安全儀表系統在氯堿項目中的運用范文

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《氯堿工業》2017年第10期

摘要:對氯堿項目的安全儀表系統的設計過程進行了介紹，舉例說明了氯堿項目的HAZOP分析結合風險矩陣分析的結果，根據此結果確定了進入安全儀表系統的聯鎖回路以及聯鎖回路的安全完整性等級，為氯堿項目的安全儀表系統的設計提供參考。

關鍵詞:安全儀表系統;氯堿項目;HAZOP;分析

氯堿項目一般包含離子膜燒堿裝置、乙炔裝置、VCM裝置和PVC裝置，是傳統的化工項目。過去，氯堿項目中各裝置均采用基本的過程控制系統DCS完成儀表的控制功能，僅有個別裝置如PVC裝置會設置ESD(緊急停車系統)用于緊急情況的聯鎖停車。近幾年，國家對安全和環境的重視程度不斷加強，連續出臺了安監總局令(第40號令)、安監總管三［2013］76號，對重點監管的危險化工工藝、重點監管危險化學品和危險化學品重大危險源項目的設計提出了更高的要求。第40號令要求涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或者二級重大危險源，配備獨立的安全儀表系統［1］;76號文要求涉及重點監管危險化工工藝的大、中型新建項目要按照GB/T21109和GB50770等相關標準開展安全儀表系統設計［2］。氯堿項目中，離子膜燒堿裝置的電解工藝、VCM裝置的乙炔和氯化氫的加成氯化工藝，以及PVC裝置的聚合工藝等都屬于國家安全監管總局重點監管的危險化學工藝［3］，因此現在新建的氯堿項目必須按要求設計安全儀表系統。

1安全儀表系統簡介

1．1安全儀表系統

安全儀表系統，簡稱SIS，在GB/T21109及IEC61511中的定義為:用來實現一個或幾個儀表安全功能(SIF)的系統，SIS可以由傳感器，邏輯解算器，最終元件的任何組合組成，可以包含或不包含軟件。其中，邏輯解算器是安全儀表系統的核心，邏輯解算器可以由電氣/電子/可編程電子系統構成。在實際的生產過程中，安全儀表系統通過傳感器監視生產過程的狀態，利用邏輯解算器判斷生產過程是否出現發生某種潛在危險的條件，當出現危險的條件時，采用最終元件自動執行其規定的安全功能，防止危險事件發生。安全儀表系統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過程的風險降低到可接受的程度。安全儀表系統獨立于基本過程控制系統(如，DCS等)，獨立完成儀表安全功能。在GB/T21109及IEC61511中已明確，基本控制系統不執行任何具有SIL≥1的安全儀表功能，基本過程控制系統也不具有安全保護功能。

1．2安全完整性等級

安全完整性等級，在GB/T21109及IEC61511中的定義為:用來規定分配給安全儀表系統的儀表安全功能的安全完整性要求的離散等級(4個等級中的一個)。SIL4是安全完整性的最高等級，SIL1為最低等級。因而安全完整性等級可視作對安全儀表系統執行其安全功能的能力的一種衡量。安全完整性等級的確定取決于風險分析與評估的結果。由于安全完整性等級針對特定的安全功能，因此，如果一個安全儀表系統中包含了若干實現不同安全功能的回路，每個回路都應有自己的安全完整性等級。石油化工工廠或裝置的安全完整性等級一般不高于SIL3。

2安全儀表系統在氯堿項目中的應用

配備安全儀表系統是最近幾年國家對氯堿項目提出的新的設計要求，設計人員存在一個對其進行認識、學習并運用的過程。目前我公司設計安全儀表系統的流程大體是: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，得出危害事件發生的風險等級，風險等級高的聯鎖回路進入安全儀表系統，并根據風險的等級確定聯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的具體設計。

2．1HAZOP分析

安全儀表系統的作用，就是將危險事件發生的風險降低到可接受的程度，從而保證被控設備處于安全狀態。因此，要設計合理有效的安全儀表系統，必須對被控對象進行危險辨識及風險分析。設計中，為了降低風險，對各裝置的工藝流程采取了層層控制措施，也即獨立保護層。一般典型的化工廠的保護層見圖1，氯堿化工廠也是如此。從圖1可以看出，化工裝置在一般的工藝過程外，設置有基本的過程控制系統(通常使用分散控制系統DCS)，對流程中的流量、液位、壓力等進行調節控制等，并設置了操作過程中的工藝參數的報警等提示操作工進行干涉，這之外的保護層就是安全儀表系統，當操作工進行干涉無果，儀表監測出潛在的危險工藝狀態達到設定值時，則啟動聯鎖控制回路切斷或打開聯鎖閥門等，保護設備及人員的安全。對被控對象進行危險辨識及風險分析，就是對聯鎖回路在無SIS保護層的前提下，將工藝過程本質安全、操作員調節和被動物理防護層的失效作為可能的危險場景起因進行分析并消除辨識到的風險，同時也不考慮應急響應層的失效，因為評估的目標就是事故止于不需要啟動該保護層。HAZOP分析作為工業過程危險分析的方法之一，近幾年，在我國化工裝置中得到了大力推廣。安監總管三76號文中規定:涉及“兩重點一重大”的建設項目，必須在基礎設計階段開展HAZOP分析。采用HAZOP分析方法辨識危險和進行風險分析，除了要依據政府和氯堿行業管理的法規要求、生產裝置的特點、工藝的危險性等，還要綜合考慮工廠操作經驗的多寡等因素。HAZOP分析一般由設計人員、操作人員、QSHE管理人員以及分析專家組成小組，對每一個分析節點，從偏離出發，反向檢查分析導致偏離的原因，正向檢查偏離導致的不利后果，識別現有的安全措施，進行風險評估，如果風險不可接受，提出相應的建議措施。HAZOP分析方法屬于定性分析，該方法只能定性判斷系統中是否存在危險，并不能給出危險發生的頻率和后果的嚴重程度。而設計中，并不是將所有存在風險的節點的聯鎖回路全部設計進入安全儀表系統。在某些情況下，危險事件發生的風險已經處于容許的最低水平之內，這時不需要任何進一步的風險降低措施;或者其它保護措施的存在足以將風險降低到容許的范圍之內，這時都不需要設置進入安全儀表系統。在綜合考慮其它保護措施的情況下，認為仍然風險較高，則將其聯鎖回路設置進入安全儀表系統。因此，在進行HAZOP分析時，找出工藝過程存在的危險后，還需要對危險進行定性或定量的評估，才能為合理地確定進入安全儀表系統的聯鎖回路、確定儀表安全功能(即通常所稱的“聯鎖”)的安全完整性等級提供依據。對危險進行定性分析的方法主要有風險矩陣和風險圖法。將風險矩陣和HAZOP分析結合起來，運用風險矩陣對HAZOP分析中的危險發生的頻率、后果嚴重程度等綜合分析，最終得到可能的危險。

2．2進入SIS的典型聯鎖回路及SIL等級

經過上述風險分析與評估后，最終確定進入安全儀表系統的聯鎖回路以及聯鎖回路的安全完整性等級。需要強調的是，安全完整性等級是對整個系統而言，包括輸入輸出環節上的所有串聯設備(部件)都應該納入考慮的范疇［4］。整個系統的安全完整性等級由最低級的環節決定，任何一個環節降低了等級，則意味著整個安全儀表系統的等級降低。

2．3SIS系統的設計

根據風險分析與評估的結果，以上回路的安全完整性等級為SIL2，除設置獨立的邏輯解算器(SIS系統)外，以上回路的傳感器和最終元件都獨立設置，不與基本過程控制系統(DCS)等其它過程控制系統共用。一般來說，如果一個回路的各組成環節，例如傳感器、邏輯解算器、最終元件等都分別滿足SIL2的要求，那么這個回路通常也滿足SIL2的要求。但一個回路整體是否滿足SIL等級要求，需要通過計算進行驗證。如果通過計算，確定一個回路總體的PFD滿足SIL2的要求，那么這個回路就滿足了SIL2的要求，如果計算的結果顯示回路無法滿足SIL2的要求，那么可以通過改變回路結構，例如，采取NooM的結構等，降低某個環節的PFD，達到降低回路整體PFD的目的，最終使回路滿足SIL等級的要求。以上回路中，某些回路的最終元件為電機等，通常會將電氣回路中的執行斷電動作的繼電器作為最終環節，以此來進行回路構建和驗證。

3結語

根據我國對“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，使得氯堿化工廠的安全聯鎖可靠性大大增強。將HAZOP分析與風險矩陣相結合，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，豐富HAZOP分析結果的同時也實現其分析的完整性，為安全儀表系統的設計提供了依據。安監總管三［2014］116號要求從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品儲存設施要設計符合要求的安全儀表系統。同時，對現役裝置安全儀表系統不滿足功能安全要求的，要列入整改計劃限期整改［5］。這使得以后設計安全儀表系統的裝置范圍更廣，對安全儀表系統的可靠性和規范性要求更高，對設計人員的風險分析和控制、安全儀表系統的設計實施提出了更高的要求。

4參考文獻

［1］國家安全生產監督管理總局令第40號危險化學品重大危險源監督管理暫行規定(2015年修正)［S］．

［2］安監總管三〔2013〕76號住房城鄉建設部關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知［S］．

［3］安監總管三〔2009〕116號關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知［S］．

［4］龔義文．安全儀表系統在化工裝置中的應用［J］．自動化儀表，2010，12(17):50－54．

［5］安監總管三〔2014〕116號關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見［S］．

作者：張雪輕；羅倩；符錦麗；趙雯婷；黃澤茂 單位：中國成達工程有限公司