相應(yīng)的安全保護(hù)措施及日常的監(jiān)控工作。對于高危險(xiǎn)系數(shù)區(qū)域，則要優(yōu)化報(bào)警系統(tǒng)，疏散裝置設(shè)計(jì)，以便及時(shí)了解是否出現(xiàn)安全隱患及當(dāng)安全事故發(fā)生后能減少安全事故帶來的影響；優(yōu)化變頻技術(shù)使用，應(yīng)用這種技術(shù)，能夠讓功率與設(shè)備的運(yùn)作需求一致，并能智能化地處理安全事故，使設(shè)備在使用時(shí)，安全性增加。

1.3 安全因素控制

化工生產(chǎn)需要控制的安全因子有很多，從整體來說分為以下幾類，需要對引起以下幾類的安全因子進(jìn)行控制：火災(zāi)爆炸安全因素，在生產(chǎn)中，大量的化學(xué)原料在使用時(shí)，如果濃度失去控制，則會引起火災(zāi)事故；反應(yīng)性危險(xiǎn)因素，在生產(chǎn)中，化工產(chǎn)品會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會在生產(chǎn)時(shí)擬定控制的方案，然而各種內(nèi)在或外在因素，可能讓反應(yīng)出現(xiàn)安全失控；化工原料及它們在反應(yīng)時(shí)會產(chǎn)生有毒的化學(xué)物質(zhì)和氣體，工作人員長期處于這一環(huán)境便會出現(xiàn)中毒安全事故。嚴(yán)重的中毒事故不僅會對人身安全造成極大的危害，而且化工生產(chǎn)也會受到影響。

2 標(biāo)準(zhǔn)性規(guī)定的工程選用設(shè)計(jì)

2.1 儀表自動控制選用

為了說明儀表自動控制選用的方法，現(xiàn)應(yīng)用西門子公司的PCS7作為控制系統(tǒng)，CPU選擇 S7-400系列的 CPU 416-2。安全儀表系統(tǒng)選擇西門子公司 S7-400系列 PLC，CPU選擇CPU 416-2FH。優(yōu)化設(shè)備的選擇，能夠提高系統(tǒng)控制的水平。表1為這套設(shè)備的基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)ET200M I/O模塊選型。

表1 基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)ET200M I/O模塊選型

當(dāng)前人們應(yīng)用智能化的方式對儀表進(jìn)行操作，并監(jiān)控儀表的參數(shù)，還提出集成化控制儀表的要求。表2為安全儀表系統(tǒng)控制系統(tǒng)ET200M I/O模塊選型。

表2 安全儀表系統(tǒng)控制系統(tǒng)ET200M I/O模塊選型

以上系統(tǒng)控制系統(tǒng)的模塊選型均能滿足系統(tǒng)控制的要求。

2.2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該次化工設(shè)備的加熱爐為一級一類的負(fù)荷，為了強(qiáng)化供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該次的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖1，每級都配備了后備電源，應(yīng)用了多回路配電方式。

圖1 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 危險(xiǎn)因子的控制

為了對每個生產(chǎn)環(huán)境的危險(xiǎn)因子進(jìn)行控制，現(xiàn)應(yīng)用以下的流程對危險(xiǎn)因子進(jìn)行識別和控制。

（1）前期準(zhǔn)備

制定安全評估計(jì)劃；收集法律、法規(guī)、規(guī)章、規(guī)范等文件。

（2）評價(jià)事故發(fā)生的可能性及危險(xiǎn)程度

現(xiàn)場勘察、系統(tǒng)收集項(xiàng)目資料；危險(xiǎn)和有害因素辨識、分析；事故發(fā)生的可能性及危害程度；可能受事故影響的周邊場所及人員情況。

（3）重大危險(xiǎn)源辨識及分級符合性分析

全面收集重大危險(xiǎn)源辨識特征；對重大危險(xiǎn)員分析

（4）提出安全管理、技術(shù)應(yīng)用及監(jiān)控措施

針對安全管理需求提出全管理、技術(shù)應(yīng)用及監(jiān)控方案，應(yīng)用信息技術(shù)對危險(xiǎn)源進(jìn)行全面監(jiān)控。

（5）事故應(yīng)急措施

提出事故應(yīng)急預(yù)案，如果發(fā)生了事故，則監(jiān)制系統(tǒng)給出應(yīng)急方案。

（6）安全評價(jià)

進(jìn)行動態(tài)評價(jià)，讓人們了解當(dāng)下的安全情況。

（7）編制安全評價(jià)報(bào)告

相關(guān)研究表明，當(dāng)輔路行車速度在30km/h以下時(shí)，主線出口的通行能力的提高與輔路速度的增長呈明顯正相關(guān)性；行車速度在30km/h以上時(shí)，主線出口的通行能力和輔路速度的關(guān)系就基本保持穩(wěn)定，不再隨輔路行車速度提高而提高。因此，輔路行車速度宜控制在30km/h以上。根據(jù)城市道路規(guī)范規(guī)定，快速路輔路設(shè)計(jì)速度宜為主路的0.4～0.6倍。因此，主路與輔路速度差不宜過大。

排除安全因子后，要求工作人員編制安全評價(jià)報(bào)告。

（8）安全評價(jià)報(bào)告審核

應(yīng)用內(nèi)部審核的方式對安全事故發(fā)生進(jìn)行全面審核，提取安全因子分析。

（9）優(yōu)化安全評價(jià)系統(tǒng)

結(jié)合安全事故的發(fā)生，優(yōu)化安全評價(jià)系統(tǒng)，定期評價(jià)這套系統(tǒng)實(shí)施的效果，而這套系統(tǒng)效果的實(shí)施需要由專人負(fù)責(zé)。

2.4 安全因子的監(jiān)控

建立安全因子的監(jiān)控系統(tǒng)見圖2，應(yīng)用智能化的預(yù)警系統(tǒng)對安全因子進(jìn)行全程監(jiān)制，如果發(fā)現(xiàn)安全危險(xiǎn)因子，則即時(shí)給出預(yù)警并自動提出危險(xiǎn)因子控制方案。

圖2 安全因子的監(jiān)控系統(tǒng)

2.5 冷換裝置選用

2.5.1 冷換裝置選用依據(jù)

2.5.2 冷換裝置選用技術(shù)使用的設(shè)計(jì)

（1）冷換裝置的物理保護(hù)方法

物理保護(hù)方法就是指分析物理因子的影響，提高冷換裝置使用的安全系數(shù)，較為常見的保護(hù)方法為：優(yōu)化環(huán)境設(shè)計(jì)，減少外部環(huán)境對冷換裝置的腐蝕；優(yōu)化冷換設(shè)備工作載荷設(shè)計(jì)，避免高強(qiáng)度的運(yùn)作對材料產(chǎn)生腐蝕作用；優(yōu)化冷換設(shè)備管理，做好動態(tài)檢修，讓冷換裝置維持良好的工作狀態(tài)。

（2）冷換裝置的化學(xué)保護(hù)方法

化學(xué)保護(hù)方法就是指分析化學(xué)因子的影響，提高冷換裝置使用的安全系數(shù)。較為常見的保護(hù)方法為：選擇耐腐蝕材料，當(dāng)前人們已經(jīng)為化工生產(chǎn)研發(fā)了各種耐腐蝕的新型材料，比如不銹鋼鈦鋁就是一種很好的耐腐蝕材料，人們需要結(jié)合需求把這些材料應(yīng)用于冷換設(shè)備中；優(yōu)化防腐涂料的應(yīng)用，在設(shè)備中使用特殊的添加劑，包括緩釋劑、中和劑等，做好設(shè)備的保護(hù)，過去人們就已經(jīng)使用了這種方式來優(yōu)化冷換裝置的設(shè)計(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們研發(fā)了更多新技術(shù)及積累了更多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。比如人們發(fā)現(xiàn)雖然現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出了大量防腐涂料，但是在應(yīng)用時(shí)存在兩個問題：①在高溫環(huán)境下防腐涂料易分解，從而功能受到了影響；②它的應(yīng)用對涂抹工藝存在要求，部分技術(shù)人員由于在操作時(shí)出現(xiàn)了技術(shù)缺陷，導(dǎo)致涂層不均勻，冷換裝置的防腐效果存在差異性。將使用環(huán)境和工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，是人們繼續(xù)研究的方向。

（3）冷換裝置的電化學(xué)保護(hù)方法

做好電化學(xué)保護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)用電化學(xué)轉(zhuǎn)換的原理做好安全保護(hù)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的背景下，做好安全保護(hù)的新思路。當(dāng)前較為常見的冷換裝置的電化學(xué)保護(hù)方法分為兩種：應(yīng)用陽極保護(hù)的方法需要花費(fèi)更多應(yīng)用成本，并且需要消耗大量的能量，并且這種技術(shù)不適于應(yīng)用氯離子濃度高的環(huán)境及應(yīng)用存在限制；陰極保護(hù)存在耗電量多，并且各個管徑深處存在陰極保護(hù)不完整的缺陷。結(jié)合我國實(shí)際應(yīng)用的需求，我國現(xiàn)在應(yīng)用犧牲陰極保護(hù)的電化學(xué)技術(shù)，然而為了提高應(yīng)用效果，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用方法還在繼續(xù)研究中。

2.6 應(yīng)用正交試驗(yàn)了解設(shè)備腐蝕速率關(guān)鍵因子技術(shù)使用的設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)?zāi)軌蚋鶕?jù)實(shí)際煉油工藝的產(chǎn)出物分析冷換器是不是被腐蝕。這種實(shí)驗(yàn)原理為設(shè)定對設(shè)備防腐有影響的因素：溫度、氯離子濃度、PH值、氯化鈉濃度。通過做正交試驗(yàn)，對這四種試驗(yàn)因素進(jìn)行分析，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型分析影響冷換器防腐性能的關(guān)鍵因素。應(yīng)用這樣的方式，人們可以了解冷換器的哪些零部件存在腐蝕及腐蝕后產(chǎn)生的危險(xiǎn)因子是什么。比如先應(yīng)用正交試驗(yàn)的方法對 SGBO1 型冷換器的腐蝕情況進(jìn)行分析。按照實(shí)際工況條件來設(shè)定參數(shù)，先將參數(shù)設(shè)置為：氯離子濃度為 0.009～0.02mol/L、環(huán)境溫度按照25～60℃進(jìn)行設(shè)置、pH為5～9。將每個試驗(yàn)因素按照不同等級選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組成正交試驗(yàn)方案表。然后應(yīng)用Powersuite軟件對比分析將正交試驗(yàn)結(jié)果與3種不同材料方案進(jìn)行聯(lián)合對比，而在冷換器中應(yīng)用了20、16Mn、304這3種不銹鋼材料，通過對比的結(jié)果可以了解這三種不銹鋼材料是不是被腐蝕。因?yàn)?種材料被腐蝕過后的電位數(shù)值是存在差異的，對比理論數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)就能對材料的腐蝕情況進(jìn)行評估。

3 結(jié)束語

從化工安全裝置設(shè)計(jì)中常見的危險(xiǎn)因子進(jìn)行分析，并說明了針對這些安全因素優(yōu)化安全生產(chǎn)的裝置選用方法，然后從不同方面和角度對安全裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用的要點(diǎn)，通過舉出具體案例的方法進(jìn)行說明。對化工設(shè)計(jì)中安全裝置的設(shè)計(jì)與選用進(jìn)行優(yōu)化的目的，是為了確保化工企業(yè)安全設(shè)計(jì)方案具有實(shí)效性，使安全設(shè)計(jì)和應(yīng)用滿足化工生產(chǎn)的需求，降低安全事故發(fā)生的機(jī)會。應(yīng)用了這一研究成果，能夠從提高安全系數(shù)角度出發(fā)提高經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。