楊慎軍

(中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣東廣州 510620)

0 前言

大型儲罐區(qū)容量大，能量集中，事故風(fēng)險(xiǎn)高，一旦發(fā)生事故極易造成重大經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會影響[1-2]。2010年1月7日，某公司合成橡膠廠儲罐未配置緊急切斷系統(tǒng)，碳四物料大量泄漏，無法切斷底閥，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。2010年7月16日，某公司原油罐區(qū)輸油管道發(fā)生爆炸，未設(shè)置緊急切斷系統(tǒng)，進(jìn)出油管線上的電動操作閥失電保持原位無法切斷，人員很難靠近罐根手動閥，大量原油泄漏并引發(fā)大火。

目前，《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(國家安全監(jiān)管總局令第40號)、《化工和危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》(安監(jiān)總管三〔2017〕121號)要求，構(gòu)成一級、二級重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)，因事故后果嚴(yán)重，各儲罐均應(yīng)設(shè)置緊急停車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)緊急切斷功能；涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級、二級重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)應(yīng)配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)。以上文件只是要求設(shè)置緊急切斷，但并沒有給出具體的設(shè)置方案。本文通過分析不同情況下緊急切斷系統(tǒng)的特點(diǎn)，對系統(tǒng)的組成、設(shè)置原則及應(yīng)用中遇到的問題展開探討，旨在提出有效的罐區(qū)緊急切斷系統(tǒng)配置方案，提升罐區(qū)安全水平。

1 緊急切斷系統(tǒng)總體設(shè)置

1.1 基本組成

在儲罐發(fā)生異常工況(如罐頂溢油、浮盤落底、防火堤池火、管線泄漏)時(shí)，通過測量儀表感知危險(xiǎn)狀態(tài)，將信號傳輸?shù)竭壿嬁刂破鬟M(jìn)行處理，進(jìn)而發(fā)出指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作。因此，儲罐緊急切斷系統(tǒng)應(yīng)由測量儀表、邏輯控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合而成，這樣能夠保證在緊急狀態(tài)下，通過手動或自動實(shí)現(xiàn)閥門快速切斷，避免罐區(qū)發(fā)生重大泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故。

1.2 測量儀表與邏輯控制器

儲罐運(yùn)行參數(shù)主要包括儲罐液位、進(jìn)出站管道壓力等，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生異常且將要達(dá)到不可控狀態(tài)時(shí)，測量儀表應(yīng)將聯(lián)鎖停車信號準(zhǔn)確傳輸至邏輯控制器。測量儀表包含各種工藝參數(shù)檢測傳感器，傳輸類型主要包括模擬量信號(4～20 mA)、數(shù)字量信號(0/24 V)、熱電偶/熱電阻信號等。邏輯控制器用于接收現(xiàn)場測量儀表傳輸?shù)墓に囘\(yùn)行信號，進(jìn)行邏輯判斷，發(fā)出命令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

應(yīng)在危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)的基礎(chǔ)上，開展緊急切斷系統(tǒng)的安全完整性等級評估(SIL)，并根據(jù)SIL評估結(jié)論對其進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)SIL評估結(jié)果無SIL需求時(shí)，測量儀表、邏輯控制器可與基本過程控制系統(tǒng)共用；當(dāng)SIL評估結(jié)果為1級時(shí)，測量儀表可與基本過程控制系統(tǒng)共用，可采用單一測量儀表；邏輯控制器宜與基本過程控制系統(tǒng)分開，可采用冗余邏輯控制器；當(dāng)SIL評估結(jié)果為2級時(shí)，測量儀表宜與基本過程控制系統(tǒng)共用，邏輯控制器應(yīng)與基本過程控制系統(tǒng)分開，宜采用冗余測量儀表和冗余邏輯控制器；當(dāng)SIL評估結(jié)果為3級時(shí)，測量儀表、邏輯控制器都應(yīng)與基本過程控制系統(tǒng)分開。在測量儀表供電方面，當(dāng)SIL評估結(jié)果大于等于1級時(shí)，測量儀表需滿足：①當(dāng)采用內(nèi)供電方式時(shí)，由緊急切斷系統(tǒng)邏輯控制單元卡件直接供電；②當(dāng)采用外供電方式時(shí)，由電氣系統(tǒng)或緊急切斷系統(tǒng)邏輯控制單元電源系統(tǒng)直接供電，并不應(yīng)由其他過程控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)供電。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動型、電液型、電動型3種[3-4]，其中氣動型與電液型執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足故障安全原則。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為單作用彈簧式和雙作用式，如圖1和圖2所示。由于儲罐緊急切斷閥多為常開狀態(tài)，單作用彈簧式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧長期壓縮，容易產(chǎn)生疲勞，造成彈簧失效或者恢復(fù)力不足等問題，建議3～5年對彈簧側(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)進(jìn)行彈簧維護(hù)。當(dāng)采用雙作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用儲氣罐作為緊急切斷氣源；沒有儲氣罐時(shí)，就需要對執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其附件做防火保護(hù)措施，保證在火災(zāi)情況下能夠接收到緊急切斷命令并執(zhí)行切斷動作。在實(shí)際應(yīng)用中，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5]的電磁閥故障、儀表風(fēng)管道泄漏、氣缸腐蝕狀態(tài)等多依靠現(xiàn)場檢查，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，事故狀態(tài)下存在失效風(fēng)險(xiǎn)。隨著“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”建設(shè)的推進(jìn)，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)一步增加自我診斷及通訊功能，監(jiān)測閥門開度、儀表風(fēng)壓力、電磁閥狀態(tài)(如電流值、電壓、反應(yīng)時(shí)間)、內(nèi)部溫度等，及時(shí)進(jìn)行維修保養(yǎng)。對于常開型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具備部分行程測試功能，實(shí)現(xiàn)定期局部動作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)動作隱患。

圖1 單作用彈簧式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖2 雙作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6-7]主要包括集成型電液動力裝置、蓄能設(shè)備、手動操作裝置、電磁閥組、接線盒、電控箱以及其它附件，如圖3所示，蓄能設(shè)備能夠在火災(zāi)、泄漏等異常工況下提供緊急切斷能量。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在應(yīng)用中，由于部分廠家過于追求低成本，電磁閥內(nèi)漏大、安全完整性等級低，加工、裝配質(zhì)量控制較差，液壓控制流程設(shè)計(jì)時(shí)未考慮相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，液壓系統(tǒng)內(nèi)漏、外漏較多，造成蓄能設(shè)備保壓能力差、常開閥門掉壓誤關(guān)斷等問題。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)明確以下要求：用于執(zhí)行緊急切斷命令的電磁閥單獨(dú)設(shè)置，采用內(nèi)漏率低且具有安全完整性等級SIL2及以上認(rèn)證的電磁閥；蓄能設(shè)備的保壓時(shí)間不應(yīng)低于45天，可自主實(shí)現(xiàn)補(bǔ)壓，同時(shí)具有閥位自穩(wěn)定功能。

圖3 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷電時(shí)只能保位，不能實(shí)現(xiàn)緊急切斷，不具備故障安全狀態(tài)[8]，不滿足緊急切斷系統(tǒng)需求。如果采用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緊急切斷功能，需配備應(yīng)急電源(如UPS、EPS、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組等)，在電力中斷情況下進(jìn)行供電，同時(shí)考慮火災(zāi)時(shí)應(yīng)急電源的使用、多個(gè)儲罐同時(shí)著火下的電源功率匹配等因素。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其動力電纜、控制電纜應(yīng)做防火保護(hù)，滿足烴類火(1 093 ℃)測試要求，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部溫度不超過電氣元件失效溫度(80 ℃)，關(guān)閥之前執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電纜不被火焰破壞。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)依靠齒輪傳動原理來實(shí)現(xiàn)閥門啟閉，尤其是閥門直徑超過300 mm時(shí)，電動關(guān)閥時(shí)間長，儲罐泄漏或火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)將會增大。

2 管線水擊保護(hù)措施

考慮到執(zhí)行緊急切斷時(shí)，關(guān)閥時(shí)間較短，易發(fā)生管線水擊，應(yīng)當(dāng)配置相應(yīng)的水擊保護(hù)措施。水擊波在原油中的傳播速度為1 000 m/s，在柴油中的傳播速度為900 m/s，在汽油中傳播速度為800 m/s，因此，一旦發(fā)生水擊，造成的危害較大。在對緊急切斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行水擊計(jì)算，防止地面管道折彎處，因水擊發(fā)生變形和破壞[9-12]。在石油化工石油庫罐區(qū)，對與上、下游生產(chǎn)裝置直接相連的儲罐，實(shí)現(xiàn)與上、下游裝置的報(bào)警通訊；如果設(shè)置緊急切斷可能導(dǎo)致上游生產(chǎn)裝置超壓等異常情況時(shí)，通過設(shè)置緊急切換的方式，必要時(shí)可設(shè)置緊急泄壓和物料回收裝置。

在儲罐設(shè)計(jì)時(shí)，為減輕地震及基礎(chǔ)沉降對進(jìn)出管線的影響，罐根閥前常設(shè)置柔性連接，金屬軟管是一種常用的柔性連接方式，金屬軟管的公稱壓力不低于所連接管道的設(shè)計(jì)壓力。金屬軟管在出廠前進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，當(dāng)采用水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力為公稱壓力的1.5倍；當(dāng)采用氣壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力為公稱壓力的1.15倍。當(dāng)柔性連接或管線有拐彎時(shí)，可能存在潛在的水擊危害。目前，罐區(qū)常用的水擊保護(hù)措施分為超前保護(hù)、泄放保護(hù)和緊急停車3種[13-16]。

2.1 超前保護(hù)

當(dāng)發(fā)生閥門突然打開或者關(guān)閉、輸油泵組突然停止等異常工況時(shí)，也容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。在管線發(fā)生正水擊時(shí)，通過水擊系統(tǒng)控制機(jī)泵及相應(yīng)閥門發(fā)出一個(gè)負(fù)水擊波，實(shí)現(xiàn)對管線內(nèi)的正水擊波的攔截，將管線壓力保持在允許范圍內(nèi)。

2.2 泄放保護(hù)

主要通過設(shè)置水擊泄放閥[17-18]來實(shí)現(xiàn)泄放保護(hù)，當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到泄放閥設(shè)定壓力時(shí)，泄放閥會迅速開啟。水擊泄放閥主要分為自力式和非自力式。典型的自力式水擊泄放閥是先導(dǎo)式，如圖4所示，主要用于成品油管道；典型的非自力式水擊泄放閥是氮?dú)馐絒19]，如圖5所示，多用于原油管道、港口油輪裝卸及罐區(qū)的水擊保護(hù)。長周期運(yùn)行下，彈簧會發(fā)生塑性變形，造成彈簧恢復(fù)力不足，因此，應(yīng)定期開展測試。

圖4 先導(dǎo)式水擊泄放閥[17]

圖5 氮?dú)馐剿畵粜狗砰y[17]

當(dāng)超前保護(hù)和泄放保護(hù)仍無法抑制水擊時(shí)，將會執(zhí)行全管線緊急停車。

3 結(jié)論

在危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)的基礎(chǔ)上開展緊急切斷系統(tǒng)的安全完整性等級評估(SIL)，根據(jù)SIL評估結(jié)論對測量儀表、邏輯控制器進(jìn)行設(shè)置。具備氣源的工況下，可采用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)增加自我診斷功能，監(jiān)測閥門開度、氣缸狀態(tài)、電磁閥狀態(tài)等，及時(shí)進(jìn)行維修保養(yǎng)。在不具備可靠氣源的工況下，從故障安全原則、智能化角度考慮，首選電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)置緊急切斷系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行水擊計(jì)算，通過合理設(shè)置保護(hù)措施，預(yù)防水擊危害。