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安全仪表系统在氯碱项目中的运用

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《氯碱工业》2017年第10期

摘要:对氯碱项目的安全仪表系统的设计过程进行了介绍,举例说明了氯碱项目的HAZOP分析结合风险矩阵分析的结果,根据此结果确定了进入安全仪表系统的联锁回路以及联锁回路的安全完整性等级,为氯碱项目的安全仪表系统的设计提供参考。

关键词:安全仪表系统;氯碱项目;HAZOP;分析

氯碱项目一般包含离子膜烧碱装置、乙炔装置、VCM装置和PVC装置,是传统的化工项目。过去,氯碱项目中各装置均采用基本的过程控制系统DCS完成仪表的控制功能,仅有个别装置如PVC装置会设置ESD(紧急停车系统)用于紧急情况的联锁停车。近几年,国家对安全和环境的重视程度不断加强,连续出台了安监总局令(第40号令)、安监总管三[2013]76号,对重点监管的危险化工工艺、重点监管危险化学品和危险化学品重大危险源项目的设计提出了更高的要求。第40号令要求涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或者二级重大危险源,配备独立的安全仪表系统[1];76号文要求涉及重点监管危险化工工艺的大、中型新建项目要按照GB/T21109和GB50770等相关标准开展安全仪表系统设计[2]。氯碱项目中,离子膜烧碱装置的电解工艺、VCM装置的乙炔和氯化氢的加成氯化工艺,以及PVC装置的聚合工艺等都属于国家安全监管总局重点监管的危险化学工艺[3],因此现在新建的氯碱项目必须按要求设计安全仪表系统。

1安全仪表系统简介

1.1安全仪表系统

安全仪表系统,简称SIS,在GB/T21109及IEC61511中的定义为:用来实现一个或几个仪表安全功能(SIF)的系统,SIS可以由传感器,逻辑解算器,最终元件的任何组合组成,可以包含或不包含软件。其中,逻辑解算器是安全仪表系统的核心,逻辑解算器可以由电气/电子/可编程电子系统构成。在实际的生产过程中,安全仪表系统通过传感器监视生产过程的状态,利用逻辑解算器判断生产过程是否出现发生某种潜在危险的条件,当出现危险的条件时,采用最终元件自动执行其规定的安全功能,防止危险事件发生。安全仪表系统的存在并不能完全消除风险,而是通过采取必要的风险降低措施将生产过程的风险降低到可接受的程度。安全仪表系统独立于基本过程控制系统(如,DCS等),独立完成仪表安全功能。在GB/T21109及IEC61511中已明确,基本控制系统不执行任何具有SIL≥1的安全仪表功能,基本过程控制系统也不具有安全保护功能。

1.2安全完整性等级

安全完整性等级,在GB/T21109及IEC61511中的定义为:用来规定分配给安全仪表系统的仪表安全功能的安全完整性要求的离散等级(4个等级中的一个)。SIL4是安全完整性的最高等级,SIL1为最低等级。因而安全完整性等级可视作对安全仪表系统执行其安全功能的能力的一种衡量。安全完整性等级的确定取决于风险分析与评估的结果。由于安全完整性等级针对特定的安全功能,因此,如果一个安全仪表系统中包含了若干实现不同安全功能的回路,每个回路都应有自己的安全完整性等级。石油化工工厂或装置的安全完整性等级一般不高于SIL3。

2安全仪表系统在氯碱项目中的应用

配备安全仪表系统是最近几年国家对氯碱项目提出的新的设计要求,设计人员存在一个对其进行认识、学习并运用的过程。目前我公司设计安全仪表系统的流程大体是:运用HAZOP分析方法对工艺装置进行工艺过程危险分析,找出潜在的危害,结合风险矩阵,得出危害事件发生的风险等级,风险等级高的联锁回路进入安全仪表系统,并根据风险的等级确定联锁回路中每个仪表安全功能的安全完整性等级,最后进行安全仪表系统的具体设计。

2.1HAZOP分析

安全仪表系统的作用,就是将危险事件发生的风险降低到可接受的程度,从而保证被控设备处于安全状态。因此,要设计合理有效的安全仪表系统,必须对被控对象进行危险辨识及风险分析。设计中,为了降低风险,对各装置的工艺流程采取了层层控制措施,也即独立保护层。一般典型的化工厂的保护层见图1,氯碱化工厂也是如此。从图1可以看出,化工装置在一般的工艺过程外,设置有基本的过程控制系统(通常使用分散控制系统DCS),对流程中的流量、液位、压力等进行调节控制等,并设置了操作过程中的工艺参数的报警等提示操作工进行干涉,这之外的保护层就是安全仪表系统,当操作工进行干涉无果,仪表监测出潜在的危险工艺状态达到设定值时,则启动联锁控制回路切断或打开联锁阀门等,保护设备及人员的安全。对被控对象进行危险辨识及风险分析,就是对联锁回路在无SIS保护层的前提下,将工艺过程本质安全、操作员调节和被动物理防护层的失效作为可能的危险场景起因进行分析并消除辨识到的风险,同时也不考虑应急响应层的失效,因为评估的目标就是事故止于不需要启动该保护层。HAZOP分析作为工业过程危险分析的方法之一,近几年,在我国化工装置中得到了大力推广。安监总管三76号文中规定:涉及“两重点一重大”的建设项目,必须在基础设计阶段开展HAZOP分析。采用HAZOP分析方法辨识危险和进行风险分析,除了要依据政府和氯碱行业管理的法规要求、生产装置的特点、工艺的危险性等,还要综合考虑工厂操作经验的多寡等因素。HAZOP分析一般由设计人员、操作人员、QSHE管理人员以及分析专家组成小组,对每一个分析节点,从偏离出发,反向检查分析导致偏离的原因,正向检查偏离导致的不利后果,识别现有的安全措施,进行风险评估,如果风险不可接受,提出相应的建议措施。HAZOP分析方法属于定性分析,该方法只能定性判断系统中是否存在危险,并不能给出危险发生的频率和后果的严重程度。而设计中,并不是将所有存在风险的节点的联锁回路全部设计进入安全仪表系统。在某些情况下,危险事件发生的风险已经处于容许的最低水平之内,这时不需要任何进一步的风险降低措施;或者其它保护措施的存在足以将风险降低到容许的范围之内,这时都不需要设置进入安全仪表系统。在综合考虑其它保护措施的情况下,认为仍然风险较高,则将其联锁回路设置进入安全仪表系统。因此,在进行HAZOP分析时,找出工艺过程存在的危险后,还需要对危险进行定性或定量的评估,才能为合理地确定进入安全仪表系统的联锁回路、确定仪表安全功能(即通常所称的“联锁”)的安全完整性等级提供依据。对危险进行定性分析的方法主要有风险矩阵和风险图法。将风险矩阵和HAZOP分析结合起来,运用风险矩阵对HAZOP分析中的危险发生的频率、后果严重程度等综合分析,最终得到可能的危险。

2.2进入SIS的典型联锁回路及SIL等级

经过上述风险分析与评估后,最终确定进入安全仪表系统的联锁回路以及联锁回路的安全完整性等级。需要强调的是,安全完整性等级是对整个系统而言,包括输入输出环节上的所有串联设备(部件)都应该纳入考虑的范畴[4]。整个系统的安全完整性等级由最低级的环节决定,任何一个环节降低了等级,则意味着整个安全仪表系统的等级降低。

2.3SIS系统的设计

根据风险分析与评估的结果,以上回路的安全完整性等级为SIL2,除设置独立的逻辑解算器(SIS系统)外,以上回路的传感器和最终元件都独立设置,不与基本过程控制系统(DCS)等其它过程控制系统共用。一般来说,如果一个回路的各组成环节,例如传感器、逻辑解算器、最终元件等都分别满足SIL2的要求,那么这个回路通常也满足SIL2的要求。但一个回路整体是否满足SIL等级要求,需要通过计算进行验证。如果通过计算,确定一个回路总体的PFD满足SIL2的要求,那么这个回路就满足了SIL2的要求,如果计算的结果显示回路无法满足SIL2的要求,那么可以通过改变回路结构,例如,采取NooM的结构等,降低某个环节的PFD,达到降低回路整体PFD的目的,最终使回路满足SIL等级的要求。以上回路中,某些回路的最终元件为电机等,通常会将电气回路中的执行断电动作的继电器作为最终环节,以此来进行回路构建和验证。

3结语

根据我国对“两重点一重大”建设项目的安全要求,新上氯碱项目都单独设置了安全仪表系统,使得氯碱化工厂的安全联锁可靠性大大增强。将HAZOP分析与风险矩阵相结合,不仅能对工艺流程中的危险进行识别,并且能对危险进行定性的分析,丰富HAZOP分析结果的同时也实现其分析的完整性,为安全仪表系统的设计提供了依据。安监总管三[2014]116号要求从2018年1月1日起,所有新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施要设计符合要求的安全仪表系统。同时,对现役装置安全仪表系统不满足功能安全要求的,要列入整改计划限期整改[5]。这使得以后设计安全仪表系统的装置范围更广,对安全仪表系统的可靠性和规范性要求更高,对设计人员的风险分析和控制、安全仪表系统的设计实施提出了更高的要求。

4参考文献

[1]国家安全生产监督管理总局令第40号危险化学品重大危险源监督管理暂行规定(2015年修正)[S].

[2]安监总管三〔2013〕76号住房城乡建设部关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知[S].

[3]安监总管三〔2009〕116号关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知[S].

[4]龚义文.安全仪表系统在化工装置中的应用[J].自动化仪表,2010,12(17):50-54.

[5]安监总管三〔2014〕116号关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见[S].

作者:张雪轻;罗倩;符锦丽;赵雯婷;黄泽茂 单位:中国成达工程有限公司

氯碱工业杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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