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石油化工裝置中本質安全設計淺析

文檔作者：施建設文檔來源：中石化寧波工程有限公司		點擊數：	更新時間： 2020年12月28日
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第52卷第4期
2016年8月
石油化工自動化
AUT0Ⅳ【ATl0N IN PETRo—CHEMICAL INDUSTRY
V01．52，No．4
August，2016
石油化工裝置中本質安全設計淺析
施建設
(中石化寧波工程有限公司，浙江寧波315103)
摘要：針對石油化工裝置的安全性，介紹了本質安全的要求、基本概念、風險評估及可接受風險等的安全評估原則，描述了在
石油化工裝置中幾種本質安全的設計實現方法，從工藝流程設計和自控設計過程中安全功能的實現，設計過程中可采用的物理
防護手段，接地系統(tǒng)的實現，關鍵閥門開啟壓力的確定等均是本質安全必須考慮的內容。說明了石油化工本質安全貫穿著設計
的每個階段、每個方面，實現本質安全要從源頭抓起。
關鍵詞：本質安全設計風險安全儀表功能安全等級接地物理保護
中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1007—7324(2016)04—0021—04
Analysis of Intrinsic Safety Design in Petrochemical Devices
Shi jianshe
(Sinopec Ningbo Engineering Co．，Ltd．，Ningbo，315103，China)
Abstracts：Aiming at the safety of petrochemical plants，the requirements and the basic
concepts of intrinsic safety，the risk assessment，and the principle of acceptable risk are
introduced．Several design and realization methods of intrinsic safety in petrochemical plants
are described．The safety function applied in process design and process control design，the
physical protection adopted in design，the realization of grounding system，and the
confirmation of key control valves opening pressure are essential to be considered in intrinsic
safety．The intrinsic safety applied through the every stage of design to ensure the safety from
very bottom is indicated．
Key words：intrinsic safety design；risk；safety instrumented function(SIF)；safety integrity
level(SIL)；grounding；physical protection
在石油化工生產裝置中，安全運行已經成為貫
徹裝置全生命周期的必然追求。在流程工業(yè)中保
障安全常用的措施有增加安全設備、增加操作人員
及巡檢頻率等。此類措施雖然在一定條件下有利
于降低風險，但是增加安全設備必然會導致流程變
得復雜和對安全系統(tǒng)要求的提高；增加操作人員及
巡檢頻率將加大操作人員的工作強度及心里壓力，
這與企業(yè)追求利潤的基本目標相悖。由于無法避
免元器件的失效性和人為的操作失誤，潛在的風險
會一直伴隨著生產裝置。為了降低過程風險，對過
程進行本質安全設計顯得尤為緊迫。
1本質安全的概念
本質安全是預先分析工藝、設備可能潛在的危
險，基于事物自身特性、規(guī)律，通過消除或減少工
藝、設備中存在的危險物質或危險操作的數量進而
避免危險。實現本質安全是以系統(tǒng)中物質的物理、
化學基本性質，工藝安全操作以及與工藝自身密切
聯系的有關特性為基礎的內在固有的安全性。
然而，在實際情況中，絕對安全的情況是不存
在的。安全與風險相對，風險是指發(fā)生危害事件的
可能性和危害程度。通常來說，風險越大安全性越
小，風險越小安全性越大；當風險降低到普遍可以
接受的程度時，則可以認為是安全的。
對于風險的評價，根據標準IEC 61508E1I，通
常采用的是ALARP(as low as reasonably
practicable)原則[I-2]。典型的如英國勞工部規(guī)定，
當個體接受的風險小于10_6次／a時，可認為是個
體處在無風險狀態(tài)；當個體接受的風險大于10_3
次／a時，可認為是不可接受的風險狀態(tài)；而處在
10_6～10-3次／a的可認為是在ALARP區(qū)域。安
全區(qū)域的標準通常在ALARP區(qū)域內確定。
稿件收到日期：2016—07—25。
作者簡介：施建設(1968)，男，1990年畢業(yè)于華東化工學院生產
過程自動化專業(yè)，現就職于中石化寧波工程有限公司電控室，任高
級工程師。
萬方數據
石油化工自動化第52卷
ALARP應根據各個國家、各個地區(qū)的實際生產水
平，結合當地的環(huán)境政策、人口規(guī)模、人文習慣、經
濟發(fā)展水平等相關因素后綜合考慮確定。
在確定風險的評價標準后，就可以在項目的安
全分析過程中進行定性、半定量或定量的分析，以
確保整個裝置盡量達到本質安全的要求。
2本質安全設計
本質安全的概念和要求應在項目初始階段就
建立，并應在項目設計過程中貫徹實施，而整個裝
置的管理規(guī)范、人員培訓等均屬于本質安全的范
圍。對于流程工業(yè)而言，工藝設計是裝置本質安全
設計的核心部分，控制、保護系統(tǒng)的設計，物理保護
層措施的建立等在設計階段應按照本質安全的要
求進行。
在設計過程中，對本質安全的貫徹體現在流程
的方方面面，從物流的選擇、反應參數的確定、現場
設備的布置、管道的選用、儀表的安裝等均應仔細
考慮，慎重選擇，以達到最大程度的本質安全要求。
對于過程控制而言，可以從閥門故障位置的確定、
物理防護、接地、閥門執(zhí)行機構作用力的選取等多
方面進行考慮，以實現本質安全的目標。
2．1 閥門故障位置的確定
閥門故障位置指的是閥門在失去外部動力源
(氣源)時閥門應該到達的位置，閥門故障位置的確
定一方面要根據流程操作的要求進行確定，另一方
面還需要分析潛在的各種風險及可能性，在考慮所
有風險并排除后才能確定，以求達到本質安全的目
的。閥門故障位置的確定方式見反應器流程(圖
1)所示。
《
物料
圖1 反應器流程示意
2．1．1工藝操作要求
圖1中，R一101為反應器，物料1進入反應器
在一定壓力溫度下進行反應；物料2是在某些極端
情況下加入反應器的終止劑。XV一1101，XV一
1102用于切斷進入反應器的物料1；XV一1103用
于在XV一1101，XV一1102關閉后將2個閥門之間
的微量物料放空。此流程中的安全聯鎖UZ001，
要求在反應器內壓力(PTll01)、溫度(TTll01)等
超過聯鎖設定值時將同時關閉XV一1101，XV一
1102，停止向反應器內加入物料而使反應結束以避
免產生危險。另外，儀表空氣壓力低于設定值時閥
門到達其故障位置。
2．1．2安全完整性等級(SIL)的“分解”及閥門故
障位置的確定
針對圖1中XV一1103的故障位置(FO或是
FC)選擇，在不同的設計階段曾經有著不同的選
擇。在20世紀90年代，其分析往往以定性為主，
對于XV一1103的故障位置選型以FO為主，其主
流意識是在聯鎖動作發(fā)生后物料1與反應器的完
全隔離是通過在XV一1101，XV一1102同時關閉后
打開XV一1103的方式實現。而在實際操作過程
中，也發(fā)生過反應器超壓或超溫的情況，均通過聯
鎖保護達到了停車的目的。
2000年以來，隨著風險的安全評估理念引入，
分析方法從定性分析逐漸向定量分析轉變，對于
XV一1103閥的故障位置選擇有了本質的改變，開
始選用以FC為主的切斷閥了，分析如下：
1)安全等級的確定。根據工藝安全分析，聯
鎖UZ001切斷物料1進入反應器需要的安全等級
為SIL3，是通過切斷閥門XV一1101，XV一1102采
用“l(fā)002”方式來實現，閥門平均故障率要求
PFD?！?×10-川。仔細分析該流程，還隱含著另
外兩種安全要求：確保物料1不能通過XV一
1101，XV一1103放空；反應器不能通過XV一
1102，XV一1103放空。在實現UZ001的安全功
能時，上述隱含的安全要求也必須同時滿足。所
以，必須對原聯鎖UZ001進行“分解”，將UZ001
“分解”為3個關聯的“子”聯鎖并重新確定其安全
要求：
a)UZ001A(XV一1101，XV一1102關閉，
“l(fā)002”方式)其聯鎖動作用于切斷物料1和反應
器，要求的回路安全等級是SIL3，閥門平均故障率
要求PFD。?！?×10～。
b)UZ001B(XV一1101，XV一1103關閉，
“l(fā)002”方式)其聯鎖動作用于切斷物料1和大氣，
要求的回路安全等級是SIL2，閥門平均故障率要
求PFD。?！?×10～。
C)UZ001C(XV一1102，XV一1103關閉，
萬方數據
第4期施建設．石油化工裝置中本質安全設計淺析
“l(fā)002”方式)其聯鎖動作用于切斷反應器和大氣，
要求的回路安全等級是SIL3，閥門平均故障率要
求PFD。?！?X10～。
上述的聯鎖要求表明：當反應器的壓力、溫
度、儀表空氣等參數到達聯鎖值時，其安全等級應
該均滿足要求。
2)閥門的安全功能。閥門安全功能由閥門的
安全性能參數通過計算來決定，實際采購閥門的主
要數據如下：危險失效率A叫L1J：4×10_7次／h，閥
門檢查周期Tj：8 000 h。根據IEC 61508的要
求，其計算后的平均失效概率：當只有1個切斷閥
門時PFD。。為1．6X 10．3次／a；當采用2個切斷閥
門串聯“l(fā)002”時PFD。。為3．4X 10r6次／a。
通過上述計算結果看出，當只采用1個閥門聯
鎖動作時，只能滿足SIL2的要求；對于SIL3的要
求，必須采用2個閥門串聯“l(fā)002”動作方式來
實現。
另外，根據IEC 61508的安全結構性要求，
SIL2和SIL3使用的閥門一般要求的安全裕度[1-2]
至少為1，即在幾個閥門同時動作時至少有1個閥
門的作用與其他閥門的作用功能相同。根據此要
求，SIL2和SIL3使用的閥門也應采用“l(fā)002”的結
構形式。
3)閥門故障位置的確定。在安全評估[1。2]階
段定量分析中，還必須考慮儀表空氣故障，此故障
發(fā)生時，如果XV一1103采用FO，那么XV一1103
將由于失氣而打開，與聯鎖發(fā)生時要求的動作相
反；此時對于安全回路UZ001B和UZ001C來說，
將只有XV一1101和XV一1102起到了聯鎖關閉的
作用，導致整個安全回路的故障失效率和閥門安全
裕度均無法滿足要求，即整個聯鎖回路的安全等級
達不到要求，因而需將XV一1103采用FC為妥。
采用FC后，其故障失效率和閥門安全裕度均滿足
了所有要求。
反應器的本質安全是通過聯鎖發(fā)生時將XV一
1101，XV一1102，V一1103全部關閉的方式來實現
本質安全。
2．2通過物理手段進行保護
由圖1可知，在某些特殊情況下(如反應器周
圍產生火源時)，需要將物料2及時加入反應器來
終止反應，起到保護反應器的目的，此功能通過
XV一1105來實現。XV一1105選用FO的閥門，即
當閥門失去氣源動力時閥門將自動開啟。為了實
現此功能，將XV一1105的儀表空氣氣源管線選用
塑料管線，并且將塑料管線纏繞在反應器外壁和其
他可能容易產生火源的地方，當產生火源時，儀表
空氣氣源管線將融化而使得閥門XV一1105失氣
并打開，物料2能即刻進入反應器，實現了反應器
本質安全的目的。
2．3等電位接地
電子設備接地方案是困擾各方多年的問題。
在實際工程中經常遇到的有防雷接地、交流工作接
地、屏蔽接地、防靜電接地、安全保護接地、直流工
作接地(信號地、邏輯地)等。按其作用可分為保護
性接地和功能性接地(工作接地)兩大類。在保護
性接地和功能性接地分開設置的系統(tǒng)中，電子設備
的獨立接地在實踐中的確有利于消除連續(xù)的低頻
噪聲，但也曾經有過突然發(fā)生的大災害事件。分析
這些事件得出，由于采用獨立的工作接地，在雷雨
天氣條件下可能會有很高的電壓加在建筑物金屬
構件和計算機等設備上，由于兩者接地系統(tǒng)不同會
產生電位差導致計算機等設備的損壞。如果采用
等電位接地m]，電位差的問題便得到了解決。在
采用等電位連接并共用接地系統(tǒng)后，各接地點不會
形成電位差，同時可消除靜電和電場的干擾，不易
受磁場干擾。
等電位接地已為國際標準采用，亦在國家標準
中進行推廣。因此，在沒有特殊要求的情況下，接
地系統(tǒng)應該優(yōu)先考慮的是等電位接地方式。
2．4閥門開啟壓力的確定
石油化工裝置的控制一般是通過控制閥門來
實現的，在閥門的選用過程中，除了閥門口徑、材質
等主要參數的確定外，閥門的開啟壓力也應仔細斟
酌，除了滿足工藝操作要求外，還應該從本質安全
的角度進行考慮。
2．4．1操作要求
在煤化工裝置中，部分設備采用的是低壓進
料、高壓出料的操作方式，因而用于連接壓力大幅
波動設備的閥門選用十分關鍵，其參數的確定也一
直困擾著各方。粉煤加料流程簡單示意如圖2
所示。
圖2粉煤加料流程示意
萬方數據
24 石油化工自動化第52卷
圖2中，V一1203是用于給下游進料的進料
罐，V一1202是用于給V一1203加料的加料罐，
V一1202是在常壓工況下從上游接料，而在給
V一1203加料時是在高壓下進行的，用于連接
V一1202和V一1203的閥f1 XV一1201稱為鎖斗
閥。在該系統(tǒng)中，各設備及物料的設計壓力、操作
壓力分別是：V一1202和V一1203的設計壓力為
5．8 MPaL5J；V一1202和V一1203的操作壓力為
4．8 MPa(G)[61；XV一1201的打開條件是當2個罐
之間的差壓為--70～+70 kPa時允許打開[5]。
2．4．2閥門的選擇
常規(guī)的考慮方法是按照設計壓力、操作壓力或
者閥門的允許打開差壓的絕對值(70 kPa)的
1．3～1．5倍進行開啟壓力的選型，各情況分析如下：
1)當按照設計壓力或操作壓力值的1．3～1．5
倍進行選型后，可以看到閥門開啟時的開啟扭矩明
顯地加大了，這樣確實有利于閥門的開啟。但從安
全方面來看，當V一1202和V一1203之間的差壓很
大時是不允許打開XV一1201的，否則將會引起
高、低壓系統(tǒng)之間的氣體互竄進而引發(fā)危險。實際
情況出現過由于誤操作而將XV一1201打開的情
況，只是因為裝置在試車情況而沒有出現嚴重后
果?？紤]到此嚴重性，將閥門的開啟壓力按設計壓
力進行設計應該是偏高的。同時，這樣選型后將會
導致執(zhí)行機構的價格提高，執(zhí)行機構的外形尺寸、
質量加大等種種不利因素。
2)如果按照閥門的允許打開差壓的絕對值
(70 kPa)的1．3～1．5倍進行選型，由于允許打開
差壓的絕對值較小，在按照該值計算后得到的扭矩
值仍然很?。磺逸斔偷慕橘|是粉煤，容易產生局部
卡塞等情況，此時需要較大的閥門推力來推動閥門
以保證物料的正常輸送。所以，如果僅從理論上分
析并按照開啟壓力來確定閥門扭矩是不足的，在實
際操作上也十分不利于閥門的長周期運行。
3)合理選取閥門的開啟壓力，既能滿足在一定
的條件下正常開啟，又能避免因為開啟扭矩過大而
在高壓差工況下誤操作時可以打開閥門導致危險發(fā)
生，結合實際的工藝操作過程并結合上、下游的設備
壓力，同時需要考慮整個工藝系統(tǒng)的安全性，鎖斗閥
的開啟壓力按1．0 MPa計算是較為穩(wěn)妥的，兼顧了
操作和安全的要素。在實際工程中，考慮到計算的
誤差，鎖斗閥的開啟壓力按1．o～2．0 MPa計算均是
可以接受的，并且該結果已經多次在工程中成功應
用，實現了閥門的正常開啟和關閉。在高壓差情況
下也有過開閥誤操作，但鎖斗閥沒有開啟進而避免
了引起聯鎖性事故發(fā)生的成功案例。
3結束語
從上述實例可以看到，本質安全的理念應該體
現在石油化工裝置設計的全部過程中，本質安全應
從多角度考慮，也可以用多種方法來實現；只有時
刻以本質安全的理念來思考，才能做到石油化工裝
置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)的運行，才能實現經濟價值和
社會價值的統(tǒng)一和最大化!
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更正啟事
本刊2016年第2期43頁中收稿日期2005—12—01應為2015—12—01；第3期((Smith串級PID控制在鍋爐主蒸汽溫
度控制中的應用》原稿中Smith誤寫為Simth；“4．2．1引入無慣性的一階環(huán)節(jié)”應為“4．2．1引入無純滯后的一階環(huán)節(jié)”；“4．
2．2引入慣性的一階環(huán)節(jié)”，應為“4．2．2引入帶純滯后的一階環(huán)節(jié)”，特此更正。(本刊編輯部)

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