石油化工裝置控制室安全設(shè)計淺析

杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司 杭州 310014

石油化工裝置的物料大多具有可燃、易爆、有毒或腐蝕等特性，生產(chǎn)又往往伴有高溫、高壓、深冷等現(xiàn)象，容易引發(fā)火災(zāi)、爆炸或泄露等事故。石油化工企業(yè)一旦發(fā)生生產(chǎn)事故，不僅會導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)停歇等經(jīng)濟損失，而且經(jīng)常造成人員傷亡，甚至影響公共安全。控制室作為石油化工生產(chǎn)裝置的“指揮中心”，聚集大量操作人員，承擔(dān)裝置的控制和安全聯(lián)鎖，是石油化工企業(yè)的控制中樞[1]，其安全性尤為重要。

近年來，鑒于國內(nèi)石化企業(yè)安全事故頻發(fā)，政府及相關(guān)部門為了健全風(fēng)險防范機制，制定了一系列法規(guī)和條例，嚴(yán)格規(guī)范控制室安全設(shè)計。因此,對控制室的安全要求不斷升級，就迫切要求設(shè)計單位和生產(chǎn)單位及時適應(yīng)新規(guī)范，配合完成對已建控制室自查自糾，對違規(guī)控制室盡快拆除、搬遷、整改或加固，從源頭上防范化解重大風(fēng)險。

1 控制室簡介

控制室集監(jiān)測、控制和管理為一體，根據(jù)房間功能區(qū)分，石油化工裝置控制室由功能房間和輔助房間組成，其中功能房間包括操作室、機柜間、工程師室和不間斷電源(UPS)室，輔助房間包括交接班室、資料室和休息室等。另外，從控制室的所處位置或區(qū)域范圍上劃分，石油化工裝置控制室分為現(xiàn)場控制室(裝置控制室)和中央控制室(中心控制室)。除此之外，控制室可以合并功能組成綜合性多功能建筑單體，比如集中控制樓；或單獨以某一功能房間存在，如現(xiàn)場機柜室、操作室，其中機柜室還可分為有人值守的機柜室和無人值守的機柜室。

控制室為石油化工裝置安全運行保駕護航，既要在正常狀態(tài)下實現(xiàn)控制系統(tǒng)可靠執(zhí)行安全指令，又要在事故發(fā)生時實現(xiàn)裝置有序安全停車。目前，石油化工裝置控制的安全設(shè)計除符合《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB50160、《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》GB50984、《石油化工控制室設(shè)計規(guī)范》SH/T3006、《控制室設(shè)計規(guī)范》HG/T20508和《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》GB50779等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，尚應(yīng)滿足《危險化學(xué)品安全專項整治三年行動實施方案》(安委[2020]3號文附件3)、《化工和危險化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(安監(jiān)總管三[2017]121號)等政府部門的規(guī)范性文件[2-6]。

2 總圖位置選擇

為了使控制室安全、可靠、有效地發(fā)揮作用，控制室的總圖位置設(shè)置是進(jìn)行安全防護的重點，根據(jù)最新最嚴(yán)要求，表1主要羅列了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中對石油化工裝置控制室總圖布局的要求。

從表1可看出，中央控制室宜遠(yuǎn)離裝置區(qū)，布置在生產(chǎn)及行政管理區(qū)，裝置控制室的布置分成以下兩種情況：①涉及到爆炸危險性化學(xué)品的生產(chǎn)裝置控制室(有人員操作)，一律不得設(shè)置在裝置區(qū)；②涉及到甲乙類火災(zāi)危險的生產(chǎn)裝置，控制室原則上應(yīng)布置在裝置區(qū)外，現(xiàn)場不具備條件的，在進(jìn)行抗爆加固設(shè)計等前提下允許布置在裝置區(qū)，且位于裝置區(qū)一側(cè)，一般建議距離甲乙類生產(chǎn)裝置不少于30米。對于無人值守的機柜室，如果現(xiàn)場條件特殊，如操作室(或控制室)距離裝置區(qū)較遠(yuǎn)，可以布置在裝置區(qū)，但需要設(shè)置防火墻等方式進(jìn)行加固設(shè)計，且不應(yīng)位于爆炸危險區(qū)域(0區(qū)、1區(qū)或2區(qū))內(nèi)。

表1 石油化工控制室總圖位置規(guī)范條文摘錄

3 防護設(shè)計

3.1 抗爆設(shè)計簡析

爆炸為石油化工裝置最為常見的重大災(zāi)難性事故之一，石油化工工藝過程中引發(fā)的爆炸方式主要包括：超壓引起的設(shè)備爆炸、蒸氣云爆炸(又稱可燃云爆炸)和沸騰液體擴展引起的蒸汽爆炸，其中蒸氣云爆炸最為常見。控制室為人員集中建筑物，本著“以人為本”的原則，設(shè)計人員優(yōu)先考慮將控制室搬離出裝置區(qū)到相對安全區(qū)域，即控制室總圖位置位于安全防護距離范圍之外。同時應(yīng)當(dāng)根據(jù)抗爆風(fēng)險，評估確定控制室是否需要抗爆設(shè)計。控制室抗爆設(shè)計指外立面能抵抗爆炸沖擊，新建建筑物爆炸后可修、改擴建建筑物爆炸后不倒，減少爆炸事故對生產(chǎn)運行的影響，保證室內(nèi)人員和設(shè)施安全。

控制室的抗爆設(shè)計應(yīng)兼顧安全性和經(jīng)濟性。按《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB50160等規(guī)范要求，石油化工裝置控制室是否需要設(shè)置抗爆結(jié)構(gòu)依據(jù)如下：中央控制室距離裝置區(qū)較遠(yuǎn)，應(yīng)根據(jù)爆炸風(fēng)險評估確定是否需要抗爆設(shè)計，若已達(dá)到安全防護要求，則無需設(shè)置抗爆結(jié)構(gòu)，否則應(yīng)采取抗爆等結(jié)構(gòu)加固設(shè)計；由于裝置區(qū)的控制室、有人值守的機柜間等建筑物是人員集中場所和重要設(shè)施，涉及到爆炸危險性化學(xué)品的生產(chǎn)裝置控制室不允許設(shè)置在裝置區(qū)，若生產(chǎn)裝置的火災(zāi)危險性為甲乙類，則必須進(jìn)行抗爆設(shè)計，其余情況宜進(jìn)行抗爆設(shè)計。至于無人值守的機柜室，雖然規(guī)范未明確是否需要進(jìn)行抗爆設(shè)計，但由于儀表設(shè)備及控制系統(tǒng)價格昂貴，一旦損壞直接造成裝置停工且恢復(fù)時間較長，故布置在上述生產(chǎn)裝置區(qū)內(nèi)的機柜間，也應(yīng)考慮進(jìn)行抗爆設(shè)計。

石油化工生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的沖擊波超壓性質(zhì)和破壞力具有難以量化的特征，《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》GB50779新版規(guī)范意見征求稿針對控制室抗爆荷載計算有較大變化，爆炸沖擊波值從給出特定值調(diào)整為通過安全評估確定。評估結(jié)果需結(jié)合石油化工裝置性質(zhì)、泄漏點布置和風(fēng)向等因素，運用安全模擬分析軟件，模擬計算建筑物所處位置的爆炸沖擊波參數(shù)。目前蒸汽云爆炸的模擬研究方法主要采用TNT當(dāng)量法、TNO多能模型、Baker-Strehlow-Tang模型和流體力學(xué)模型[7]。

抗爆控制室多為單層整體鋼筋混凝土箱型建筑，建筑物外圍抗爆墻體為鋼筋混凝土剪力墻，圍墻結(jié)構(gòu)和屋面板直接承受爆炸荷載作用，而與外墻脫開的柱及內(nèi)墻等一般不考慮爆炸動力作用，僅做適度加強。抗爆控制室的爆炸荷載屬于偶然荷載，動力分析宜采用有限元模擬計算，也可近似采用單自由度體系動力分析或等效靜態(tài)分析法。抗爆控制室結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)注意：①所有外墻、屋面開洞必須進(jìn)行密封并保證可靠性;②抗爆門窗、抗爆閥和隔離前室應(yīng)滿足抗爆要求;③外墻不應(yīng)設(shè)置室外樓梯及裝配式雨蓬等。

3.2 安全防護距離

引起石油化工廠人員傷亡的主要原因為蒸汽云爆炸和毒氣泄漏，為了預(yù)防和減緩石油化工裝置潛在事故的影響，在人員風(fēng)險可接受風(fēng)險范圍內(nèi)，確定防護目標(biāo)與生產(chǎn)、儲存裝置的安全距離為安全防護距離。對人員集中的控制室，《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》GB50984給出了最小安全防護距離建議值[8]，見表2。

表2的防護距離來源于工程公司根據(jù)工程實踐經(jīng)驗得出的建議值，未體現(xiàn)與爆炸物、有毒氣體或易燃?xì)怏w等有關(guān)的工藝參數(shù)或過程，當(dāng)如果有足夠的輸入條件，可采用實際計算結(jié)果確定安全防護距離。《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護距離確定方法》GZB/T37243提供了兩種針對外部安全防護距離的計算方法，可供參照執(zhí)行[9]。

表2 控制室最小安全防護距離建議值 (m)

(1)對于VCE存在爆炸危險源的防護距離，采用事故后果法確定生產(chǎn)裝置與控制室的安全防護距離，計算公式如下：

式中，ΔP為空氣沖擊波超壓值，單位為105帕斯卡(Pa)；Q為一次爆炸的梯恩梯(TNT)炸藥當(dāng)量，根據(jù)計算藥量折算，單位為千克(kg)；R為爆炸點距防護目標(biāo)的距離，單位為米(m)。

從人體防護角度出發(fā)，安全防護距離一般指空氣沖擊波超壓闕值為2000～7000Pa，低于該值范圍內(nèi)窗戶通常會遭破壞，房屋主體結(jié)構(gòu)不會破壞。

(2)對于有毒氣體或易燃?xì)怏w，采用定量風(fēng)險評價方法確定安全防護距離。通過危險識別和場景辨識，分析事故概率和事故后果，繪制生產(chǎn)裝置的風(fēng)險等值線，判斷不同類型防護目標(biāo)防護距離是否滿足風(fēng)險基準(zhǔn)。由于控制室為企業(yè)重要設(shè)施，建議其防護目標(biāo)的主要性質(zhì)參照《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險基準(zhǔn) 》GB36894中的其它非危險化學(xué)品工業(yè)企業(yè)來做要求，即當(dāng)班人數(shù)在100人及以上的控制室為二類防護目標(biāo)，當(dāng)班人數(shù)在100人以下的控制室為三類防護目標(biāo)。在石油化工新建、改建、擴建生產(chǎn)裝置設(shè)置防護目標(biāo)時，二類防護目標(biāo)的個人基準(zhǔn)為3×10-6次/年，三類防護目標(biāo)的個人基準(zhǔn)為1×10-5；在為已建生產(chǎn)裝置設(shè)置防護目標(biāo)時，二類防護目標(biāo)的個人基準(zhǔn)為1×10-5次/年，三類防護目標(biāo)的個人基準(zhǔn)為3×10-5。

3.3 其它防護措施

(1)石油化工廠中的中央控制室屬于特殊重要設(shè)備室，火災(zāi)會嚴(yán)重影響生產(chǎn)，應(yīng)采用自動滅火系統(tǒng)和自動火災(zāi)報警系統(tǒng)，并宜采用氣體滅火系統(tǒng)。裝置控制室、機柜室應(yīng)設(shè)置自動火災(zāi)報警系統(tǒng)，視情況設(shè)置自動滅火系統(tǒng)，并宜設(shè)置氣體型滅火器。

(2)處理可燃、有毒，有粉塵或有腐蝕性介質(zhì)的裝置，控制室宜設(shè)在本地區(qū)全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。控制室室內(nèi)不得安裝液化烴、可燃?xì)怏w、可燃液體的在線分析儀器。裝置的控制室與其它建筑物合建時，應(yīng)設(shè)置獨立的防火分區(qū)。

(3)控制室或機柜間應(yīng)遠(yuǎn)離振動大或噪聲大的設(shè)備，將操作室與機柜室分開房間布置，對建筑物采用隔聲處理，使控制室操作臺處測得的噪聲量應(yīng)不大于55dB。

(4)控制室內(nèi)分別設(shè)置工作接地匯流排和保護接地匯流排，匯流排裝與防靜電活動地板下，然后將工作接地和保護接地匯流排接至電氣預(yù)留的接地系統(tǒng)匯流點。

4 結(jié)語

石油化工在中國能源領(lǐng)域具有重要地位，石油化工裝置的安全對社會及經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。控制室的安全防護是保障裝置安全的關(guān)鍵因素之一，隨著化工技術(shù)、控制技術(shù)和建筑技術(shù)日新月異的發(fā)展，安全防護的內(nèi)涵不斷豐富。尤其是涉及到現(xiàn)有控制室的改造升級，需要設(shè)計人員和生產(chǎn)人員深刻領(lǐng)會安全規(guī)范的最新要求，運用安全模擬仿真技術(shù)，根據(jù)評估風(fēng)險結(jié)果合理進(jìn)行整改。