甲醛裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計

梁曉鷗

（北京石油化工工程有限公司，陜西西安 710065）

甲醛作為一種重要的化工原料，廣泛用于生產(chǎn)酚醛樹脂、聚甲醛樹脂等高分子材料中，本身還可以作為消毒劑、還原劑和防腐劑等。

鐵鉬法制甲醛工藝，采用催化氧化技術(shù)，將氣相甲醇與空氣在催化劑的作用下發(fā)生氧化脫氫反應(yīng)，生成甲醛氣體，再進入吸收塔經(jīng)過工藝水吸收后得到相應(yīng)濃度的甲醛溶液，產(chǎn)品濃度可根據(jù)下游裝置的需求在37%～57%進行調(diào)節(jié)。專利商的工藝包中，甲醛裝置生產(chǎn)過程通過DCS系統(tǒng)進行過程控制及聯(lián)鎖切斷功能。但根據(jù)安監(jiān)總管三[2014]116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(dǎo)意見中要求，從2018 年1 月1 日起，所有新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學(xué)品儲存設(shè)施要設(shè)計符合要求的安全儀表系統(tǒng)。而鐵鉬法制甲醛即為“兩重點一重大”中所涉及的氧化工藝，按照要求應(yīng)當(dāng)設(shè)置安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

1 甲醛裝置工藝流程

鐵鉬法制甲醛工藝流程見圖1，新鮮空氣與吸收塔循環(huán)回收的循環(huán)氣進行混合后送入甲醇汽化器，在甲醇汽化器中與氣化后的甲醇形成混合氣，混合氣進入列管式反應(yīng)器進行氧化反應(yīng)，放出大量熱，此部分熱量由導(dǎo)熱油移走，并在導(dǎo)熱油冷卻器中換熱產(chǎn)出副產(chǎn)蒸汽送管網(wǎng)，氧化反應(yīng)后的甲醛氣體經(jīng)甲醇汽化器進行熱量回收后進入吸收塔，生成甲醛水溶液，可以通過調(diào)節(jié)脫鹽水量來改變甲醛溶液濃度，吸收后的氣體一部分回到系統(tǒng)進行循環(huán)，另外一部分通過尾氣處理系統(tǒng)后排放。

圖1 甲醛裝置工藝流程框圖

2 安全儀表系統(tǒng)功能及HAZOP、LOPA、SIL等級分析

安全儀表系統(tǒng)（SIS，Safty Instrumented System）是實現(xiàn)一個或多個安全儀表功能（SIF）的儀表系統(tǒng)，是石油化工生產(chǎn)過程的重要安全保護裝置，要求與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)獨立設(shè)置，在生產(chǎn)裝置出現(xiàn)異常情況時，能夠迅速將裝置轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)，防止事故發(fā)生，應(yīng)滿足裝置的安全儀表功能和安全完整性等級要求。

危險與可操作性分析（HAZOP，Hazard and Operability Analysis）是目前國內(nèi)石化行業(yè)常用的風(fēng)險分析方法。HAZOP分析是一種定性的分析，分析之前應(yīng)根據(jù)各個用戶事故統(tǒng)計情況和風(fēng)險接受程度，指定使用本單位的風(fēng)險矩陣，由各專業(yè)專家組成分析小組，對工藝流程圖和操作規(guī)程進行頭腦風(fēng)暴式的風(fēng)險分析。通常按照以下流程進行：

1）確定分析范圍，選擇節(jié)點。確定待分析的工藝儀表流程圖，對PID進行節(jié)點劃分，節(jié)點是HAZOP分析時的研究對象，可以是一個設(shè)備或者多個設(shè)備，通常以功能來劃分，對于不同的功能設(shè)備劃分為不同的節(jié)點。

2）選擇操作參數(shù)及引導(dǎo)詞，構(gòu)建偏差。在對某一節(jié)點的分析過程中，首先選擇待分析的操作參數(shù)，比如流量、壓力、溫度等，然后對該操作參數(shù)選擇相應(yīng)的引導(dǎo)詞，比如少于、低于、高于、大于、過早、過遲等。對所選參數(shù)使用引導(dǎo)詞，得到偏差，如壓力高/低、流量高/低、溫度高/低等。

3）對偏差及后果進行分析。得到偏差以后應(yīng)對該偏差產(chǎn)生的原因、可能產(chǎn)生的后果進行判斷，然后分析現(xiàn)有的保護措施，利用風(fēng)險矩陣對殘余風(fēng)險進行分級，針對超出可接受水平的偏差后果提出建議措施。

按照以上流程對節(jié)點內(nèi)的所有參數(shù)和偏差進行分析，得出HAZOP分析報告及相應(yīng)的建議措施。依據(jù)甲醛裝置工藝流程特點，進行節(jié)點劃分后，開展HAZOP分析，得到相應(yīng)的分析報告見表1。

表1 甲醛裝置HAZOP分析報告（部分）節(jié)點：原料加壓

根據(jù)HAZOP分析的結(jié)果，可開展LOPA保護層分析。LOPA是一種半定量性質(zhì)的分析，在HAZOP分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步對具體事故場景的風(fēng)險進行數(shù)量級的相對量化。在分析過程中，首先應(yīng)識別出可能發(fā)生的事故場景，量化未采取保護措施情況下的危險水平，然后進行保護層識別，對現(xiàn)有保護措施進行分析，識別出所有的獨立保護層，獨立保護層應(yīng)具備有效性、獨立性和可審查性。獨立保護層識別是LOPA分析的重點，其應(yīng)獨立于初始事件和任何其他已經(jīng)被認為是同一場景的獨立保護層的構(gòu)成元件[9]。第三，對獨立保護層的可靠性進行量化，確定其失效概率（PFD）。對保護層的識別應(yīng)滿足獨立原則，相互之間不能影響其保護功能。因此，所有保護層的總失效概率為各現(xiàn)有獨立保護層失效概率的乘積。保護層失效概率乘以初始事故潛在概率即為當(dāng)前保護條件下的剩余風(fēng)險事故概率。對于剩余風(fēng)險水平仍超過用戶可接受的風(fēng)險水平的情況下，則需要采取其他的安全措施，比如引入安全儀表功能（SIF），以將風(fēng)險降低至可接受水平。

HAZOP-LOPA分析后得到的剩余風(fēng)險水平可以確定裝置安全儀表功能（SIF）的安全完整性等級（SIL）要求。這是SIS系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。安全完整性等級（SIL）根據(jù)安全性能不同分為4個等級并且涵蓋了兩種模式（低需求模式與高需求模式），針對工藝系統(tǒng)中的緊急聯(lián)鎖切斷，一般采用低需求模式進行分析，見表2。

表2 SIL等級表

在SIL等級分析之前，需要確定一個事故后果嚴重程度和可接受水平的分級要求，通常針對人員、環(huán)境、財產(chǎn)三個方面分別列出可容忍概率，在分析的過程中計算出初始事件頻率、保護層失效概率、剩余風(fēng)險概率后與可容忍概率進行比較，得到需要設(shè)置的SIF回路的風(fēng)險降低能力，對照安全完整性等級（SIL）表的失效概率，可得到SIF回路的SIL等級要求，見表3。

表3 SIL定級分析記錄（部分）節(jié)點：原料加壓

以原料加壓節(jié)點中，循環(huán)風(fēng)機流量調(diào)節(jié)回路故障為例，初始事故頻率為0.1，根據(jù)人員巡檢人數(shù)、時間、班次得到初始風(fēng)險削減概率0.21，因此可得到未削減條件下人員風(fēng)險概率為0.021，環(huán)境與財產(chǎn)風(fēng)險概率為0.1；現(xiàn)有保護措施有：循環(huán)風(fēng)機出口流量與壓力報警，甲醇汽化器及下游管線和反應(yīng)器上設(shè)有爆破片。根據(jù)削減原則，報警作為一個獨立保護層，PFD為0.1e-1，可對人員、環(huán)境、財產(chǎn)進行保護；設(shè)備及管線上設(shè)置的爆破片，PFD為1.0e-2，對人員和財產(chǎn)進行保護，應(yīng)當(dāng)注意爆破片不作為環(huán)境的獨立保護層，對環(huán)境保護不作削減。計算得到削減后的LOPA差距，即可確定SIL等級。

按照以上程序，對甲醛裝置工藝流程進行HAZOP-LOPA和SIL定級分析后，最終確定了需要進入SIS系統(tǒng)的回路，見表4。

表4 甲醛裝置SIL定級清單

3 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計原則

根據(jù)SIL定級報告，對SIS系統(tǒng)設(shè)計時，每個SIF回路包含的檢測單元、邏輯控制器及執(zhí)行單元，均應(yīng)符合其相應(yīng)的SIL等級的要求。在滿足安全完整性等級的要求下，還要兼顧可靠性、可用性和經(jīng)濟性等。SIS系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮到以下原則：

1）獨立性原則。過程控制系統(tǒng)（BPCS）與安全儀表系統(tǒng)（SIS）應(yīng)獨立設(shè)置，因此，現(xiàn)場檢測單元以及執(zhí)行單元也應(yīng)按照分立原則設(shè)置，分別設(shè)置過程控制用檢測儀表和SIS系統(tǒng)用檢測儀表，SIS儀表應(yīng)具有符合相應(yīng)SIL等級認證的儀表。對于一些無法分立設(shè)置的檢測儀表或執(zhí)行單元，SIL1等級回路時過程控制系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可以共用，但應(yīng)保證SIS的動作優(yōu)先級高于DCS系統(tǒng)動作，儀表的操作、管理、維護應(yīng)按照SIS儀表要求進行。

2）故障安全型原則。SIS系統(tǒng)應(yīng)按照故障安全型設(shè)置，采用負邏輯組態(tài)，系統(tǒng)正常運行時，接點應(yīng)是閉合狀態(tài)或者電磁閥是帶電勵磁狀態(tài)，即正常狀態(tài)下輸入/輸出為邏輯“1”，高電平狀態(tài)。當(dāng)聯(lián)鎖信號發(fā)生或者系統(tǒng)故障時，輸入接點斷開，非正常狀態(tài)下為邏輯“0”，低電平狀態(tài)，對于輸出回路執(zhí)行機構(gòu)來說，應(yīng)滿足電磁閥失電后閥門處于聯(lián)鎖位。

3）SIS邏輯設(shè)計時還應(yīng)考慮到工藝過程的影響，除了在正常工況下的聯(lián)鎖邏輯外，還應(yīng)考慮到一些特殊的工況，比如開車工況下需要設(shè)置的必要的低聯(lián)鎖旁路開關(guān)，對于SIS回路的聯(lián)鎖，還應(yīng)設(shè)置手動復(fù)位開關(guān)，以保證觸發(fā)聯(lián)鎖的狀態(tài)消失后，必須通過操作人員確認，才可以重新開車。

4 甲醛裝置安全聯(lián)鎖配置

1）對于普通的壓力變送器、溫度測量儀表、液位測量儀表配置獨立的雙測量儀表。質(zhì)量流量計由于配管空間限制或者考慮經(jīng)濟性，選用單臺儀表雙路信號輸出，一路信號送DCS系統(tǒng)，一路信號送SIS系統(tǒng)。

2）進甲醇汽化器原料甲醇管線配置雙閥，過程控制回路采用直通閥帶電磁閥，用于流量調(diào)節(jié)回路，當(dāng)SIS聯(lián)鎖觸發(fā)時同步用電磁閥關(guān)閉。SIS聯(lián)鎖配置氣動切斷球閥，閥門整體要求SIL1等級以上認證。

3）氧分析儀表考慮經(jīng)濟性原則，采用單臺儀表雙路信號輸出，做到信號分立，并設(shè)置流量低低報警，防止出現(xiàn)分析儀由于進氣故障而導(dǎo)致無法觸發(fā)高高聯(lián)鎖，流量低低功能應(yīng)選用儀表本身自帶的功能，若不具備此功能，流量報警裝置應(yīng)裝在預(yù)處理箱環(huán)節(jié)。

4）輔操臺設(shè)置緊急停車按鈕，采用雙觸點輸出，一路信號送DCS系統(tǒng)，一路信號送SIS系統(tǒng)，跳車時，同時觸發(fā)DCS與SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常后，需要在輔操臺上手動復(fù)位。

5 結(jié)束語

根據(jù)甲醛裝置的工藝流程特點，依據(jù)HAZOPLOPA分析和SIL定級分析報告，設(shè)計了滿足安全儀表系統(tǒng)規(guī)范要求的SIS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)當(dāng)工藝過程參數(shù)出現(xiàn)異常時，觸發(fā)相應(yīng)聯(lián)鎖，關(guān)閉相關(guān)閥門，停運風(fēng)機、泵等動設(shè)備，對裝置生產(chǎn)起到安全保障作用，并且滿足國家安全管理相關(guān)文件要求。項目經(jīng)過施工、調(diào)試并投入使用，目前運行狀況良好。后期還應(yīng)注意SIS聯(lián)鎖的完全投用，定期對系統(tǒng)進行維護和檢驗，保證其長期功能的完整性。