现代大型石化企业安全仪表系统的设计.pdf

44综述篇Overview Chapter 综述篇 Overview Chapter 现代大型石化企业安全仪表系统的设计 解怀仁（1940-），北京人，1965年毕业于天津大 学，曾担任石化规划院计算机室负责人，中国仪表学 会自控设计委员会常委，中国仪表行业协会现场总线 （FF）专委会技术顾问，中国石油和石化工程研究会 仪表部主任等。主要从事石化仪表自控设计并负责石 化仪表自控设计审查和规划工作，主编石化仪表控制 系统手册，发表近20篇论文，组织和研发的国产DCS 曾获国家科技进步三等奖。 随着我国经济快速发展，面对新矛盾、新挑战，石化工 业已把“调结构”和“稳增长”作为“十三五”时期行业发展 的主要任务，把巩固提升传统产业和培育壮大战略性新兴产业 作为主攻方向。“十二五”期间，石化行业采取“基础化、大 型化、一体化、园区化”发展模式，扩大原料来源，资源优化 利用，节能降耗，炼油化工一体化。石化生产规模、技术装 备、自动化水平、设计施工、生产管理水平上了新的台阶，日 趋接近国际先进水平。 石油化工装置多以石油、天然气、煤及其产品为原料进行 加工处理，以得到各种产品。装置的原料和产品多属可燃、易 爆、有毒物质，装置必然存在着潜在的火灾、爆炸和中毒危险。 据美国化学工程师协会（AICHE）1992年休斯顿工艺装置 安全论坛资料显示：近30年来，烃加工业火灾的频率和火灾造 成的经济损失，一直呈增长趋势。另据统计，世界石油化工业 近30年100起损失特大事故中，装置的比例近六成。如1974年英 国Fliborough的卡普纶装置、1989年法国La Mede炼油厂、1994年 英国Milford Haven炼油厂的火灾爆炸事故，都是触目惊心的。 如何做到设计安全，如何对石油化工过程潜在的各种危 险进行识别，如何对偏离过程条件做出估计，并在工程建设的 基础设计环节上采取措施，提供安全仪表系统设计等，防患于 末然，已为人们广泛关注。国外现在较为通行的做法是，除强 调本质安全设计外，在项目设计中推行危险性和可操作性 研究（HAZOP，Hazard and Operability Study），系统地、 定性地去认识过程危险和潜在的后果，并采取措施。在项目 管理上，推行安全卫生执行程序（HSE，Health and Safety Executive），对项目各阶段的安全、卫生和环保内容进行审 查、确认。此外，还可以应业主要求，对项目进行安全评估。 针对石油化工装置中存在的危险因素，从工艺路线的选 作者 简介 中石化咨询公司 解怀仁 择、工程设计（包括工艺系统设计、仪表及自动控制设计、设 备设计、装置布置设计、管道设计、土建设计、供排水设计、 通风设计、消防设计）多方面保证石油化工装置安全的设计方 法和措施，强调了安全设计的重要性。本文重点介绍仪表及自 动控制设计中安全仪表系统的设计。 1石化装置危险因素 石油化工装置类型甚多，由于技术路线、原料、产品、 工艺条件的差异，存在的危险因素不尽相同，大致归纳如下： （1）中毒危险 石油化工生产过程中，以原料、成品、半成品、中间 体、反应副产物和杂质等形式存在的职业性接触毒物，工人在 操作时，可经过口、鼻、皮肤进入人体引起生理功能和正常结 构的病理改变，轻则扰乱人体的正常反应，降低人在生产中作 出正确判断、采取恰当措施的能力，重则致人死亡。 （2）火灾爆炸危险 可燃气体、油气、粉尘与空气形成的混合物，当其浓度达 到爆炸极限时，一旦被引燃，就会发生火灾爆炸，火灾的辐射热 和爆炸产生的冲击波可能对人、设备和建筑物造成杀伤和破坏。 尤其大量可燃气体或油气泄漏形成的蒸汽云爆炸，往往是毁灭性 的。如2001年抚顺石化公司的乙烯空分装置的爆炸、2000年北京 燕山石化的高压聚乙烯装置的爆炸、1967年大庆石化公司的高压 加氢装置的氢气的爆炸，这样的例子还有很多，损失十分惨重。 （3）反应性危险 化学反应过程分吸热和放热两类。通常，放热反应较吸热反 应更具危险性，特别是使用强氧化剂的氧化反应、有机分子上引 入卤原子的卤化反应、用硝基取代化合物中氢原子的硝化反应， 一旦失控可能产生严重后果。此外，石油化工过程中使用的某些 原材料具有很强的反应活性，稍有不慎同样会对安全造成威协。 （4）负压操作 负压操作易使空气和湿气进入系统，形成爆炸性气体混 合物，或空气中的氧和水蒸汽引发对氧、水敏感物料的危险反 应。如炼油的常减压装置中的减压塔系统。 （5）高温操作 可燃液体操作温度超过其闪点或沸点，一旦泄漏会形成 爆炸性油气蒸汽云；可燃液体操作温度等于或超过其自燃点， 万方数据 45综述篇Overview Chapter 2016今日自动化技术应用在中国 一旦泄漏即能自燃着火或成为引燃源；高温表面也是一个引燃 源，可燃液体溅落其上可能引起火灾。 （6）低温操作 没有按低温条件设计，由于低温介质的窜入，而引起设 备和管道的低温脆性破坏。 如空分的低温设备的损坏，大化肥渣油气化流程的低温 甲醇洗-195的低温脆性断裂。 （7）腐蚀 腐蚀是导致设备和管道破坏引发火灾的常见因素。材料 的抗腐蚀性能的重要性，在材料优化性能方面，仅次于材料的 机械性能，其耐蚀性多出于经验和试验，无标准可循（中石化 加工高硫油的装置选材有现行标准）。加之腐蚀类型的多样性 和千变万化的环境条件影响又给腐蚀危险增加了不可预见性。 （8）泄漏 泄漏是设备管道内危险介质释放至大气的重要途径。设 备管道静密封和动密封失效，尤其温度压力周期变化、渗透性 腐蚀性介质条件更易引起密封破坏。 设备管道上的薄弱环节，如波纹管膨胀节、玻璃液位计、 动设备的动密封的失效等，一旦损坏会引发严重的事故。如1996 年加氢裂化装置的高温高压螺纹锁紧环的管线泄漏的事故等。 （9）明火源 一个0.5mm长的电弧或火花就能将氢气引燃。装置明火加 热设备（加热炉），高温表面以及可能出现的电弧、静电火 花、撞击磨擦火花、烟囱飞火能量都足以引燃爆炸性混合物。 如镇海炼化公司2001年的新电站开工过程中汽轮机厂房大火。 （10）公用工程供应 供水中断时，冷却系统应能维持正常冷却10min以上；其 它象燃料、仪表用风应考虑事故供应源或事故储备量；自动停 车后的仪表回路，应避免未经确认复位的情况下，自动回到正 常运行状态。 （11）设备设计 工艺设备是实现工艺过程的主体，所有单个操作过程都 通过特定设备来完成，因此，设备的可靠性对装置安全生产至 关重要。 设备设计的主要方面包括制造材料、机械设计、制造工 艺和过程控制系统。材料选用应熟知工艺过程、外部环境、故 障模式、材料加工性能。腐蚀是导致设备破坏和火灾的重要因 素，应合理选用耐蚀材料和腐蚀裕量。 （12）电气设计 电力是装置生产的主要动力源，连续可靠的电力供给是 装置安全生产的重要保证。 关键性连续生产过程，应采用双电源供电； 突然停电会引发爆炸、火灾、中毒和人员伤亡的关 键设备，必须设置保安电源。 大功率电机启动，应核算启动电流不超过供电系统 允许的峰值电流或应用软启动设施。 爆炸危险环境电气设备的结构、分级和分组应符合 GB50058。 火灾危险环境架空敷设的电缆及电缆构电缆，均应 采用阻燃型。 建筑和设备，应有可能的防雷接地措施；可能产生 静电的设备、管道应有防止静电积聚的措施。 安全设施如火灾报警、事故照明、疏散照明等应设 置保安电源。 （13）非常工况处理 装置开停工、事故停车极易发生火灾等事故。工艺系统 不只提供正常操作程序，还应提出开、停工程序和停水、停电 等情况下停车步骤，保证生产全过程都是有序的,如石化大型 装置的事故预案。 （14）仪表及自动控制设计 仪表是操作员的眼睛，自控系统是装置调节控制的 中枢。 动力系统。应有事故电源和气源，以保证有较充裕 的时间对事故进行处理。 仪表和控制器选型，应采用故障安全型，确保故障 时生产系统趋向安全。 联锁和停车系统。自动停车后的仪表回路，应避免 未经确认复位的情况下，自动回到正常运行状态。 避免选用可能引起误判的多功能仪表。重要的操作环 节，应设报警、联锁和紧急停车系统。ESD紧急停车可能给生 产带来重要影响时，讯号系统应设3取2的表决系统。控制系统 故障可能引起重大事故时，应设n:1甚至1：1 冗余控制系统。 生产运行中，仪表及停车回路应能检测。 （15）现场仪表与设备 爆炸危险区内的仪表、分析仪表、控制器均选用相 应防爆结构或正压通风结构。 有害气体深度监测 散发有害气体或蒸汽的场合，应设置监测报警设施。 仪表线缆 火灾爆炸危险区内仪表线缆应采用非燃料材料型或阻燃型。 2石化企业安全生产面临的主要问题 近年来，我国石化工业发展迅猛，新投产了一大批石化产 品生产装置。由于石化工业固有的“高温高压、易燃易爆、有毒 有害、链长面广、连续作业”的特点，也给安全生产工作带来了 很大的挑战。目前，我国石化企业安全生产面临的主要问题是： （1）装置运行周期延长 为了提高市场竞争力和经济效益，石化装置的建设规模 不断向大型化、超大型化方向发展，炼油装置规模已超过千万 万方数据 46综述篇Overview Chapter 综述篇 Overview Chapter 吨级、乙烯装置规模达到百万吨级。装置大型化使检修工作更 为复杂，成本很高，因此石化企业开始对生产装置实施长周期 运行策略，把“一年一修”或“三年两修”延长为“三年一 修”，甚至“五年一修”。 在石化装置大型化，且高负荷、长周期运行的形势下， 安全生产工作出现了以下几个具有共性的问题。 长周期运行状态下，如何确保设备的完整性和控制 装置长周期运行的风险，如何从管理和技术上保障生产安全。 炼制劣质高硫、高酸原油给设备的长周期运行带来 很大威胁，大大缩短了设备的使用寿命。 为了保障石化装置及设备长周期运行，需采取哪些 在线安全保证措施和检测手段。 （2）石油储存和运输量增大 随着国家对石油需求的进一步增加以及炼油能力的逐步 提高，石油储运设施的建设也朝大型化方向发展。目前在建的 某个国家石油战略储备库，储罐容罐以10万m3为主，最大的 已达16万m3，直径100m，储备库总罐容达500万m3。由此产生 的问题是，设施大型化了，风险也会因量变积累而发生质变。 此外，我国现行的石油库安全管理规范及安全保障技术可能无 法达到超大型石油库安全运营的要求。 另外，随着西气东输工程的进行，管道成为最重要的油 气远程运输方式之一。以中国石化为例，现在有1万多km的原 油、天然气和成品油输送管线，未来几年内将达到2万km。但 近几年，由于管理、环境、技术等原因，事故时有发生。控 制、防范事故，以及在事故发生后能够有序高效地进行抢险、 抢修，成为解决长输管线安全问题的关键。 （3）雷电、静电危害 由于石化生产的特殊性，雷电、静电危害一直是威胁石化生 产安全的重大问题。经常出现的事故包括：沿江、沿海地区石化 生产控制室电子设备受雷击损坏；大型罐区的雷击事故；粉尘静 电燃爆事故;大料仓、燃爆电击事故;轻质易燃液体加工处理及储运 过程中，灌注、采样、装车、洗槽等过程中的静电燃爆事故等。 （4）应急救援系统薄弱 目前，我国对危险化学品从生产、储存、运输到经营、 废弃实行全过程的动态管理，尤其是对剧毒品、易燃易爆化学 品的全程监控管理，对化学品运输车辆的监控，长输管道的监 控管理工作还相对比较薄弱，事故发生频繁。因此，必须建立 保障有力、快速响应的化学事故应急救援体系。 （5）作业环境检测和安全仪器仪表检验不到位 石油化工作业场所存在着有毒有害气体、粉尘、噪声、 静电等各种危害因素，但是石油化工生产各个环节的作业环境 和安全仪器仪表的监测检验监管工作还没真正到位，这带来很 大风险。具体存在以下问题： 危险化学品作业场所通常存在高温、高压、振动和腐 蚀等苛刻的环境条件，这对安全仪器、设备等安全产品提出了 更高的特殊要求。目前我国石化企业大量使用的各种检测方 法、各类安全检测仪表和安全检测设备没有依据石化行业的特 殊性建立和实现，造成安全仪器设备的生产、制造、安装、使