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《氯堿工業(yè)》2017年第10期

摘要:對(duì)氯堿項(xiàng)目的安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了介紹，舉例說(shuō)明了氯堿項(xiàng)目的HAZOP分析結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析的結(jié)果，根據(jù)此結(jié)果確定了進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)的聯(lián)鎖回路以及聯(lián)鎖回路的安全完整性等級(jí)，為氯堿項(xiàng)目的安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞:安全儀表系統(tǒng);氯堿項(xiàng)目;HAZOP;分析

氯堿項(xiàng)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(tǒng)的化工項(xiàng)目。過(guò)去，氯堿項(xiàng)目中各裝置均采用基本的過(guò)程控制系統(tǒng)DCS完成儀表的控制功能，僅有個(gè)別裝置如PVC裝置會(huì)設(shè)置ESD(緊急停車(chē)系統(tǒng))用于緊急情況的聯(lián)鎖停車(chē)。近幾年，國(guó)家對(duì)安全和環(huán)境的重視程度不斷加強(qiáng)，連續(xù)出臺(tái)了安監(jiān)總局令(第40號(hào)令)、安監(jiān)總管三［2013］76號(hào)，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝、重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品和危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。第40號(hào)令要求涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級(jí)或者二級(jí)重大危險(xiǎn)源，配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)［1］;76號(hào)文要求涉及重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝的大、中型新建項(xiàng)目要按照GB/T21109和GB50770等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)［2］。氯堿項(xiàng)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(guó)家安全監(jiān)管總局重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)工藝［3］，因此現(xiàn)在新建的氯堿項(xiàng)目必須按要求設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)。

1安全儀表系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1．1安全儀表系統(tǒng)

安全儀表系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)SIS，在GB/T21109及IEC61511中的定義為:用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)儀表安全功能(SIF)的系統(tǒng)，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(tǒng)的核心，邏輯解算器可以由電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)構(gòu)成。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，安全儀表系統(tǒng)通過(guò)傳感器監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)，利用邏輯解算器判斷生產(chǎn)過(guò)程是否出現(xiàn)發(fā)生某種潛在危險(xiǎn)的條件，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)的條件時(shí)，采用最終元件自動(dòng)執(zhí)行其規(guī)定的安全功能，防止危險(xiǎn)事件發(fā)生。安全儀表系統(tǒng)的存在并不能完全消除風(fēng)險(xiǎn)，而是通過(guò)采取必要的風(fēng)險(xiǎn)降低措施將生產(chǎn)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的程度。安全儀表系統(tǒng)獨(dú)立于基本過(guò)程控制系統(tǒng)(如，DCS等)，獨(dú)立完成儀表安全功能。在GB/T21109及IEC61511中已明確，基本控制系統(tǒng)不執(zhí)行任何具有SIL≥1的安全儀表功能，基本過(guò)程控制系統(tǒng)也不具有安全保護(hù)功能。

1．2安全完整性等級(jí)

安全完整性等級(jí)，在GB/T21109及IEC61511中的定義為:用來(lái)規(guī)定分配給安全儀表系統(tǒng)的儀表安全功能的安全完整性要求的離散等級(jí)(4個(gè)等級(jí)中的一個(gè))。SIL4是安全完整性的最高等級(jí)，SIL1為最低等級(jí)。因而安全完整性等級(jí)可視作對(duì)安全儀表系統(tǒng)執(zhí)行其安全功能的能力的一種衡量。安全完整性等級(jí)的確定取決于風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估的結(jié)果。由于安全完整性等級(jí)針對(duì)特定的安全功能，因此，如果一個(gè)安全儀表系統(tǒng)中包含了若干實(shí)現(xiàn)不同安全功能的回路，每個(gè)回路都應(yīng)有自己的安全完整性等級(jí)。石油化工工廠(chǎng)或裝置的安全完整性等級(jí)一般不高于SIL3。

2安全儀表系統(tǒng)在氯堿項(xiàng)目中的應(yīng)用

配備安全儀表系統(tǒng)是最近幾年國(guó)家對(duì)氯堿項(xiàng)目提出的新的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)人員存在一個(gè)對(duì)其進(jìn)行認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)并運(yùn)用的過(guò)程。目前我公司設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)的流程大體是:運(yùn)用HAZOP分析方法對(duì)工藝裝置進(jìn)行工藝過(guò)程危險(xiǎn)分析，找出潛在的危害，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣，得出危害事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的聯(lián)鎖回路進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)確定聯(lián)鎖回路中每個(gè)儀表安全功能的安全完整性等級(jí)，最后進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。

2．1HAZOP分析

安全儀表系統(tǒng)的作用，就是將危險(xiǎn)事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的程度，從而保證被控設(shè)備處于安全狀態(tài)。因此，要設(shè)計(jì)合理有效的安全儀表系統(tǒng)，必須對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行危險(xiǎn)辨識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)分析。設(shè)計(jì)中，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)各裝置的工藝流程采取了層層控制措施，也即獨(dú)立保護(hù)層。一般典型的化工廠(chǎng)的保護(hù)層見(jiàn)圖1，氯堿化工廠(chǎng)也是如此。從圖1可以看出，化工裝置在一般的工藝過(guò)程外，設(shè)置有基本的過(guò)程控制系統(tǒng)(通常使用分散控制系統(tǒng)DCS)，對(duì)流程中的流量、液位、壓力等進(jìn)行調(diào)節(jié)控制等，并設(shè)置了操作過(guò)程中的工藝參數(shù)的報(bào)警等提示操作工進(jìn)行干涉，這之外的保護(hù)層就是安全儀表系統(tǒng)，當(dāng)操作工進(jìn)行干涉無(wú)果，儀表監(jiān)測(cè)出潛在的危險(xiǎn)工藝狀態(tài)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則啟動(dòng)聯(lián)鎖控制回路切斷或打開(kāi)聯(lián)鎖閥門(mén)等，保護(hù)設(shè)備及人員的安全。對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行危險(xiǎn)辨識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)分析，就是對(duì)聯(lián)鎖回路在無(wú)SIS保護(hù)層的前提下，將工藝過(guò)程本質(zhì)安全、操作員調(diào)節(jié)和被動(dòng)物理防護(hù)層的失效作為可能的危險(xiǎn)場(chǎng)景起因進(jìn)行分析并消除辨識(shí)到的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也不考慮應(yīng)急響應(yīng)層的失效，因?yàn)樵u(píng)估的目標(biāo)就是事故止于不需要啟動(dòng)該保護(hù)層。HAZOP分析作為工業(yè)過(guò)程危險(xiǎn)分析的方法之一，近幾年，在我國(guó)化工裝置中得到了大力推廣。安監(jiān)總管三76號(hào)文中規(guī)定:涉及“兩重點(diǎn)一重大”的建設(shè)項(xiàng)目，必須在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段開(kāi)展HAZOP分析。采用HAZOP分析方法辨識(shí)危險(xiǎn)和進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，除了要依據(jù)政府和氯堿行業(yè)管理的法規(guī)要求、生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)、工藝的危險(xiǎn)性等，還要綜合考慮工廠(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)的多寡等因素。HAZOP分析一般由設(shè)計(jì)人員、操作人員、QSHE管理人員以及分析專(zhuān)家組成小組，對(duì)每一個(gè)分析節(jié)點(diǎn)，從偏離出發(fā)，反向檢查分析導(dǎo)致偏離的原因，正向檢查偏離導(dǎo)致的不利后果，識(shí)別現(xiàn)有的安全措施，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如果風(fēng)險(xiǎn)不可接受，提出相應(yīng)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(tǒng)中是否存在危險(xiǎn)，并不能給出危險(xiǎn)發(fā)生的頻率和后果的嚴(yán)重程度。而設(shè)計(jì)中，并不是將所有存在風(fēng)險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)的聯(lián)鎖回路全部設(shè)計(jì)進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)。在某些情況下，危險(xiǎn)事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)處于容許的最低水平之內(nèi)，這時(shí)不需要任何進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)降低措施;或者其它保護(hù)措施的存在足以將風(fēng)險(xiǎn)降低到容許的范圍之內(nèi)，這時(shí)都不需要設(shè)置進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)。在綜合考慮其它保護(hù)措施的情況下，認(rèn)為仍然風(fēng)險(xiǎn)較高，則將其聯(lián)鎖回路設(shè)置進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)。因此，在進(jìn)行HAZOP分析時(shí)，找出工藝過(guò)程存在的危險(xiǎn)后，還需要對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行定性或定量的評(píng)估，才能為合理地確定進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)的聯(lián)鎖回路、確定儀表安全功能(即通常所稱(chēng)的“聯(lián)鎖”)的安全完整性等級(jí)提供依據(jù)。對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行定性分析的方法主要有風(fēng)險(xiǎn)矩陣和風(fēng)險(xiǎn)圖法。將風(fēng)險(xiǎn)矩陣和HAZOP分析結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)HAZOP分析中的危險(xiǎn)發(fā)生的頻率、后果嚴(yán)重程度等綜合分析，最終得到可能的危險(xiǎn)。

2．2進(jìn)入SIS的典型聯(lián)鎖回路及SIL等級(jí)

經(jīng)過(guò)上述風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估后，最終確定進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)的聯(lián)鎖回路以及聯(lián)鎖回路的安全完整性等級(jí)。需要強(qiáng)調(diào)的是，安全完整性等級(jí)是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，包括輸入輸出環(huán)節(jié)上的所有串聯(lián)設(shè)備(部件)都應(yīng)該納入考慮的范疇［4］。整個(gè)系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)由最低級(jí)的環(huán)節(jié)決定，任何一個(gè)環(huán)節(jié)降低了等級(jí)，則意味著整個(gè)安全儀表系統(tǒng)的等級(jí)降低。

2．3SIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估的結(jié)果，以上回路的安全完整性等級(jí)為SIL2，除設(shè)置獨(dú)立的邏輯解算器(SIS系統(tǒng))外，以上回路的傳感器和最終元件都獨(dú)立設(shè)置，不與基本過(guò)程控制系統(tǒng)(DCS)等其它過(guò)程控制系統(tǒng)共用。一般來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)回路的各組成環(huán)節(jié)，例如傳感器、邏輯解算器、最終元件等都分別滿(mǎn)足SIL2的要求，那么這個(gè)回路通常也滿(mǎn)足SIL2的要求。但一個(gè)回路整體是否滿(mǎn)足SIL等級(jí)要求，需要通過(guò)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。如果通過(guò)計(jì)算，確定一個(gè)回路總體的PFD滿(mǎn)足SIL2的要求，那么這個(gè)回路就滿(mǎn)足了SIL2的要求，如果計(jì)算的結(jié)果顯示回路無(wú)法滿(mǎn)足SIL2的要求，那么可以通過(guò)改變回路結(jié)構(gòu)，例如，采取NooM的結(jié)構(gòu)等，降低某個(gè)環(huán)節(jié)的PFD，達(dá)到降低回路整體PFD的目的，最終使回路滿(mǎn)足SIL等級(jí)的要求。以上回路中，某些回路的最終元件為電機(jī)等，通常會(huì)將電氣回路中的執(zhí)行斷電動(dòng)作的繼電器作為最終環(huán)節(jié)，以此來(lái)進(jìn)行回路構(gòu)建和驗(yàn)證。

3結(jié)語(yǔ)

根據(jù)我國(guó)對(duì)“兩重點(diǎn)一重大”建設(shè)項(xiàng)目的安全要求，新上氯堿項(xiàng)目都單獨(dú)設(shè)置了安全儀表系統(tǒng)，使得氯堿化工廠(chǎng)的安全聯(lián)鎖可靠性大大增強(qiáng)。將HAZOP分析與風(fēng)險(xiǎn)矩陣相結(jié)合，不僅能對(duì)工藝流程中的危險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，并且能對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行定性的分析，豐富HAZOP分析結(jié)果的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)其分析的完整性，為安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。安監(jiān)總管三［2014］116號(hào)要求從2018年1月1日起，所有新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施要設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)役裝置安全儀表系統(tǒng)不滿(mǎn)足功能安全要求的，要列入整改計(jì)劃限期整改［5］。這使得以后設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)的裝置范圍更廣，對(duì)安全儀表系統(tǒng)的可靠性和規(guī)范性要求更高，對(duì)設(shè)計(jì)人員的風(fēng)險(xiǎn)分析和控制、安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施提出了更高的要求。

4參考文獻(xiàn)

［1］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第40號(hào)危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定(2015年修正)［S］．

［2］安監(jiān)總管三〔2013〕76號(hào)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)計(jì)管理的通知［S］．

［3］安監(jiān)總管三〔2009〕116號(hào)關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知［S］．

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

［5］安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)［S］．

作者：張雪輕；羅倩；符錦麗；趙雯婷；黃澤茂 單位：中國(guó)成達(dá)工程有限公司