陳榮剛，馬金博

(1.中海油銷售南通有限公司，江蘇 南通 226004；2.中海油銷售滁州有限公司，安徽 滁州 239400)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速提升，大型石化項(xiàng)目紛紛推進(jìn)，以滿足日益提高的人民生活需求。成品油庫(kù)儲(chǔ)存了大量用于銷售的成品油，有發(fā)生火災(zāi)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。例如，江蘇德橋倉(cāng)儲(chǔ)“4·22”火災(zāi)事故，導(dǎo)致1名消防員犧牲，直接經(jīng)濟(jì)損失2532.14萬(wàn)元，由于事故儲(chǔ)罐未配備緊急切斷系統(tǒng)，導(dǎo)致事故沒(méi)有在第一時(shí)間得到有效控制并迅速蔓延。國(guó)家安全監(jiān)管總局發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》(安監(jiān)總管三 〔2014〕 116號(hào))要求，從2018年1月1日起，所有新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施要設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)[1]。國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于印發(fā)《化工和危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》和《煙花爆竹生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的通知(安監(jiān)總管三 〔2017〕121號(hào))，明確了構(gòu)成一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)未實(shí)現(xiàn)緊急切斷功能的屬于重大生產(chǎn)安全隱患[2]。

2018年，安徽省某石油公司收購(gòu)某油庫(kù)，為滿足國(guó)家對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施的要求，提高油庫(kù)運(yùn)行的自動(dòng)化水平及安全性，于2021年對(duì)其進(jìn)行安全升級(jí)改造，以確保油庫(kù)合規(guī)性經(jīng)營(yíng)。

1 成品油庫(kù)的基本情況

該油庫(kù)建設(shè)于2003年，現(xiàn)有各類立式常壓儲(chǔ)罐20座，改造后總罐容為2.8萬(wàn) m3，為三級(jí)庫(kù)，單罐罐容570～2500 m3，主要倉(cāng)儲(chǔ)經(jīng)營(yíng)汽油、柴油、乙醇(用于乙醇汽油調(diào)和)等甲B和丙類易燃液體。罐區(qū)共劃分為三個(gè)罐組，根據(jù)GB 18218—2018 《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》，分別判定為四、二、三級(jí)重大危險(xiǎn)源，具體劃分如表1所示。

表1 罐區(qū)重大危險(xiǎn)源等級(jí)劃分

該油庫(kù)主要工藝流程為：成品油由鐵路油罐車或公路槽車運(yùn)輸，停靠鐵路棧橋或者公路卸車區(qū)，利用鐵路/公路卸油泵進(jìn)行卸油入罐，再由儲(chǔ)罐通過(guò)埋地管道，利用專用裝車泵輸至裝車臺(tái)，對(duì)槽車進(jìn)行灌裝，具體流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

該油庫(kù)原自動(dòng)化程度較低，僅有PLC儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1套，且無(wú)連續(xù)液位監(jiān)測(cè)液位計(jì)。每臺(tái)儲(chǔ)罐僅有外貼式高低液位報(bào)警開(kāi)關(guān)，且故障率和誤報(bào)率較高，儲(chǔ)罐根部進(jìn)出液管道分別安裝二臺(tái)電動(dòng)閥門，閥門啟閉行程時(shí)間不滿足緊急切斷要求，相關(guān)設(shè)備均無(wú)SIL認(rèn)證。

2022年2月17日，國(guó)務(wù)院安委會(huì)辦公室發(fā)布《關(guān)于印發(fā)落實(shí)大型油氣儲(chǔ)存基地安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施工作方案等6個(gè)工作方案的通知》(安委辦 〔2022〕 3號(hào))[3]，要求在2022年6月30日前完成緊急切斷閥系統(tǒng)問(wèn)題整改，對(duì)未按期完成整改的企業(yè)，依法跟進(jìn)執(zhí)法措施。因此，本次罐區(qū)自動(dòng)化改造中涉及2#罐組部分進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)改造，同時(shí)對(duì)1#罐組增設(shè)緊急切斷閥。

2 成品油庫(kù)安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該油庫(kù)HAZOP分析及SIL定級(jí)評(píng)估報(bào)告，對(duì)40個(gè)SIF回路進(jìn)行了SIL定級(jí)評(píng)估分析，其中SIL1級(jí)12個(gè)，SILa級(jí)28個(gè)(無(wú)需設(shè)置SIS)，如表2所示。

表2 SIL定級(jí)評(píng)估匯總表

SIF回路的檢測(cè)系統(tǒng)，由音叉液位開(kāi)關(guān)構(gòu)成。根據(jù)IEC 61508[4]控制器結(jié)構(gòu)和安全系統(tǒng)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 邏輯控制器結(jié)構(gòu)和安全系統(tǒng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

該油庫(kù)主要接卸鐵路/公路成品油，并進(jìn)行公路槽車發(fā)貨，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)表2和表3，僅2#罐組定級(jí)為SIL1，采用“1oo1(一取一)”邏輯控制方式滿足安全相關(guān)要求并具有良好的經(jīng)濟(jì)性。SIS系統(tǒng)操作關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖2 SIS系統(tǒng)操作關(guān)系示意圖

1#、2#罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)各回路緊急切斷聯(lián)鎖關(guān)系如表4所示。

表4 SIS系統(tǒng)緊急切斷的聯(lián)鎖關(guān)系

對(duì)1#罐組：儲(chǔ)罐的高高液位報(bào)警發(fā)出報(bào)警信號(hào)，判定儲(chǔ)罐出液已經(jīng)接近儲(chǔ)罐的液位上限，罐進(jìn)液電動(dòng)閥門關(guān)閉，卸車泵、掃艙泵停止運(yùn)行同時(shí)緊急停車。儲(chǔ)罐的低低液位報(bào)警發(fā)出報(bào)警信號(hào)，判定儲(chǔ)罐出液已經(jīng)接近儲(chǔ)罐的液位下限，罐出液電動(dòng)閥門關(guān)閉，發(fā)油泵同時(shí)緊急停車。

對(duì)2#罐組：儲(chǔ)罐的高高液位報(bào)警發(fā)出報(bào)警信號(hào)，判定儲(chǔ)罐出液已經(jīng)接近儲(chǔ)罐的液位上限，罐進(jìn)液電液閥門關(guān)閉，卸車泵、掃艙泵停止運(yùn)行同時(shí)緊急停車。儲(chǔ)罐的低低液位報(bào)警發(fā)出報(bào)警信號(hào)，判定儲(chǔ)罐出液已經(jīng)接近儲(chǔ)罐的液位下限，罐出液電動(dòng)閥門關(guān)閉，發(fā)油泵同時(shí)緊急停車。

對(duì)儲(chǔ)罐發(fā)生緊急情況，如巡線過(guò)程，操作人員發(fā)現(xiàn)某儲(chǔ)罐管線發(fā)生泄漏，可以通過(guò)防火堤外對(duì)應(yīng)手動(dòng)ESD實(shí)現(xiàn)快速緊急操作。

全場(chǎng)性緊急情況可通過(guò)控制室安全儀表系統(tǒng)操作按鈕或手動(dòng)ESD實(shí)現(xiàn)全廠緊急停車。

對(duì)SIS回路的聯(lián)鎖，同時(shí)設(shè)置手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，以保證觸發(fā)聯(lián)鎖的狀態(tài)消失后，必須通過(guò)操作人員確認(rèn)，才可以重新開(kāi)車[5]。

3 安全儀表系統(tǒng)在成品油庫(kù)改造應(yīng)用

3.1 執(zhí)行系統(tǒng)改造內(nèi)容

對(duì)成品油庫(kù)1#、2#罐組14臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了隱患整改，從而消除重大安全生產(chǎn)隱患，具體改造內(nèi)容如下。

(1)緊急切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般分為氣動(dòng)、電動(dòng)和電液等幾種形式。其中電子/電氣部分的防爆等級(jí)[6]及防護(hù)等級(jí)[7]不應(yīng)低于安裝場(chǎng)所的工況要求ExdⅡBT4，外殼防護(hù)等級(jí)不應(yīng)低于IP65。由于該油庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)儀表風(fēng)氣源，本次改造采用電液、電動(dòng)閘閥作為安全儀表系統(tǒng)切斷閥(如圖3所示)，其中SIL1級(jí)SIF回路采用SIL2級(jí)電液閘(如圖4所示)，SILa級(jí)SIF回路采用電動(dòng)閘閥作為切斷閥(如圖5所示)。1#罐組儲(chǔ)罐根部進(jìn)、出口管線增加電動(dòng)切斷閥16臺(tái)，2#罐組儲(chǔ)罐根部進(jìn)出口管線增加電液切斷閥6臺(tái)，電動(dòng)切斷閥6臺(tái)。電液、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為揚(yáng)州恒春電子有限公司生產(chǎn)，防爆等級(jí)為ExdⅡBT4，防護(hù)等級(jí)為P68，電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)認(rèn)證滿足IEC 61508規(guī)定的SIL2級(jí)(TUV認(rèn)證)，具備失電或故障自動(dòng)關(guān)閉功能。

圖3 新增緊急切斷閥

圖4 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖5 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

(2)鑒于蝶閥的閥瓣和球閥的閥球在長(zhǎng)期運(yùn)行保位后，存在銹蝕被卡塞的可能，導(dǎo)致啟閉阻力較大，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱保護(hù)甚至卡死，同時(shí)閥門閉合件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，摩擦接觸面積較大，運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后可靠性會(huì)降低。因此緊急切斷閥閥門采用閘閥，閥門口徑為DN100～DN150，壓力等級(jí)為PN16，閥體為鑄鋼閥體，滲漏等測(cè)試與檢驗(yàn)應(yīng)符合API 607、API 598標(biāo)準(zhǔn)[8]。

(3)電液緊急切斷閥全行程關(guān)閉時(shí)間小于10 s。

(4)電液緊急切斷閥選用故障安全型，為故障關(guān)閉型閥門(FC型)。

(5)每臺(tái)電液切斷閥在防火堤外安裝對(duì)應(yīng)ESD手動(dòng)報(bào)警按鈕(如圖6所示)。

圖6 罐區(qū)ESD操作開(kāi)關(guān)

(6)儲(chǔ)罐液位開(kāi)關(guān)及閥門開(kāi)關(guān)信號(hào)引入SIS系統(tǒng)內(nèi)，閥門回訊信號(hào)接入PLC系統(tǒng)。

(7)電液/電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均具有遠(yuǎn)程/本地操作及切換功能。

(8)儲(chǔ)罐緊急切斷閥安裝在儲(chǔ)罐進(jìn)、出口第一道閥門處，與儲(chǔ)罐無(wú)任何剛性/柔性連接。

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)改造內(nèi)容

14臺(tái)儲(chǔ)罐高高、低底液位開(kāi)關(guān)均采用江蘇杰創(chuàng)科技有限公司JC-KA1系列音叉液位開(kāi)關(guān)，防爆等級(jí)為ExdⅡCT6，均具有SIL2等級(jí)認(rèn)證，如圖7和圖8所示。

圖7 低低音叉液位開(kāi)關(guān)

圖8 高高音叉液位開(kāi)關(guān)

3.3 安全儀表系統(tǒng)改造內(nèi)容

本次改造增設(shè)1套安全儀表系統(tǒng)，獨(dú)立于庫(kù)區(qū)工藝操作PLC系統(tǒng)，正常工作情況下對(duì)1#、2#罐組共14臺(tái)儲(chǔ)罐的液位情況進(jìn)行不間斷監(jiān)控，判斷儲(chǔ)罐的操作情況及風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)并預(yù)警，通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐進(jìn)、出液閥門的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而防止或降低風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，減少人員傷害或經(jīng)濟(jì)損失。新增安全儀表系統(tǒng)滿足以下要求：

(1)新增安全儀表系統(tǒng)(SIS)用于執(zhí)行安全聯(lián)鎖保護(hù)、緊急停車系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)；

(2)本次改造采用和利時(shí)科技集團(tuán)有限公司研發(fā)的HiaGuard安全儀表系統(tǒng)，具備TUV萊茵SIL3/SC3級(jí)認(rèn)證；

(3)安全儀表系統(tǒng)采用三取二帶診斷架構(gòu)(2oo3D)，并允許3—2—0降級(jí)運(yùn)行；

(4)安全儀表系統(tǒng)的I/O模塊采用TMR冗余容錯(cuò)架構(gòu)，供電(1+1)、通訊模塊、I/O模塊可冗余配置；

(5)具備事件記錄(SOE)及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

4 安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 安全完整性等級(jí)驗(yàn)證

通過(guò)exSILentiarua?軟件對(duì)本次改造安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示，該系統(tǒng)SIL等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 SIL等級(jí)驗(yàn)證結(jié)果

4.2 注意事項(xiàng)

根據(jù)IEC61511保護(hù)層分析方法(LOPA)，安全儀表系統(tǒng)位于“本質(zhì)安全設(shè)計(jì)”“BPCS連續(xù)調(diào)節(jié)維持正常范圍聯(lián)鎖動(dòng)作”“關(guān)鍵報(bào)警和人員響應(yīng)”之后，處于保護(hù)層的第四層，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中以開(kāi)啟狀態(tài)為主。為避免閥門設(shè)備因故障失靈對(duì)生產(chǎn)工藝造成影響，故在日常操作過(guò)程中要定期校驗(yàn)和維護(hù)：

(1)本次改造安全設(shè)計(jì)采用“1oo1”的表決結(jié)構(gòu)，定期對(duì)執(zhí)行器、傳感器子系統(tǒng)進(jìn)行檢修，保證安全儀表系統(tǒng)的完整、完好，避免故障-關(guān)閉行為導(dǎo)致憋壓等安全隱患；

(2)定期對(duì)切斷閥進(jìn)行啟閉操作，避免緊急切斷閥長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)，造成復(fù)位彈簧過(guò)疲勞，進(jìn)而造成閥門關(guān)閉不嚴(yán)；

(3)加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)和演練，提高操作人員的故障維修和應(yīng)急處置能力。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)相關(guān)要求對(duì)該成品油油庫(kù)14臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了安全儀表系統(tǒng)改造，獨(dú)立設(shè)置安全儀表系統(tǒng)(SIL3)，加裝了電動(dòng)閥和SIL2級(jí)液位開(kāi)關(guān)，特別是涉及二級(jí)重大危險(xiǎn)源的6臺(tái)汽油儲(chǔ)罐分別安裝了SIL2級(jí)的電液閥。通過(guò)驗(yàn)算該系統(tǒng)達(dá)到SIL1級(jí)要求，降低二級(jí)重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)性，確保油庫(kù)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

不足之處在于，本系統(tǒng)執(zhí)行部分采用電液、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其在耐火等級(jí)等方面均不滿足UL1709防火標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。故在后續(xù)工作中需增加符合要求的防火設(shè)施，以確保設(shè)備在極端工況下能夠正常運(yùn)行。