蘭天，柳永剛

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

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安全儀表系統(tǒng)在氯乙酸項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蘭天，柳永剛

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

河北某50kt/a氯乙酸項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)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(shí)生產(chǎn)規(guī)模大、流程長(zhǎng)、工藝復(fù)雜，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，可能會(huì)造成難以估量的損失，嚴(yán)重影響居民生活[1-4]。生產(chǎn)過(guò)程中主要使用DCS進(jìn)行集中操作管理和分散控制，對(duì)超限過(guò)程參數(shù)設(shè)置聲光報(bào)警和聯(lián)鎖系統(tǒng)。為了進(jìn)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(guò)對(duì)氯乙酸生產(chǎn)過(guò)程中的危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)，確定了裝置的安全完整性等級(jí)(SIL)，進(jìn)行了危險(xiǎn)與可操作性(HAZOP)分析，設(shè)置了聯(lián)鎖控制優(yōu)先級(jí)別更高、與裝置安全等級(jí)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(guò)程中更為重要的安全控制措施[1-3,5]。

1氯乙酸項(xiàng)目危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)

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(xiǎn)特性，且數(shù)量等于或超過(guò)臨界量，為危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源。長(zhǎng)期的生產(chǎn)、加工、使用或儲(chǔ)存過(guò)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(cái)產(chǎn)損失。因此，有效辨識(shí)和加強(qiáng)管理上述危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源對(duì)防止重大事故的發(fā)生具有重要意義[6]。

1.1辨識(shí)依據(jù)

根據(jù)GB 18218—2009《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》規(guī)定： 單元內(nèi)存在的危險(xiǎn)物質(zhì)為多品種時(shí)，按下式計(jì)算，若滿足下式，則定為重大危險(xiǎn)源：

m1/M1+m2/M2+…+mn/Mn≥1

(1)

式中：m1,m2, …,mn——每種危險(xiǎn)物質(zhì)實(shí)際存在量；M1,M2, …,Mn——與各危險(xiǎn)物質(zhì)相對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)場(chǎng)所和儲(chǔ)存區(qū)的臨界量。

該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)涉及的危險(xiǎn)化學(xué)品包括氯氣、醋酸、氯化氫等，危險(xiǎn)化學(xué)品臨界量及實(shí)際存在量見(jiàn)表1所列。氯乙酸生產(chǎn)過(guò)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(chǔ)存。

表1　危險(xiǎn)化學(xué)品臨界量及實(shí)際存在量

通過(guò)計(jì)算，該項(xiàng)目液氯罐區(qū)危險(xiǎn)化學(xué)品實(shí)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(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源。

1.2重大危險(xiǎn)源分級(jí)

單元內(nèi)各種危險(xiǎn)化學(xué)品實(shí)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(jí)指標(biāo)：

R=α×(β1×m1/M1+

β2×m2/M2+…+

βn×mn/Mn)

(2)

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

該項(xiàng)目單元內(nèi)危險(xiǎn)化學(xué)品主要為氯氣，設(shè)定校正系數(shù)α=1.2，根據(jù)重大危險(xiǎn)源單元邊界向外擴(kuò)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(xiǎn)源分級(jí)計(jì)算為

R=α×(β×m/M)=1.2×4.0×23.52=113

該項(xiàng)目液氯罐區(qū)危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源為一級(jí)重大危險(xiǎn)源，需要設(shè)置相應(yīng)安全完整性等級(jí)的SIS。

2氯乙酸生產(chǎn)項(xiàng)目的HAZOP分析

HAZOP是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，針對(duì)裝置工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)的危害辨識(shí)技術(shù)，是目前工藝危害辨識(shí)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(huì)議的形式對(duì)裝置工藝過(guò)程的危險(xiǎn)和操作性問(wèn)題進(jìn)行分析。HAZOP分析的直接對(duì)象是工藝或操作的特殊點(diǎn)，這些特殊點(diǎn)稱為“分析節(jié)點(diǎn)”或工藝單元或操作步驟。對(duì)于每一“分析節(jié)點(diǎn)”，HAZOP分析組以正常操作運(yùn)行的工藝(狀態(tài))參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，分析運(yùn)行過(guò)程中工藝(狀態(tài))參數(shù)的變動(dòng)(即偏離)，同時(shí)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(xiàng)目HZAOP分析

分析實(shí)施過(guò)程可以分為三個(gè)主要階段： 分析準(zhǔn)備、分析會(huì)議、分析報(bào)告。為了有效地進(jìn)行HAZOP分析，根據(jù)工藝管道儀表流程圖(P&ID)和實(shí)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(shí)按照逐個(gè)設(shè)備、管線或操作劃分為分析節(jié)點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照?qǐng)D1所示逐項(xiàng)分析，并由會(huì)議記錄人員精確記錄分析討論過(guò)程中的重要內(nèi)容。分析會(huì)后對(duì)會(huì)議記錄結(jié)果進(jìn)行整理、匯總，提煉出恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，形成HAZOP分析報(bào)告，提出應(yīng)采取的補(bǔ)充建議和措施。

2.3結(jié)論

經(jīng)過(guò)分析，確定在氯乙酸生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(dú)立設(shè)置SIS，將液氯儲(chǔ)罐、生產(chǎn)緩沖罐等的主要工藝參數(shù)送入SIS進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警、緊急事故切斷和聯(lián)鎖。

3SIS的設(shè)計(jì)

3.1SIS構(gòu)成

1個(gè)SIS回路包含1個(gè)或多個(gè)安全儀表功能SIF(safety instrumented function)，硬件由3個(gè)部分組成： 傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，進(jìn)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(jì)SIL等級(jí)，有效地評(píng)估功能安全，避免SIS的拒動(dòng)作與誤跳車現(xiàn)象。評(píng)估SIL的主要參數(shù)是平均危險(xiǎn)故障率PFD(probability of failure on demand)，按其從高到低依次分為1～4級(jí)。在石化行業(yè)中一般涉及的只有1,2,3級(jí)，因?yàn)镾IL4級(jí)投資大，系統(tǒng)復(fù)雜，一般只用于核電行業(yè)。詳細(xì)分類見(jiàn)表2所列。

表2　SIL等級(jí)與故障幾率對(duì)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(huì)超過(guò)1次。當(dāng)然，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，由于操作習(xí)慣等因素而造成的影響，SIS可能每年動(dòng)作多次。經(jīng)過(guò)專家結(jié)合氯乙酸生產(chǎn)流程的討論和分析，確定該項(xiàng)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(jì)

為保證液氯罐區(qū)液氯汽化裝置的安全生產(chǎn)，液氯儲(chǔ)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(jì)的SIS采用PLC進(jìn)行聯(lián)鎖控制，分別設(shè)置與液位、壓力、溫度聯(lián)鎖的開(kāi)關(guān)球閥和電磁閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緊急事故切斷和聯(lián)鎖功能，選擇的檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等需滿足IEC 61508 SIL或TUV AK(德)相應(yīng)SIL等級(jí)認(rèn)證。

SIS整體包括現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器，按照故障安全型設(shè)計(jì)： 現(xiàn)場(chǎng)觸點(diǎn)應(yīng)開(kāi)路報(bào)警，正常操作條件下閉合；現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器聯(lián)鎖時(shí)不帶電，正常操作條件下帶電。儀表檢測(cè)元件和取源點(diǎn)獨(dú)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(gè)SIS開(kāi)關(guān)閥(如液位聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)閥)和帶電磁閥的1個(gè)調(diào)節(jié)閥加1個(gè)SIS開(kāi)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(hào)偏差報(bào)警，其中2個(gè)變送器的信號(hào)偏差，報(bào)警設(shè)定值為5%。

SIS的聯(lián)鎖控制獨(dú)立于DCS設(shè)置，可與DCS進(jìn)行通信，但DCS不能通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向SIS寫(xiě)入數(shù)據(jù)。為避免SIS和DCS的信號(hào)接線出現(xiàn)差錯(cuò)，SIS配置獨(dú)立的控制機(jī)柜、工程師站、操作員站、獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)等。SIS采用冗余電源，由獨(dú)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(shí)必須獲得國(guó)家有關(guān)防爆、計(jì)量、壓力容器等強(qiáng)制認(rèn)證；嚴(yán)禁使用任何試驗(yàn)產(chǎn)品。設(shè)計(jì)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(shí)，SIS進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉液氯儲(chǔ)罐切斷閥和熱水儲(chǔ)罐溫度調(diào)節(jié)閥，停止液氯儲(chǔ)罐向液氯汽化器輸送液氯；同時(shí)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(xiǎn)，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(chǔ)罐的液位高于設(shè)定值時(shí)，SIS進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉液氯儲(chǔ)罐進(jìn)料閥，切斷液氯儲(chǔ)罐進(jìn)料；SIS同時(shí)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(chǔ)罐進(jìn)料閥，切斷液氯儲(chǔ)罐進(jìn)料，防止儲(chǔ)罐液氯泄漏造成危險(xiǎn)，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(chǔ)罐聯(lián)鎖控制邏輯示意

SIS設(shè)計(jì)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(guò)程中沒(méi)有一次因SIS誤動(dòng)作造成停車。

4結(jié)束語(yǔ)

在化工氯乙酸項(xiàng)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(jì)、選型、使用和維護(hù)中需要嚴(yán)格遵循安全標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范[7-8]。河北某50kt/a氯乙酸項(xiàng)目自設(shè)計(jì)投產(chǎn)應(yīng)用以來(lái)，SIS工作穩(wěn)定可靠，操作維護(hù)方便，同時(shí)根據(jù)企業(yè)自身的實(shí)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(shí)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(zhǎng)周期、穩(wěn)定生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用。

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摘要：針對(duì)某50kt/a氯乙酸生產(chǎn)項(xiàng)目詳細(xì)進(jìn)行了危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)，對(duì)工藝流程主要生產(chǎn)裝置分節(jié)點(diǎn)完成了危險(xiǎn)與可操作性(HAZOP)分析，確定了液氯儲(chǔ)存和汽化裝置的安全完整性等級(jí)(SIL)，對(duì)裝置的主要控制參數(shù)進(jìn)行了分析，具體設(shè)計(jì)了液氯儲(chǔ)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(yùn)行。設(shè)計(jì)的SIS在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)行情況良好，保證了項(xiàng)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(diǎn)。

關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)重大危險(xiǎn)源辨識(shí)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(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)03-0013-04

作者簡(jiǎn)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(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于福斯特惠勒(河北)工程設(shè)計(jì)有限公司，從事石油化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-02-12。