常壓低溫乙烯儲罐的安全儀表系統設計

王冰

（南京揚子石油化工設計工程有限公司，南京210048）

1 概 述

常壓低溫儲運是指低溫介質在接近沸點溫度和常壓條件下的儲存和運輸。由于具有儲存壓力低、易于建造大容積儲罐（單臺儲罐容量可達1.6×105m3），適合遠距離輸送等優點，目前廣泛地用于乙烯、丙烯及LNG等原料的儲存。低溫儲運技術國外在20世紀60—70年代就開始應用，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。

典型的乙烯常壓低溫儲運裝置由乙烯儲罐、氣相乙烯液化回收、乙烯輸出三部分組成，如圖1所示。

由于儲存的是易燃、易爆介質，并且儲存溫度較低（乙烯儲罐儲存溫度為－104℃），介質在受到外界溫度和操作環境作用下極易氣化升壓，對系統的安全運行造成不利的影響。因此，乙烯低溫儲罐無疑是其中最關鍵的設備，一旦發生危險，帶來的危害將是災難性的。

筆者以江蘇某2×104m3乙烯常壓低溫儲罐為例，探討常壓低溫乙烯儲罐的安全儀表設計。

2 安全儀表系統的設計要求

根據IEC 61511的定義，典型的風險降低方法包含了控制、防護及減災的各種手段，如圖2所示，從內到外分別是工藝層、監控層、風險預防層、風險后果減輕層、工廠應急響應層以及社會應急響應層六個層次。在工藝層，需對存儲系統進行合理地工藝設計和保冷手段，保證最基本的安全。同時，還應采用安全可靠的系統監測、控制和保護系統，充分發揮監控層及風險預防層的作用，從而將風險降至最低，保障裝置安全運行。除此之外，其他保護層的功能應通過一些預案、制度等措施來保障。

為了加強危險化學品重大危險源的安全監督管理，防止和減少危險化學品事故的發生，保障人民群眾生命財產安全，國家安全生產監督管理總局在2011年8月5日發布了第40號令《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》，該規定對IEC 61511定義的保護層都有相關規定，其中涉及監控層和風險預防層的規定中，要求根據重大危險源的危險程度，配置相應的安全儀表系統（SIS）。

圖1 乙烯常壓低溫儲罐流程示意

圖2 典型的風險降低方法示意

SIS是指用儀表實現安全功能的系統，包括傳感器、邏輯運算器、執行機構以及相關的設備和軟件。對于安全部分的儀表，IEC 61508給出了全面的電氣／電子／可編程電子系統功能安全管理的框架，并用安全完整性等級（SIL）來說明安全相關系統的安全目標，它的主要目標是預測安全相關系統運行時的故障概率。

安全系統應該具有的SIL是通過對受控系統進行風險分析得到的。根據IEC 61511，SIL通過定性風險評估技術和半定量風險評估技術來確定。定性的方法是使用工程判斷和個人經驗來做出選擇；定量的方法要求對安全功能的動作頻率和后果都通過定量的方式給出，同時允許的風險也是定量的。這兩種方法各有長處，應用時可根據實際需要選擇合適的風險分析方法。常見的風險分析方法包括危險與可操作性分析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，獲得危險事件以及其所造成的風險后果，從而進一步通過定性和半定量的風險評估方法來確定風險的控制方案。

3 風險分析

依據IEC 61508，在設計SIS前，必須首先對過程進行危險和風險分析，以確定過程及相關裝置的危險事件或可能發生的潛在危險事件，危險事件可能導致的相應后果以及危險事件可能發生的概率。

與其他類型儲罐相比，低溫儲罐除液位、壓力需檢測外，還有罐壁、罐底的低溫介質多點溫度檢測，由于單一組分的乙烯不存在罐內不均勻分布的問題，故溫度的變化不會對儲罐安全產生影響。因此，儲罐壓力、液位控制將直接影響到儲罐的安全。如何將壓力、液位控制在一定的范圍內，將是大家應當直接面對的課題。

3.1 儲罐壓力變化

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

1）影響儲罐壓力升高的因素。從環境吸收的熱量，包括正常吸熱及火災狀況；乙烯進罐操作產生的翻滾效應以及容積置換效應；大氣壓降低導致表壓升高。

2）影響儲罐壓力降低的因素。乙烯出罐操作產生的容積置換；BOG壓縮機運行；大氣壓升高導致表壓降低。

如果儲罐壓力變化超過了正常的范圍，就會產生超壓或負壓情況。無論超壓或負壓，都將嚴重威脅儲罐的安全，甚至會出現儲罐破裂從而導致乙烯外泄的可能。

3.2 儲罐液位的變化

儲罐液位變化相對單一，即隨著液態乙烯的進出罐操作，儲罐液位也相應地升高或降低。如果液位過高，將發生冒罐事故，乙烯將泄漏到環境中，成為爆炸危險源，嚴重威脅人員財產安全；同時過高的液位也可能出現BOG壓縮機吸入口帶液的問題，可能損壞機械設備。反之，如果液位過低，將發生儲罐抽空的現象，同樣危及儲罐的安全。

4 風險控制

經過以上風險分析，確定必須對過程危險事件采取必要的措施進行風險降低，即從監控層、風險預防層以及風險后果減輕層出發，確定相應的安全功能來達到必要的風險降低要求，同時根據風險降低要求來確定相應安全功能的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儲罐壓力和液位進行分析，確定風險控制的方案。

4.1 儲罐壓力控制

南京揚子石油化工設計工程有限公司多年來一直從事低溫儲運裝置的設計和建設工作，積累了豐富的工程設計經驗，通過不斷地升級改進，對于罐壓的控制，有了較為成熟的控制方案，包括常規控制和聯鎖控制。

4.1.1 常規控制

1）設儲罐壓力調節回路，調節進罐乙烯流量。在乙烯進料操作工況下，將儲罐壓力控制在24kPa。當儲罐壓力高于24kPa時，減小進罐管線調節閥開度直至全關，減少進罐乙烯流量，從而減少容置效應，降低儲罐壓力。

2）設儲罐壓力調節回路，調節乙烯BOG至尾氣焚燒系統流量，將儲罐壓力控制在27kPa。當儲罐壓力高于27kPa時，增加至尾氣焚燒系統調節閥開度直至全開，將部分氣相乙烯排入尾氣焚燒系統，達到降低儲罐壓力的目的。

3）設操作聯鎖控制，用于常規儲運時的壓力控制。當儲罐壓力高于20kPa時，啟動BOG壓縮機，將罐內的部分BOG抽走，經過加壓、冷卻、液化后再返回儲罐內，以降低罐內壓力；當儲罐壓力低于17kPa時，停止BOG壓縮機，以防止儲罐壓力的繼續下降。

4.1.2 聯鎖控制

當常規控制無法滿足儲罐正常運行的需要，以至于出現較為極端的工藝狀況時，就必須利用儀表安全聯鎖以及機械保護設備來保證儲罐的安全運行，方案如下：

1）設儲罐進料聯鎖切斷閥。在乙烯進料操作工況下，如果儲罐壓力無法通過PID控制在安全運行范圍內，當儲罐壓力高于28kPa時，關閉進料切斷閥，切斷儲罐進料，以降低儲罐乙烯進料對罐壓升高產生的影響。

2）設BOG壓縮機入口管線切斷閥，用于儲罐壓力降低時的保護。當儲罐壓力低于5kPa時，關閉切斷閥，切斷儲罐與BOG壓縮機間的管路連接。

3）設補充氮氣管線切斷閥。當儲罐壓力低于4kPa時，打開切斷閥，向儲罐中充入氮氣以防止儲罐壓力進一步降低。

4）設一級安全閥。當罐壓升高至29kPa時，打開安全閥，將BOG排入尾氣焚燒系統，達到降低儲罐壓力的目的。

5）設二級安全閥。當罐壓升高至30kPa時，打開安全閥，將BOG排入大氣。

6）設破真空閥。當罐壓下降至－5kPa時，真空閥打開，向罐內補充空氣，以保護儲罐結構不受破壞。

4.2 儲罐液位控制

儲罐液位主要是防止溢流，通過研究國際和國家標準、工程實踐經驗、社會和環境等因素后，選定該系統的安全目標為溢流概率小于10－4次／年。

以下將采用半定量分析方法中的ETA方法對系統進行分析，ETA是建立從初始事件到可能引發的結果的邏輯描述圖。

在該系統中初始事件為罐液位過高，根據可靠數據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：液位檢測故障、液位高報失效、操作員未響應、進料切斷閥失效。表1列出了各個部分的失效概率（PFD）。

表1 系統各部分PFD

在現有安全措施下儲罐過液位的事件樹如圖3所示。

圖3 儲罐過液位的事件樹示意

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

由式（1）的計算結果可知現有的安全措施，不能滿足系統安全目標的要求，因而必須對儲罐液位增加新的安全措施，以達到安全目標的要求。要使溢流概率小于10－4次／年，則對應的風險降低估算如下：

根據SIL的分類描述，設計的SIS應至少為SIL1。為了達到該安全等級，可以在系統中增設液位檢測儀表，提高檢測的準確性，并使用1套完整性等級至少為SIL1的SIS。

根據IEC 61508要求，在SIS設計完成后必須對系統進行驗證，確定其是否滿足安全功能要求。如果沒有達到要求，則必須對SIS進行改進，直到所設計的SIS完全能夠滿足安全功能的要求。在該系統中，增加SIS后溢流的事件樹如圖4所示。

圖4 增設安全措施后儲罐過液位的事件樹示意

通過對改進后系統的事件樹模型進行分析可知，增加SIS后溢流事故的概率為事件4，7，10發生概率的總和，即：

因此，新增的SIS降低了溢流事故率，提升了原有系統的安全水平，達到了預期安全目標。

5 安全儀表策略

通過以上討論，考慮到乙烯罐儲存大量易燃、易爆的烴類介質，危險性極大，設計上應保證儲罐壓力、溫度檢測的準確性和控制的安全性。從檢測的準確性角度考慮，在罐頂設置5個壓力檢測點，并設置3套獨立的液位測量儀表，分別為1套伺服液位計、1套雷達液位計、1套高高報警液位開關。從安全性來看，設置1套專用的安全聯鎖控制系統，用于壓力及液位的安全聯鎖控制，同時進一步考慮到系統發生事故時，應使儲罐處于安全狀態，在現場和控制室還設置了緊急停車按鈕。

值得注意的是，在國家安全生產監督管理總局第40號令實施之前（自2011年12月1日起施行），筆者所在單位設計的項目中，安全聯鎖控制系統由DCS實現；該規定實施后，根據規定中危險化學品重大危險源分級方法，計算得出分級指標R為337.8，屬于一級，根據要求應設置獨立的SIS，故安全聯鎖控制系統應由SIS實現。

6 結束語

目前，國內低溫儲存裝置呈現出大型化和多樣性趨勢，并且由于存儲大量的低溫烴類介質，裝置的安全、穩定運行是該類裝置設計和操作的最重要問題之一。作為維護低溫儲存各系統安全運行的控制技術，必須與低溫儲存技術的發展相匹配，不僅要求技術先進，而且要求成熟和安全可靠。筆者通過對典型的低溫乙烯儲罐的控制要點和控制方法進行說明，力求幫助設計者充分了解工藝特點，進一步優化和完善儲罐的安全控制技術，從而促進低溫儲運技術的整體水平有所提高。

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