重大危險源罐區(qū)安全儀表的升級與改造

李傳真

重大危險源罐區(qū)安全儀表的升級與改造

李傳真

（中海油東方石化有限責任公司，海南 東方 572600）

近年來，隨著石油化工項目規(guī)模擴大，國家安全監(jiān)管總局對涉及“兩重點一重大”的危險化學品儲存裝置高度重視，相繼頒布了相關(guān)標準規(guī)范和指導意見。以某煉化企業(yè)重大危險源罐區(qū)安全儀表升級改造為例，從項目的設(shè)計、施工、驗收全流程出發(fā)，闡述了升級改造的內(nèi)容和原因，分析選擇合適的安全儀表系統(tǒng)。

重大危險源；罐區(qū)；安全儀表系統(tǒng)；升級改造

隨著自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，煉化產(chǎn)業(yè)的規(guī)模日益擴大，液化烴儲罐容積和布置趨于大型化發(fā)展。工業(yè)過程控制和工廠都更加關(guān)注影響人身財產(chǎn)和社會環(huán)境的潛在事故。面對這些需求，重大危險源罐區(qū)安全儀表的增設(shè)就顯得格外必要。而近年來我國發(fā)生的重大化工危險化學品事故（如7·16大連輸油管道爆炸事故、1·7蘭州石化公司火災爆炸事故）均與罐區(qū)儲罐安全儀表失效或設(shè)置不當有關(guān)。

1 項目背景

為了加強安全儀表系統(tǒng)（SIS）管理，充分利用SIS的安全保護手段，預防重特大事故，降低事故損失，按照安監(jiān)總管三[2016]62號《遏制危險化學品和煙花爆竹特大事故工作意見》“自2017年1月1日起，凡是構(gòu)成一級二級重點危險源，未涉足緊急停車（緊急切斷）功能的危險化學品罐區(qū)，一律停止使用”的要求，某公司在集團公司安全儀表系統(tǒng)管理檢查時檢查出其涉及“兩重點一重大”的儲存裝置丙烯、液化氣罐區(qū)雖設(shè)有緊急切斷閥，但聯(lián)鎖設(shè)置在DCS內(nèi)，未建立獨立的安全儀表系統(tǒng)；現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行機構(gòu)安全儀表等級也不夠SIL等級要求等問題，需要升級改造。

2 前期準備

2.1 危險與可操作性分析

早在2013年和2014年，國家相繼頒布《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工過程安全管理的指導意見》（安監(jiān)總管三[2013]88號）、《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》（安監(jiān)總管三[2014]116號），意在組織開展安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估，同時逐步完善安全儀表系統(tǒng)管理制度和內(nèi)部規(guī)范。

88號文指出對涉及“兩重點一重大”的審查儲存裝置進行風險辨識分析，要采用HAZOP技術(shù)，一般每3年進行一次。

依據(jù)《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—2018），該公司的丙烯罐區(qū)、液化氣罐區(qū)均構(gòu)成危險化學品一級重大危險源，涉及2個罐區(qū)，12個球形儲罐，并增設(shè)SIS系統(tǒng)。在進行危險與可操作性分析中，對工藝流程進行全面的評估，確認風險因素會導致的嚴重后果，并提出須要設(shè)置報警和儀表安全聯(lián)鎖，作為SIL定級的設(shè)計輸入。

2.2 SIL定級

SIL定級就是確定SIF安全儀表功能的安全儀表等級。依據(jù)HAZOP分析結(jié)果，采用基于事故場景的半定量方法——即LOPA方法進一步評估保護層的有效性。根據(jù)影響人員安全、環(huán)境安全和造成的經(jīng)濟損失來對可能產(chǎn)生的后果和事故發(fā)生頻率進行評估，確定出相應的安全功能等級，將風險控制到企業(yè)允許的范圍之內(nèi)[1]。定級結(jié)果是安全要求規(guī)格書（SRS）的一部分，是安全儀表系統(tǒng)設(shè)計、采購、功能驗證、測試、確認的依據(jù)。

一個完整的安全儀表系統(tǒng)應包括傳感器、邏輯控制單元、最終執(zhí)行機構(gòu)3個部分，所以其安全儀表系統(tǒng)的安全等級是由構(gòu)成SIS系統(tǒng)的,3個單元的SIL來確定的。

SIL裝置= SIL傳感器+ SIL邏輯單元+SIL執(zhí)行機構(gòu)。

例如傳感器為SIL2級，而SIL2每年故障概率平均值為0.01~0.001，取中間值為0.005；邏輯單元為SIL3級，取中間值為0.000 5；執(zhí)行機構(gòu)為SIL1級，取中間值為0.05，則：

PFDavg= 0.005+ 0.000 5+ 0.05=0.055 5

安全等級與系統(tǒng)發(fā)生故障概率（PFDavg）在IEC61508與IEC61511中做出了規(guī)定，如表1所示。

表1 SIL等級與故障概率對應表

綜上所述，可以初步確定整個回路安全儀表等級為SIL1級。通俗地說，裝置的安全度等級由其構(gòu)成的3個單元中最低的SIL等級決定。

依據(jù)該公司2019年6月的罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)評估安全完整性等級（SIL）選擇分析報告，根據(jù)危險發(fā)生的概率和危險發(fā)生時帶來危害程度，最后得出丙烯罐區(qū)、液化氣罐區(qū)的安全儀表等級為SIL1級別。

2.3 SIS的設(shè)計及選型

2.3.1 SIS 系統(tǒng)選型

由于該改造項目屬于舊罐區(qū)改造項目，為了方便SIS系統(tǒng)并網(wǎng)，同時適應全廠控制系統(tǒng)備件管理，進而節(jié)約成本，故采用了對已有 SIS 系統(tǒng)利舊并進行適應性擴容改造和系統(tǒng)組態(tài)。原SIS系統(tǒng)為霍尼韋爾公司的Safe Manager系統(tǒng)，采用了由 TUV 安全認證 SIL3 的QMR四重化的安全可編程序控制器完成裝置的聯(lián)鎖保護或緊急停車（ESD）。按照故障安全型設(shè)計，屬于SIS 系統(tǒng)中技術(shù)先進、成熟可靠的產(chǎn)品。 同時，本次SIS選型考慮到未來其他罐區(qū)后續(xù)可能增設(shè)SIS，為滿足其容量需求，也考慮了預留通道和系統(tǒng)負荷等問題，處理器與數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)負載需要控制在40%范圍內(nèi)，電源負載能力控制在50%以內(nèi)，軟件與通信系統(tǒng)擴展能力控制在30%以內(nèi)[2-3]。

2.3.2 現(xiàn)場儀表選型

現(xiàn)場儀表選型應考慮丙烯、液化氣介質(zhì)易燃易爆的特點，滿足過程測量與控制的精度、壓力和溫度、腐蝕性的要求，以及所處區(qū)域的防爆、防護等級的要求。同時在選擇儀表測量原理和類型方面，應充分結(jié)合其他相關(guān)標準要求，如《易燃易爆罐區(qū)安全監(jiān)控預警系統(tǒng)》（GB17681—1999）中指出“液體儲罐必須配置液位檢測儀表，同一儲罐至少配備兩種不同類型的液位檢測儀表。儲存易燃易爆介質(zhì)的儲罐，應配備高、低液位報警回路，必要時應配有液位與相關(guān)工藝參數(shù)之間的聯(lián)鎖系統(tǒng)”[4]。

3 改造實施

3.1 聯(lián)鎖邏輯及控制方案

罐區(qū)改造SIS系統(tǒng)高液位聯(lián)鎖邏輯圖如圖1所示，儲罐的高高液位開關(guān)由 SIS 系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)閉相應進料罐線的氣動切斷閥，以保證儲罐的安全。

低低液位聯(lián)鎖邏輯圖如圖2所示。低低液位開關(guān)由 SIS 系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)閉相應出罐線的氣動切斷閥并聯(lián)鎖停泵P-01至P-06，并關(guān)閉相應泵出口管線電動閥，引入出罐線的氣動切斷閥閥位全開狀態(tài)作為輸入條件，以免停用或其他異常工況時，引起聯(lián)鎖，導致誤關(guān)閥、停泵以至于影響生產(chǎn)。每個液位開關(guān)信號在系統(tǒng)內(nèi)增加延時，為避免因未知原因?qū)е碌男盘柌▌?，對于系統(tǒng)聯(lián)鎖判斷造成影響，引起聯(lián)鎖，導致誤關(guān)閥、停泵以至于影響造成生產(chǎn)。液位開關(guān)信號延時時間根據(jù)儲運專業(yè)條件設(shè)為5 s。

圖2 低液位聯(lián)鎖邏輯圖

3.2 改造施工內(nèi)容

已經(jīng)明確SIS定級原則和聯(lián)鎖邏輯后，將本次SIS改造分為現(xiàn)場傳感器、邏輯控制單元、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)3個部分進行升級和改造。罐區(qū)SIS改造示意圖見圖3。

圖3 罐區(qū)SIS改造示意圖

3.2.1 傳感器

球罐的連通管上原設(shè)有高高、低低兩浮球液位開關(guān)，但浮球液位開關(guān)屬于機械式液位計，其安全儀表等級不能滿足設(shè)計定級，故將所有原有浮球液位開關(guān)更換為音叉液位開關(guān)（SIL2），原每臺浮球液位開關(guān)有上下兩片法蘭連接，新音叉液位開關(guān)采用原浮球液位下法蘭安裝，同時為音叉液位開關(guān)安裝150 mm長法蘭短管，原浮球液位上法蘭安裝法蘭蓋盲死。新增音叉液位開關(guān)利舊原有浮球液位開關(guān)電纜，但電纜進入機柜間的DCS系統(tǒng)改為接入機柜間的新增的SIS系統(tǒng)。

3.2.2 邏輯控制單元

原控制系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)控制，本次升級改造后，將液位開關(guān)、切斷閥、機泵控制完全引入獨立SIS中，增加了安全儀表系統(tǒng)的可靠性，有效降低系統(tǒng)發(fā)生故障概率對生產(chǎn)安全影響。

3.2.3 現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)

球罐進出管線原有氣動閘板閥由于不滿足安全儀表等級，故更換為雙向密封氣動平行雙閘板閘閥（SIL2）。新閥門利舊原有電纜，進入機柜間的DCS系統(tǒng)改為接入機柜間的新增的SIS系統(tǒng)。同時利舊原有供氣管線、供氣設(shè)施及儲氣罐。同時為現(xiàn)場新閥門增設(shè)了防火罩，因為按照《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》（SH/T3005—2016）中要求“當工藝安全對緊急切斷閥有防火保護要求時，用于緊急切斷閥的氣動執(zhí)行機構(gòu)及附件應有防火保護措施，首選安裝防火保護罩，防火保護罩應符合UL1709標準，能夠在1 093 ℃下，抵抗烴類火災30 min”[5]。

除此之外，現(xiàn)場還在防火堤外增設(shè)了現(xiàn)場緊急切斷按鈕（SIL2）與球罐進出管線閥門一一對應，新增現(xiàn)場緊急切斷按鈕設(shè)立于原有防火堤外遠程手動關(guān)閥按鈕旁。

4 驗收與維護

SIS系統(tǒng)施工完成后，并不意味著安全儀表功能永久安全，仍需對其進行相應的驗收和維護[6]。驗收方面，《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》中對應IEC61508和IEC61511標準，明確指出了有資質(zhì)的安全儀表認證機構(gòu)，如上海儀器儀表研究所SITIIAS認證、德國TüV認證、美國EXIDA、Bureau Veritas法國必維等安全儀表認證。用戶需針對SIL認證報告開展相應的功能安全審核，確保其認證報告編號與現(xiàn)場實物一致，認證時期未失效，SIL認證等級滿足設(shè)計定級，相關(guān)的附件如電磁閥、安全柵、繼電器等是否符合SIL認證及PFD系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。

維護方面，需制定維護計劃及策略，定期檢驗測試回路，對實現(xiàn)安全功能的安全相關(guān)系統(tǒng)的系統(tǒng)性失效、硬件失效進行功能安全評估，以判定安全功能是否滿足安全要求規(guī)格書（SRS）的要求。

5 改造意義

本次改造是企業(yè)首次在重大危險源罐區(qū)配備獨立的安全儀表系統(tǒng)，對于企業(yè)方面滿足了企業(yè)總部和政府安監(jiān)部門的檢查要求，確保了企業(yè)安全生產(chǎn)的合法性，幫助企業(yè)順利換發(fā)了安全生產(chǎn)許可證。同時，通過功能安全評估，對高風險場景有效預防控制，優(yōu)化工藝裝置的操作規(guī)程，有效提高工藝裝置的運行安全，科學合理確定SIS系統(tǒng)中各聯(lián)鎖的SIL等級，針對性配置，提高項目改造的經(jīng)濟性，節(jié)約成本。

對于員工而言，通過功能安全評估，幫助員工深刻理解本裝置的過程風險，有效提高員工的安全意識和能力，有助于保障人身安全。

6 結(jié)束語

罐區(qū)安全儀表的升級和改造作為提升設(shè)備設(shè)施完整性工作的一部分，受到的重視和關(guān)注越來越高。石油化工重大危險源罐區(qū)危險性較大，如不甚發(fā)生次生事故，將造成企業(yè)和社會的巨大經(jīng)濟損失。國家安全監(jiān)管總局三司也相繼推出法規(guī)條文指導意見，意在加強罐區(qū)安全儀表人才培養(yǎng)工作，提高企業(yè)罐區(qū)安全儀表管理維護水平。在罐區(qū)安全生產(chǎn)管理中，應采取多種手段措施確保安全系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，充分保護企業(yè)的經(jīng)濟效益和人身安全。

［1］ 翟羽鵬，張冬梅，王金昭．SIS系統(tǒng)在丙烯罐區(qū)裝置中的應用[J]．吉林化工學院學報，2014，31（3）：10-13．

［2］ 趙運昕．石油化工重大危險源SIS系統(tǒng)安全功能設(shè)計[J]．石化技術(shù)，2019（4）：216-217.

［3］劉偉，蘇成利，任泓.安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計[J].當代化工，2012，41（12）：1358-1360.

［4］ GB17681—1999，易燃易爆罐區(qū)安全監(jiān)控預警系統(tǒng)[S].

［5］ SH/T3005—2016，石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S]．

［6］ 陳羅漢．重大危險源罐區(qū)新增SIS的改造應用[J]．當代化工研究，2020（6）：100-101.

Upgrade and Transformation of Safety Instruments in Tank Farms With Major Hazards

（CNOOC Dongfang Petrochemical Co., Ltd., Dongfang Hainan 572600, China）

In recent years, with the expansion of petrochemical projects, the State Administration of Work Safety has attached great importance to hazardous chemical storage devices involving "two important points and one major", and has successively issued relevant standards and guidelines. In this article, taking the upgrade and transformation of safety instrumentation in a major hazardous source tank farm of a refining and chemical enterprise as an example, starting from the whole process of project design, construction, and acceptance, the content and reasons of the upgrade and transformation were explained, and the appropriate safety instrument system was analyzed and selected.

Major hazard sources; Tank farm; Safety instrumented system; Upgrading

2020-12-16

李傳真（1988-），男，滿族，遼寧省撫順市人，中級職稱， 2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學測控技術(shù)與儀器專業(yè)，研究方向：儀器儀表自動化。

TQ056

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1004-0935（2021）06-0795-04