安全儀表系統(tǒng)在氯堿裝置中的應用

王萬力

（天津興辰工程技術服務有限公司，天津 300000）

中國的化工行業(yè)在規(guī)模化發(fā)展中融入了智能化技術的應用，在規(guī)模不斷擴大的同時，化工工藝的技術含量得到了極大的提高。 化工行業(yè)要想解決其安全問題，降低事故的發(fā)生率，就要不斷完善其自動化安全儀表措施，以提高化工工藝的安全性。

河南平煤神馬東大化學有限公司 （下面簡稱東大化學） 搬遷項目設計規(guī)模為15 萬t/a 離子膜燒堿、11 萬t/a 液氯、7 萬t/a 鹽酸、4 萬t/a 次氯酸鈉、25 000 km3/a 壓縮氫氣。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令40 號及《關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）等文件，對于“兩重點一重大” 范疇的化工裝置及化學品儲存，需新增安全儀表系統(tǒng)（SIS），一期項目于2021 年1 月投入運行， 在項目設計過程中進行了安全儀表系統(tǒng)的設計。

1 安全儀表系統(tǒng)

安全儀表系統(tǒng) （Safety Instrumented System，簡稱SIS） 又稱為安全聯(lián)鎖系統(tǒng) （Safety interlocking System）。 主要是工廠控制系統(tǒng)中報警和聯(lián)鎖部分，對控制系統(tǒng)中檢測的結果實施報警動作或調節(jié)或停機控制，是企業(yè)自動控制中的重要組成部分。

安全儀表系統(tǒng)包括傳感器、 邏輯運算器和最終執(zhí)行元件，即檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元。 SIS系統(tǒng)可以監(jiān)測生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的或者潛伏的危險，發(fā)出報警信息或直接執(zhí)行預定程序，立即進入操作，防止事故的發(fā)生、降低事故帶來的危害及影響[1]。

安全儀表系統(tǒng)能夠通過組建性能完全的安全體系，并通過設置相關參數(shù)達到安全需要，最終保證儀器儀表的安全使用。 安全儀表系統(tǒng)的使用需要解決安全整體性選擇的相關問題， 在針對安全整體性的選擇問題和系統(tǒng)所涉及到的風險問題和嚴重程度都有關聯(lián)。使得安全儀表系統(tǒng)的設計中，對安全儀表系統(tǒng)完整性的相關等級確定變得極為復雜。

2 功能和要求

（1）安全儀表系統(tǒng)的基本功能和要求

保證生產(chǎn)的正常運轉、事故安全聯(lián)鎖（控制系統(tǒng)CPU 掃描時間一定要達到ms 等級）；安全聯(lián)鎖報警（對于一般的工藝操作參數(shù)都會有設定的報警值和聯(lián)鎖值）；聯(lián)鎖動作和投運顯示。

（2）安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的附加功能

安全聯(lián)鎖的預報警功能；安全聯(lián)鎖延時；第一事故原因區(qū)別；安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的投入和切換；分級安全聯(lián)鎖；手動緊急停車；安全聯(lián)鎖復位。

3 SIS 系統(tǒng)方案

3.1 氯堿裝置概況及工藝簡述

該生產(chǎn)系統(tǒng)包括一次鹽水、離子膜電解、氯氣處理及次氯酸鈉、氫氣處理及鹽酸、氯氣液化及包裝、氫氣充裝、成品罐區(qū)，采用DCS 操作系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)（SIS）對工藝裝置、輔助生產(chǎn)設施等進行集中監(jiān)控和安全聯(lián)鎖保護，對工藝流程、工藝參數(shù)進行顯示和報警， 對易燃易爆和有毒氣體泄漏設置可燃氣體和有毒氣體泄漏報警系統(tǒng)（GDS）。 電解為重點監(jiān)管的危險化工工藝，氯氣液化及包裝為一級重大危險源。

（1）電解

精制鹽水進入電解槽的陽極， 稀堿液進入電解槽的陰極，在直流電作用下，陽極反應后產(chǎn)生氯氣，陰極反應產(chǎn)生氫氣和32%堿液。 陽極液溢流到陽極液循環(huán)罐，陰極液溢流到陰極液循環(huán)罐，陰極液部分冷卻后進入到陰極液高位槽， 再與水配比后進入到電解槽。 氯氣送入氯氣處理工序冷卻干燥后加壓輸送至后續(xù)工序使用， 氫氣送往氫氣處理工序進一步處理。

（2）氯氣液化及包裝

將氯氣處理工段送來的干氯氣， 進入制冷系統(tǒng)的氯氣液化機組，大部分氯氣被冷凝為液氯，經(jīng)氣液分離器分離后進入液氯貯槽中緩沖儲存， 部分液氯經(jīng)液氯包裝泵加壓后包裝進入鋼瓶、 進入液氯槽車外售。 部分液氯經(jīng)液氯輸送泵通過管道供下游裝置使用。未液化的尾氯通過管道輸送至氯化氫合成、次氯酸鈉工段合成氯化氫和生產(chǎn)次氯酸鈉。 液氯工段設置排污處理罐定期排污處理， 防止液氯中三氯化氮含量超標發(fā)生危險。 液氯工段設置事故風機將外泄氯氣送至廢氯氣吸收塔吸收處理。

3.2 SIS 系統(tǒng)設置

首先運用HAZOP 分析方法對工藝裝置進行工藝過程危險分析，找出潛在的危害，結合風險矩陣，得出危害事件發(fā)生的風險等級， 風險等級高的聯(lián)鎖回路進入安全儀表系統(tǒng)， 并根據(jù)風險的等級確定聯(lián)鎖回路中每個儀表安全功能的安全完整性等級，最后進行安全儀表系統(tǒng)的設計。

危險與可操作性（HAZOP）分析是一種用于辨識設計缺陷、 工藝過程危害及操作性問題的結構化分析方法。 方法的本質是由各專業(yè)人員組成的分析組按規(guī)定的方式系統(tǒng)研究每一個單元 （即分析節(jié)點），分析偏離設計工藝條件的偏差所導致的危險和可操作性問題。 HAZOP 分析記錄表見表1。

表1 HAZOP分析記錄表

依據(jù)HAZOP 分析的結論中涉及安全聯(lián)鎖部分，依據(jù)保護層分析（LOPA）標準，進行保護層分析，確定安全聯(lián)鎖的安全完整性等級（SIL），為SIS 設計提供理論依據(jù)。

安全儀表系統(tǒng)的存在并不能完全消除風險，而是通過采取必要的風險降低措施將生產(chǎn)過程的風險降低到可接受的程度。 安全儀表系統(tǒng)獨立于基本過程控制系統(tǒng)（如DCS 等），獨立完成儀表安全功能。

3.3 SIS 系統(tǒng)控制點的確定

通過保護層分析，進行了SIL 定級，匯總見表2。

表2 SIL等級確定匯總表

根據(jù)LOPA 分析報告中SIL 定級情況， 以下聯(lián)鎖進入SIS 系統(tǒng)[2]。

（1）電解工序單臺槽鹽水流量低低（SIL1）6 m3/h，停對應單臺電解槽整流器；

（2）電解工序單臺槽循環(huán)堿液流量低低（SIL1）5 m3/h，停對應單臺電解槽整流器；

（3）電解工序氯氣總管壓力高高2 取1（SIL2）30 kPa，聯(lián)鎖停所有電解槽整流器；

（4）電解工序氫氣總管壓力高高2 取1（SIL2）34 kPa，聯(lián)鎖停所有電解槽整流器；

（5）電解工序氯氫總管的壓差高高2 取1（SIL2）9 kPa，聯(lián)鎖停所有電解槽整流器；

（6）電解工序氯氫總管的壓差低低2 取1（SIL2）0 kPa，聯(lián)鎖停所有電解槽整流器；

（7）電解工序急停所有整流器按鈕（硬）打開，聯(lián)鎖停所有電解槽整流器；

（8）氯氣液化及包裝工序液氯儲槽液位高高2取1（SIL2）2 100 mm，聯(lián)鎖關閉液液氯儲槽進氯開關閥；

（9）氯氣液化及包裝工序液氯儲槽附近氯氣報警器6 取3（SIL2）3×10-6，聯(lián)鎖關閉所有液氯儲槽出氯開關閥和聯(lián)鎖啟動事故風機；

（10）氯氣液化及包裝工序緊急關閥按鈕聯(lián)鎖（硬）打開，聯(lián)鎖關閉所有液氯儲槽進氯和出氯開關閥。

3.4 SIS 系統(tǒng)邏輯關系圖

單臺電解槽聯(lián)鎖圖見圖1， 電解槽整流器全停聯(lián)鎖圖見圖2，液氯儲存區(qū)聯(lián)鎖圖見圖3。

圖1 單臺電解槽聯(lián)鎖圖

圖2 電解槽整流器全停聯(lián)鎖圖

圖3 液氯儲存區(qū)聯(lián)鎖圖

4 結語

根據(jù)國家對“兩重點一重大”建設項目的安全要求，新上氯堿項目都單獨設置了安全儀表系統(tǒng)，使得氯堿工廠的安全聯(lián)鎖可靠性大大增強。 將HAZOP分析與風險矩陣相結合， 進行LOPA 分析和SIL 定級，不僅能對工藝流程中的危險進行識別，并且能對危險進行定性的分析，實現(xiàn)分析的完整性，為安全儀表系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。在化工生產(chǎn)中，安全儀表系統(tǒng)在選型、 使用與維護中必須遵循嚴格的安全標準及規(guī)范，綜合采取多種安全可靠性措施，確保系統(tǒng)功能安全地實現(xiàn)，使企業(yè)的生產(chǎn)安全得到充分保障。