特種設備安全防護技術在煤化工行業的應用

＊宋耀武 李強 張昱 劉俞辰*

（1.內蒙古工業大學 化工學院 內蒙古 010051 2.內蒙古天潤化肥股份有限公司 內蒙古 017100）

內蒙古西部地區因得天獨厚的煤炭資源優勢，成為國家“十三五”規劃重點發展的新型煤化工基地。內蒙古重點發展的14個煤化工園區，鄂爾多斯就占了4個。僅鄂爾多斯地區就有47家煤化工企業，占內蒙古西部同類企業的61.8%[1]。該地區的主要產品有煤制油、煤制天然氣，煤制烯烴、甲醇、乙二醇以及以煤為主要原料生產的尿素、合成氨等產品。上述產品多屬于危險化學品（以下簡稱危化品）。生產危化品的成套裝置中，普遍使用著鍋爐、壓力容器（含氣瓶）、壓力管道等承壓類特種設備，因而構建一整套全面的安全防護系統，對煤化工企業的安全平穩運行，保護生命財產不受損失，具有重要的意義。本文依托“特種設備安全防護系統功能安全保障關鍵技術研究”項目（2018YFC080 8900）課題一“特種設備安全防護系統故障模式及預防關鍵技術研究（2018YFC0808901）”，借鑒近年來國內外工業領域研究熱點之一——功能安全管理思想[2-3]，結合氣化爐、反應器等一些煤化工行業關鍵設備實例，針對防護對象（受控設備），分析其存在的危險源，識別防護對象的危險有害因素，從安全層級的角度，建立了承壓式特種設備安全防護系統。下面從功能安全及相關標準、特種設備安全防護體系的建立以及該系統在煤化工領域的應用實例等方面進行闡述。

1.功能安全及相關標準簡介

功能安全是一種基于風險的安全技術和管理模式。風險評估是實施功能安全管理的前提，安全完整性等級是功能安全技術的體現，安全生命周期是功能安全管理的方法。關于功能安全的國際標準有IEC61508和用于石油、化工等過程工業的IEC61511等，我國等同采用的標準是GB/T20438-2017《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》和GB/T21109-2007《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》兩個推薦性標準[3]。雖然這些標準是針對安全儀表系統（安全相關系統）的，但其基本原理可用于其他安全系統[4]。

2.氣化爐裝置安全防護體系建立示例

(1)安全防護對象的風險辨識

首先，確定受控設備，即安全防護對象；其次，辨識其危險源，并劃分危險源種類。目前，關于危險源分類，并沒有明確的國家標準，大多數參考GB 13861-2009《生產過程危險和有害因素分類與代碼》及GB 6441-1986《企業職工傷亡事故分類》的內容。根據GB/T 45001-2020《職業健康安全管理體系要求及使用指南》，其對危險源的定義是：可能導致傷害和健康損害（對人的生理、心理或認知狀況的不利影響）的來源。作者嘗試把各種帶有能量的物質（如壓力能、化學能、熱能等等）均劃為一類，即含能物質，則危險源總體分為含能物質、毒性物質、窒息物質和其它四大類；然后，由不同類別的危險源，參照事件樹評價法，分析其可能導致的傷害。

以核心裝置氣化爐為例，其介質有煤漿、CO、O2、H2、H2S等，工作壓力屬中壓等級（按壓力容器壓力等級劃分），工作溫度1000℃以上，因而存在壓力能、化學能、熱能等含能物質危險源；同時又有毒性物質、窒息物質和其它類別，如粉塵等。

圖1是氣化爐的含能物質危險源可能導致的事故危害類別示例。其反應壓力較高，故氣體的壓力能存在設備超壓（物理性）爆炸危險；化學能危險源則存在化學性爆炸、著火危險；熱能危險分析見圖。以上能量均可能導致人員傷害、設備損壞（或停運）、環境污染等事故危害。

圖1 氣化爐的含能物質危險源可能導致的事故傷害類別

(2)不同層級安全防護措施的采用

根據上述方法，抽絲剝繭地分析了各類危險源可能存在的危險情況種類和對應事故危害類別。我們的最終目的，是要明確對應于不同的事故危害類別，需要采取哪些安全防護措施，這樣才能從根本上杜絕安全生產事故的發生。

本文提到的安全防護措施，是指除了設備設計、制造和成熟工藝流程及工藝參數狀態監控等基本保障之外為預防事故發生采取的防護措施，包括防止（主動）措施、減緩（被動）措施，以及必要的程序安全措施和個體防護措施，這是按照安全防護層級逐級升高的思路進行特種設備系統分析的方法[6-7]。

上述安全防護措施，不僅是緊急停車系統、燃燒器管理系統、火災和氣體安全系統、高完整性壓力保護系統等以安全保護和抑制減災為目的的安全儀表系統（SIS）[8]，還需要完善各項安全管理制度和日常安全操作規程，把人為的因素綜合考慮進去，才能真正實現安全生產。要構建一套完整的特種設備安全防護體系，需要明確防護對象（特種設備），分析危險源，并辨別其危險、有害因素，識別危險、危害種類及其危害程度，最終確定應采取何種安全防護措施。這是基于功能安全理念、貫穿于安全生產全生命周期的系統分析方法[5]。

以氣化爐為例，壓力能危險源，因能量的意外釋放即爆炸導致的人員傷害類型屬于壓力容器爆炸傷害，其原因可能為設備、設施、工具附件缺陷，優先采取的對應防止措施包括：設置溫度、壓力、液位、流量等報警設施；設置緊急停車、儀表聯鎖、可燃有毒報警器、視頻監控系統等設施。這些均屬于信號響應型的防止措施。

當防止措施不能避免危害發生時，則采取減緩（被動）措施，如安全閥等泄壓保護裝置；現場配備滅火器、消火栓、消防水炮、消防沙等消氣防物資。這些從類別上，屬于機械液壓型的減緩措施。

為避免安全生產事故的發生，還須在日常作業中制定操作和維護保養等規范，如建立安全生產責任制，定期培訓；操作和管理技術人員定期巡回檢查；定期對照檢查各類儀表、閥門；定期檢驗設備本體、安全附件；每日進行工藝氣介質法蘭檢測；現場設置安全警示、職業危害標識；建立事故應急預案，企業定期組織培訓等等。這些均屬于程序安全措施。

此外，針對氣化爐，還需加強個體防護措施，包括防爆工具、器具和勞動保護用品；設置事故應急柜等應急物資。上述措施，保障作業人員在危險發生后，最大可能地降低傷害。

綜上所述，以氣化爐為例，詳細地分析了承壓類特種設備安全防護技術對應措施，這些措施按優先級別排序，分別是防止措施、減緩措施、必要的程序安全措施和個體防護措施。這是承壓類特種設備安全防護系統的關鍵組成部分。依此方法分析煤化工企業安全防護系統，可以對照其現有安全狀況進行自查，發現問題及時修正，防止事故隱患發生，有效保障企業的安全平穩運行。

3.結論

（1）本文認為，特種設備應有自己的事故類型分類方法，并按照物質蘊含的不同能量，將危險源劃分為含能物質、毒性物質、窒息物質和其它四大類；并由不同類別的危險源，參照事件樹評價法，分析其可能導致的傷害。最終建立了基于功能安全原理的特種設備安全防護系統，并以煤化工行業核心設備氣化爐為例，分析了該安全防護系統的層級構成；（2）該系統對于煤化工企業的安全管理自查，以及特種設備安全防護技術理論體系建設，具有積極的參考價值和借鑒作用；（3）接下來，還將結合基于頻率的定量分析方法，對氣化爐等核心設備進行“安全完整性等級的驗證”，為安全防護系統理論研究和故障模型的建立提供定量依據。