王冰

（南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限公司，南京210048）

1 概 述

常壓低溫儲(chǔ)運(yùn)是指低溫介質(zhì)在接近沸點(diǎn)溫度和常壓條件下的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。由于具有儲(chǔ)存壓力低、易于建造大容積儲(chǔ)罐（單臺(tái)儲(chǔ)罐容量可達(dá)1.6×105m3），適合遠(yuǎn)距離輸送等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛地用于乙烯、丙烯及LNG等原料的儲(chǔ)存。低溫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國外在20世紀(jì)60—70年代就開始應(yīng)用，德國TGE公司、Linde公司、日本東洋公司均有成熟可靠的工藝包技術(shù)。

典型的乙烯常壓低溫儲(chǔ)運(yùn)裝置由乙烯儲(chǔ)罐、氣相乙烯液化回收、乙烯輸出三部分組成，如圖1所示。

由于儲(chǔ)存的是易燃、易爆介質(zhì)，并且儲(chǔ)存溫度較低（乙烯儲(chǔ)罐儲(chǔ)存溫度為－104℃），介質(zhì)在受到外界溫度和操作環(huán)境作用下極易氣化升壓，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成不利的影響。因此，乙烯低溫儲(chǔ)罐無疑是其中最關(guān)鍵的設(shè)備，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，帶來的危害將是災(zāi)難性的。

筆者以江蘇某2×104m3乙烯常壓低溫儲(chǔ)罐為例，探討常壓低溫乙烯儲(chǔ)罐的安全儀表設(shè)計(jì)。

2 安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)IEC 61511的定義，典型的風(fēng)險(xiǎn)降低方法包含了控制、防護(hù)及減災(zāi)的各種手段，如圖2所示，從內(nèi)到外分別是工藝層、監(jiān)控層、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防層、風(fēng)險(xiǎn)后果減輕層、工廠應(yīng)急響應(yīng)層以及社會(huì)應(yīng)急響應(yīng)層六個(gè)層次。在工藝層，需對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行合理地工藝設(shè)計(jì)和保冷手段，保證最基本的安全。同時(shí)，還應(yīng)采用安全可靠的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)系統(tǒng)，充分發(fā)揮監(jiān)控層及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防層的作用，從而將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，保障裝置安全運(yùn)行。除此之外，其他保護(hù)層的功能應(yīng)通過一些預(yù)案、制度等措施來保障。

為了加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源的安全監(jiān)督管理，防止和減少危險(xiǎn)化學(xué)品事故的發(fā)生，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在2011年8月5日發(fā)布了第40號(hào)令《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》，該規(guī)定對(duì)IEC 61511定義的保護(hù)層都有相關(guān)規(guī)定，其中涉及監(jiān)控層和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防層的規(guī)定中，要求根據(jù)重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)程度，配置相應(yīng)的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

圖1 乙烯常壓低溫儲(chǔ)罐流程示意

圖2 典型的風(fēng)險(xiǎn)降低方法示意

SIS是指用儀表實(shí)現(xiàn)安全功能的系統(tǒng)，包括傳感器、邏輯運(yùn)算器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及相關(guān)的設(shè)備和軟件。對(duì)于安全部分的儀表，IEC 61508給出了全面的電氣／電子／可編程電子系統(tǒng)功能安全管理的框架，并用安全完整性等級(jí)（SIL）來說明安全相關(guān)系統(tǒng)的安全目標(biāo)，它的主要目標(biāo)是預(yù)測(cè)安全相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的故障概率。

安全系統(tǒng)應(yīng)該具有的SIL是通過對(duì)受控系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析得到的。根據(jù)IEC 61511，SIL通過定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)和半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)來確定。定性的方法是使用工程判斷和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來做出選擇；定量的方法要求對(duì)安全功能的動(dòng)作頻率和后果都通過定量的方式給出，同時(shí)允許的風(fēng)險(xiǎn)也是定量的。這兩種方法各有長處，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。常見的風(fēng)險(xiǎn)分析方法包括危險(xiǎn)與可操作性分析HAZOP（Hazard and Operation Analysis）、安全檢查表分析（Safety Checklist Analysis）、“如果—會(huì)如何”分析（What If Analysis）、事 件 樹 分 析 ETA（Event Tree Analysis）等。

筆者利用HAZOP分析，獲得危險(xiǎn)事件以及其所造成的風(fēng)險(xiǎn)后果，從而進(jìn)一步通過定性和半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法來確定風(fēng)險(xiǎn)的控制方案。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

依據(jù)IEC 61508，在設(shè)計(jì)SIS前，必須首先對(duì)過程進(jìn)行危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析，以確定過程及相關(guān)裝置的危險(xiǎn)事件或可能發(fā)生的潛在危險(xiǎn)事件，危險(xiǎn)事件可能導(dǎo)致的相應(yīng)后果以及危險(xiǎn)事件可能發(fā)生的概率。

與其他類型儲(chǔ)罐相比，低溫儲(chǔ)罐除液位、壓力需檢測(cè)外，還有罐壁、罐底的低溫介質(zhì)多點(diǎn)溫度檢測(cè)，由于單一組分的乙烯不存在罐內(nèi)不均勻分布的問題，故溫度的變化不會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐安全產(chǎn)生影響。因此，儲(chǔ)罐壓力、液位控制將直接影響到儲(chǔ)罐的安全。如何將壓力、液位控制在一定的范圍內(nèi)，將是大家應(yīng)當(dāng)直接面對(duì)的課題。

3.1 儲(chǔ)罐壓力變化

理想情況下，儲(chǔ)罐內(nèi)低溫乙烯的儲(chǔ)存溫度接近其沸點(diǎn)溫度（－104℃），此時(shí)乙烯氣液相界面處溶解和揮發(fā)的速率相等，儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力即為乙烯在此溫度下的飽和蒸氣壓。但無論低溫儲(chǔ)罐有多么良好的絕熱性能，都存在與外部環(huán)境的熱交換；同時(shí)由于受到工藝操作的影響，都會(huì)造成儲(chǔ)罐內(nèi)乙烯蒸發(fā)氣（BOG）量的變化，從而造成儲(chǔ)罐的壓力變化。

1）影響儲(chǔ)罐壓力升高的因素。從環(huán)境吸收的熱量，包括正常吸熱及火災(zāi)狀況；乙烯進(jìn)罐操作產(chǎn)生的翻滾效應(yīng)以及容積置換效應(yīng)；大氣壓降低導(dǎo)致表壓升高。

2）影響儲(chǔ)罐壓力降低的因素。乙烯出罐操作產(chǎn)生的容積置換；BOG壓縮機(jī)運(yùn)行；大氣壓升高導(dǎo)致表壓降低。

如果儲(chǔ)罐壓力變化超過了正常的范圍，就會(huì)產(chǎn)生超壓或負(fù)壓情況。無論超壓或負(fù)壓，都將嚴(yán)重威脅儲(chǔ)罐的安全，甚至?xí)霈F(xiàn)儲(chǔ)罐破裂從而導(dǎo)致乙烯外泄的可能。

3.2 儲(chǔ)罐液位的變化

儲(chǔ)罐液位變化相對(duì)單一，即隨著液態(tài)乙烯的進(jìn)出罐操作，儲(chǔ)罐液位也相應(yīng)地升高或降低。如果液位過高，將發(fā)生冒罐事故，乙烯將泄漏到環(huán)境中，成為爆炸危險(xiǎn)源，嚴(yán)重威脅人員財(cái)產(chǎn)安全；同時(shí)過高的液位也可能出現(xiàn)BOG壓縮機(jī)吸入口帶液的問題，可能損壞機(jī)械設(shè)備。反之，如果液位過低，將發(fā)生儲(chǔ)罐抽空的現(xiàn)象，同樣危及儲(chǔ)罐的安全。

4 風(fēng)險(xiǎn)控制

經(jīng)過以上風(fēng)險(xiǎn)分析，確定必須對(duì)過程危險(xiǎn)事件采取必要的措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)降低，即從監(jiān)控層、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防層以及風(fēng)險(xiǎn)后果減輕層出發(fā)，確定相應(yīng)的安全功能來達(dá)到必要的風(fēng)險(xiǎn)降低要求，同時(shí)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)降低要求來確定相應(yīng)安全功能的SIL。

IEC 61508中用于確定SIL的方法有兩種，文中將采用定性方法和半定量方法分別對(duì)儲(chǔ)罐壓力和液位進(jìn)行分析，確定風(fēng)險(xiǎn)控制的方案。

4.1 儲(chǔ)罐壓力控制

南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限公司多年來一直從事低溫儲(chǔ)運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作，積累了豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過不斷地升級(jí)改進(jìn)，對(duì)于罐壓的控制，有了較為成熟的控制方案，包括常規(guī)控制和聯(lián)鎖控制。

4.1.1 常規(guī)控制

1）設(shè)儲(chǔ)罐壓力調(diào)節(jié)回路，調(diào)節(jié)進(jìn)罐乙烯流量。在乙烯進(jìn)料操作工況下，將儲(chǔ)罐壓力控制在24kPa。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于24kPa時(shí)，減小進(jìn)罐管線調(diào)節(jié)閥開度直至全關(guān)，減少進(jìn)罐乙烯流量，從而減少容置效應(yīng)，降低儲(chǔ)罐壓力。

2）設(shè)儲(chǔ)罐壓力調(diào)節(jié)回路，調(diào)節(jié)乙烯BOG至尾氣焚燒系統(tǒng)流量，將儲(chǔ)罐壓力控制在27kPa。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于27kPa時(shí)，增加至尾氣焚燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥開度直至全開，將部分氣相乙烯排入尾氣焚燒系統(tǒng)，達(dá)到降低儲(chǔ)罐壓力的目的。

3）設(shè)操作聯(lián)鎖控制，用于常規(guī)儲(chǔ)運(yùn)時(shí)的壓力控制。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于20kPa時(shí)，啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)，將罐內(nèi)的部分BOG抽走，經(jīng)過加壓、冷卻、液化后再返回儲(chǔ)罐內(nèi)，以降低罐內(nèi)壓力；當(dāng)儲(chǔ)罐壓力低于17kPa時(shí)，停止BOG壓縮機(jī)，以防止儲(chǔ)罐壓力的繼續(xù)下降。

4.1.2 聯(lián)鎖控制

當(dāng)常規(guī)控制無法滿足儲(chǔ)罐正常運(yùn)行的需要，以至于出現(xiàn)較為極端的工藝狀況時(shí)，就必須利用儀表安全聯(lián)鎖以及機(jī)械保護(hù)設(shè)備來保證儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行，方案如下：

1）設(shè)儲(chǔ)罐進(jìn)料聯(lián)鎖切斷閥。在乙烯進(jìn)料操作工況下，如果儲(chǔ)罐壓力無法通過PID控制在安全運(yùn)行范圍內(nèi)，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于28kPa時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料切斷閥，切斷儲(chǔ)罐進(jìn)料，以降低儲(chǔ)罐乙烯進(jìn)料對(duì)罐壓升高產(chǎn)生的影響。

2）設(shè)BOG壓縮機(jī)入口管線切斷閥，用于儲(chǔ)罐壓力降低時(shí)的保護(hù)。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力低于5kPa時(shí)，關(guān)閉切斷閥，切斷儲(chǔ)罐與BOG壓縮機(jī)間的管路連接。

3）設(shè)補(bǔ)充氮?dú)夤芫€切斷閥。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力低于4kPa時(shí)，打開切斷閥，向儲(chǔ)罐中充入氮?dú)庖苑乐箖?chǔ)罐壓力進(jìn)一步降低。

4）設(shè)一級(jí)安全閥。當(dāng)罐壓升高至29kPa時(shí)，打開安全閥，將BOG排入尾氣焚燒系統(tǒng)，達(dá)到降低儲(chǔ)罐壓力的目的。

5）設(shè)二級(jí)安全閥。當(dāng)罐壓升高至30kPa時(shí)，打開安全閥，將BOG排入大氣。

6）設(shè)破真空閥。當(dāng)罐壓下降至－5kPa時(shí)，真空閥打開，向罐內(nèi)補(bǔ)充空氣，以保護(hù)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)不受破壞。

4.2 儲(chǔ)罐液位控制

儲(chǔ)罐液位主要是防止溢流，通過研究國際和國家標(biāo)準(zhǔn)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、社會(huì)和環(huán)境等因素后，選定該系統(tǒng)的安全目標(biāo)為溢流概率小于10－4次／年。

以下將采用半定量分析方法中的ETA方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，ETA是建立從初始事件到可能引發(fā)的結(jié)果的邏輯描述圖。

在該系統(tǒng)中初始事件為罐液位過高，根據(jù)可靠數(shù)據(jù)可以確定罐液位過高的可能性為0.1次／年，造成溢流事故的原因有：液位檢測(cè)故障、液位高報(bào)失效、操作員未響應(yīng)、進(jìn)料切斷閥失效。表1列出了各個(gè)部分的失效概率（PFD）。

表1 系統(tǒng)各部分PFD

在現(xiàn)有安全措施下儲(chǔ)罐過液位的事件樹如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)罐過液位的事件樹示意

圖3中事件樹的結(jié)果給出了溢流危險(xiǎn)的后果及其發(fā)生的可能性，從圖3中可以看出，溢流事故的概率為事件3，5，7發(fā)生概率的總和，即：

由式（1）的計(jì)算結(jié)果可知現(xiàn)有的安全措施，不能滿足系統(tǒng)安全目標(biāo)的要求，因而必須對(duì)儲(chǔ)罐液位增加新的安全措施，以達(dá)到安全目標(biāo)的要求。要使溢流概率小于10－4次／年，則對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低估算如下：

根據(jù)SIL的分類描述，設(shè)計(jì)的SIS應(yīng)至少為SIL1。為了達(dá)到該安全等級(jí)，可以在系統(tǒng)中增設(shè)液位檢測(cè)儀表，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，并使用1套完整性等級(jí)至少為SIL1的SIS。

根據(jù)IEC 61508要求，在SIS設(shè)計(jì)完成后必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，確定其是否滿足安全功能要求。如果沒有達(dá)到要求，則必須對(duì)SIS進(jìn)行改進(jìn)，直到所設(shè)計(jì)的SIS完全能夠滿足安全功能的要求。在該系統(tǒng)中，增加SIS后溢流的事件樹如圖4所示。

圖4 增設(shè)安全措施后儲(chǔ)罐過液位的事件樹示意

通過對(duì)改進(jìn)后系統(tǒng)的事件樹模型進(jìn)行分析可知，增加SIS后溢流事故的概率為事件4，7，10發(fā)生概率的總和，即：

因此，新增的SIS降低了溢流事故率，提升了原有系統(tǒng)的安全水平，達(dá)到了預(yù)期安全目標(biāo)。

5 安全儀表策略

通過以上討論，考慮到乙烯罐儲(chǔ)存大量易燃、易爆的烴類介質(zhì)，危險(xiǎn)性極大，設(shè)計(jì)上應(yīng)保證儲(chǔ)罐壓力、溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和控制的安全性。從檢測(cè)的準(zhǔn)確性角度考慮，在罐頂設(shè)置5個(gè)壓力檢測(cè)點(diǎn)，并設(shè)置3套獨(dú)立的液位測(cè)量儀表，分別為1套伺服液位計(jì)、1套雷達(dá)液位計(jì)、1套高高報(bào)警液位開關(guān)。從安全性來看，設(shè)置1套專用的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，用于壓力及液位的安全聯(lián)鎖控制，同時(shí)進(jìn)一步考慮到系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，應(yīng)使儲(chǔ)罐處于安全狀態(tài)，在現(xiàn)場(chǎng)和控制室還設(shè)置了緊急停車按鈕。

值得注意的是，在國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第40號(hào)令實(shí)施之前（自2011年12月1日起施行），筆者所在單位設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中，安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)由DCS實(shí)現(xiàn)；該規(guī)定實(shí)施后，根據(jù)規(guī)定中危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源分級(jí)方法，計(jì)算得出分級(jí)指標(biāo)R為337.8，屬于一級(jí)，根據(jù)要求應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的SIS，故安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)應(yīng)由SIS實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語

目前，國內(nèi)低溫儲(chǔ)存裝置呈現(xiàn)出大型化和多樣性趨勢(shì)，并且由于存儲(chǔ)大量的低溫?zé)N類介質(zhì)，裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是該類裝置設(shè)計(jì)和操作的最重要問題之一。作為維護(hù)低溫儲(chǔ)存各系統(tǒng)安全運(yùn)行的控制技術(shù)，必須與低溫儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展相匹配，不僅要求技術(shù)先進(jìn)，而且要求成熟和安全可靠。筆者通過對(duì)典型的低溫乙烯儲(chǔ)罐的控制要點(diǎn)和控制方法進(jìn)行說明，力求幫助設(shè)計(jì)者充分了解工藝特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化和完善儲(chǔ)罐的安全控制技術(shù)，從而促進(jìn)低溫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的整體水平有所提高。

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