劉超明
(1.中國石油(華東)大學(xué),山東東營 257061;2.中國石油天然氣勘探開發(fā)公司,北京 100034)
發(fā)展與評(píng)述
石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)
劉超明1,2
(1.中國石油(華東)大學(xué),山東東營 257061;2.中國石油天然氣勘探開發(fā)公司,北京 100034)
本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是以故障安全為目的的設(shè)計(jì)方法。在分析事故致因理論的基礎(chǔ)上,介紹了石油化工裝置本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)原則、程序、方法。設(shè)計(jì)原則主要包括安全第一原則、預(yù)防為主原則、設(shè)備技術(shù)優(yōu)先原則、目標(biāo)故障原則、故障安全原則以及安全性、有效性,經(jīng)濟(jì)性綜合原則。設(shè)計(jì)程序包含了裝置安全設(shè)計(jì)生命周期的各個(gè)部分和各階段的目標(biāo);設(shè)計(jì)方法包括設(shè)計(jì)各階段的危險(xiǎn)危害因素的辨識(shí)、評(píng)價(jià)、控制以及在此基礎(chǔ)上的安全對(duì)策設(shè)計(jì)。為石油化工裝置本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)提供一種指導(dǎo)性的思路和實(shí)用性的方法。
危險(xiǎn);安全;本質(zhì)安全;故障安全;辨識(shí);評(píng)價(jià);控制
石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是物理性、化學(xué)性、生物性、心里和生理性以及行為性顯在或潛在危險(xiǎn)危害因素聚集的行業(yè)。隨著高密度、高參數(shù)、高能量、高風(fēng)險(xiǎn)石油化工裝置的出現(xiàn),事故及隱患越來越多,事故的災(zāi)害性、意外性、突發(fā)性和社會(huì)性更嚴(yán)重?;谑突ぱb置的上述特點(diǎn),一種全新的超前預(yù)防事故的安全理念隨之產(chǎn)生,即本質(zhì)安全 。本質(zhì)安全是指通過設(shè)計(jì)等手段使生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性,即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會(huì)造成事故的功能,具體包括失誤安全和故障安全兩種安全功能。本質(zhì)安全化是為使設(shè)備、系統(tǒng)達(dá)到本質(zhì)安全而進(jìn)行的研究、設(shè)計(jì)、改造的最佳組合。其目標(biāo):采用技術(shù)手段,預(yù)防生產(chǎn)安全事故,尤其是防止重特大事故重復(fù)發(fā)生;即使發(fā)生事故,人員能免遭傷害或能安全撤離;盡量減輕事故的嚴(yán)重程度。因此,石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的過程控制設(shè)計(jì),它是以安全系統(tǒng)工程為理論基礎(chǔ),以危險(xiǎn)危害因素辨識(shí)為前提,安全評(píng)價(jià)為手段,風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控為核心,事故致因理論為指導(dǎo)的集科學(xué)性、系統(tǒng)性、主動(dòng)性、超前性于一體的貫穿于石油化工裝置規(guī)劃設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)全過程的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。筆者根據(jù)多年石油化工裝置設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn),對(duì)石油化工裝置本質(zhì)安全化的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討,以期為石油化工裝置本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)提供一種指導(dǎo)性的思路和實(shí)用性的方法。
自20世紀(jì)50年代本質(zhì)安全理論誕生以來,大致經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)、制度和預(yù)控三個(gè)階段。預(yù)控即本質(zhì)安全階段,是安全管理的最高階段,其基本的原理是運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù),采用技術(shù)和管理綜合措施,以管理潛在風(fēng)險(xiǎn)源來控制事故,從而實(shí)現(xiàn)一切意外和風(fēng)險(xiǎn)均可控的目標(biāo)。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的主要前提和保證。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是從項(xiàng)目規(guī)劃、工藝開發(fā)、過程控制等源頭消除或降低危險(xiǎn)危害因素,從而實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的,因此,必須遵守以下設(shè)計(jì)原則。
1.1 安全第一的原則
以人為本,安全第一是本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)的最高目標(biāo)。生產(chǎn)和安全相互依存,不可分割。安全和生產(chǎn)的辯證關(guān)系要求石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)過程中必須執(zhí)行有效性服從安全性原則。
有效性是裝置正常運(yùn)行時(shí)間占總時(shí)間的百分比。任何裝置都不能排除出現(xiàn)故障的可能性,本質(zhì)安全裝置也不例外,關(guān)鍵是在故障出現(xiàn)時(shí),其是否具有診斷、定位、排除和告警的功能。要得到好的有效性,本質(zhì)安全裝置必須具備容錯(cuò)和診斷功能以減少停車時(shí)間。為此應(yīng)在設(shè)計(jì)中采用分散和冗余技術(shù)。分散包括本質(zhì)安全裝置各組成單元的結(jié)構(gòu)分散、設(shè)備物理位置分散,控制信號(hào)采集點(diǎn)來源分散和網(wǎng)絡(luò)分散等。冗余包括裝置結(jié)構(gòu)化及其數(shù)量冗余、控制系統(tǒng)冗余、通信模件冗余、連接介質(zhì)冗余和電源冗余等。容錯(cuò)是提高裝置有效性的重要手段,容錯(cuò)是指裝置在出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常工作,同時(shí)又能查出故障的能力。冗余是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的工程方法,容錯(cuò)包括三種不同的功能:故障檢測、故障鑒別、故障隔離。提高裝置的診斷覆蓋率水平,也可以提高裝置有效性。重化、冗余、容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的裝置配置在提高裝置安全性的同時(shí),也提高了裝置的有效性。有效性不影響系統(tǒng)的安全性,但裝置的有效性低可能會(huì)導(dǎo)致裝置和工廠無法進(jìn)行正常生產(chǎn)。
系統(tǒng)安全是指在系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi),應(yīng)用系統(tǒng)安全工程和管理方法,識(shí)別系統(tǒng)中的危險(xiǎn)源,定性或定量表征其危險(xiǎn)性,并采取控制措施使其危險(xiǎn)性最小化,從而使系統(tǒng)在規(guī)定性能、時(shí)間和成本范圍內(nèi)達(dá)到最佳的安全的程度[1]。安全度是裝置在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率,其量化指標(biāo)為安全完整性目標(biāo)測量值,其值越小,安全度越高。安全性針對(duì)過程的兩個(gè)方面:過程問題和系統(tǒng)故障;裝置安全性是組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)安全性的乘積。要提高裝置安全性,必須同時(shí)提高組成裝置各環(huán)節(jié)的安全性,具體就是選用高安全性的工藝流程、設(shè)施、設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)和各種防護(hù)措施等。
1.2 預(yù)防為主的原則
安全是相對(duì)的,危險(xiǎn)是絕對(duì)的。危險(xiǎn)是系統(tǒng)處于容易受到損害或傷害的狀態(tài),常指危險(xiǎn)或危害因素。危險(xiǎn)因素是指能對(duì)人造成傷害或?qū)ξ镌斐赏话l(fā)性損害的因素,主要是指客觀存在的危險(xiǎn),有害物質(zhì)或能量超過一定限值的裝置、設(shè)備和場所等[2]。安全是指系統(tǒng)處于免遭不可接受危險(xiǎn)傷害的狀態(tài)[1],其實(shí)質(zhì)就是防止事故,消除危險(xiǎn)危害因素存在的條件。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)以危險(xiǎn)源辨識(shí)為基礎(chǔ),風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控為核心,以管理人的不安全行為為重點(diǎn),以切斷事故發(fā)生的因果鏈為手段,旨在從過程設(shè)計(jì),工藝開發(fā)等源頭消除或降低危險(xiǎn)源。采取的方案有原料替代、能量控制、工藝方案選擇、本質(zhì)安全評(píng)價(jià)等。
1.3 設(shè)備技術(shù)優(yōu)先原則
安全和危險(xiǎn)是一對(duì)互為存在前提的概念,分別用安全度和危險(xiǎn)度來定性定量描述。人的操作和管理失誤、設(shè)備故障、意外因素等引發(fā)事故是不可避免的,大量事故和試驗(yàn)證明,人的失誤率很高,以百分計(jì);而設(shè)備的失誤率(故障率)較低,是以千分計(jì)、萬分計(jì)。經(jīng)過專門設(shè)計(jì)加工,設(shè)備的失誤率可低于十萬分之一,甚至更低。創(chuàng)造失誤率很低的物質(zhì)技術(shù)條件來保障安全生產(chǎn),就成為必然的選擇。因此要保障安全生產(chǎn),工藝技術(shù)、工具設(shè)備、控制系統(tǒng)和建筑設(shè)施等應(yīng)具有預(yù)防人為失誤和設(shè)備故障引發(fā)事故的功能,最低限度也要做到即使發(fā)生事故,人員不受傷害或能安全撤離,降低事故嚴(yán)重程度。這就是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的設(shè)備優(yōu)先原則。
1.4 目標(biāo)故障原則
事故是指造成人員死亡、傷害、職業(yè)病、財(cái)產(chǎn)損失或其他損失的意外事件[1]。事故的根本原因是由存在危險(xiǎn)有害物質(zhì)、能量和危險(xiǎn)有害物質(zhì)、能量失去控制的綜合作用造成的,并導(dǎo)致危險(xiǎn)有害物質(zhì)的泄漏、散發(fā)和能量的意外釋放。故障(Failure)是功能單元終止執(zhí)行要求功能的能力,根據(jù)故障的表現(xiàn)形式可分為顯形故障和隱形故障。顯形故障是指能夠顯示自身存在的故障,屬于安全故障。隱形故障是指不能顯示自身存在的故障,屬于危險(xiǎn)故障。危險(xiǎn)故障是使本質(zhì)安全系統(tǒng)處于危險(xiǎn)并使其功能失效的潛在故障,隱形故障一旦出現(xiàn),可能使生產(chǎn)裝置陷入危險(xiǎn)。本質(zhì)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是使得系統(tǒng)具有零隱形故障,并且盡量少地影響有效性的顯形故障,從而實(shí)現(xiàn)裝置生產(chǎn)的零事故。
1.5 故障安全原則
故障安全包括失誤安全和故障安全。失誤安全系指誤操作不會(huì)導(dǎo)致裝置事故發(fā)生或自動(dòng)阻止誤操作的能力;故障安全即為設(shè)備、設(shè)施、工藝發(fā)生故障時(shí)裝置還能暫時(shí)正常工作或自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)的功能。冗余、容錯(cuò)、重化是實(shí)現(xiàn)故障安全的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方法。危險(xiǎn)源識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)對(duì)策是實(shí)現(xiàn)故障安全的重要程序。
1.6 安全性、有效性,經(jīng)濟(jì)性綜合原則
有效性和安全性的目標(biāo)是矛盾的,有效性的目的是使過程保持運(yùn)行(安全—運(yùn)行),而安全性的目的是使過程停下來(安全—停車)。提高安全性必然降低有效性,綜合方案就是根據(jù)裝置運(yùn)行要求,工藝特點(diǎn),在滿足設(shè)計(jì)安全等級(jí)前提下,盡量提高裝置的有效性,以減少裝置的無謂停車,提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。提高裝置的有效性和安全性,必然增加裝置的成本。多余的冗余以及富余的安全等級(jí)是一種浪費(fèi)??茖W(xué)的設(shè)計(jì)方法就是根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)過程,選擇合理的系統(tǒng)冗余度。對(duì)于不是很重要的過程,可以犧牲一些系統(tǒng)安全性來提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)有效性,而主要的、高危的生產(chǎn)過程則采用較高冗余度,確保生產(chǎn)的安全平穩(wěn)。在安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)生沖突時(shí),必須執(zhí)行安全第一的原則。
石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)程序包括了石油化工裝置整個(gè)安全生命周期。根據(jù) IEC61508的有關(guān)定義,安全生命周期是指實(shí)現(xiàn)裝置安全必須進(jìn)行的有關(guān)活動(dòng),包括了從項(xiàng)目概念設(shè)計(jì)的啟動(dòng)到裝置及其輔助設(shè)施不再可用(失效)為止的整個(gè)周期。用系統(tǒng)化的方法處理以上活動(dòng)以得到裝置安全要求所采用的整體本安生命周期的理論架構(gòu),如圖1所示。整個(gè)本安生命周期各階段要達(dá)到的目標(biāo)見表1所列。石油化工裝置的設(shè)計(jì)一般分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段,因此石油化工裝置的本安設(shè)計(jì)也應(yīng)分步進(jìn)行以提高裝置本質(zhì)安全化水平。石油化工裝置的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)不是純單向的,每一階段都會(huì)對(duì)前一階段的工作進(jìn)行評(píng)價(jià),如發(fā)現(xiàn)有不足和錯(cuò)誤,則返回前一個(gè)階段重新研究并進(jìn)行修正,再重新設(shè)計(jì),直到設(shè)計(jì)方案符合裝置本質(zhì)要求。其設(shè)計(jì)程序的流程如圖2所示。
圖1 整體本安生命周期技術(shù)架構(gòu)
表1 整體本安生命周期各階段目標(biāo)概述
續(xù) 表 1
圖2 石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)流程
石油化工裝置的本安設(shè)計(jì)是建立在以物為中心的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和事故預(yù)防技術(shù)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)理念,強(qiáng)調(diào)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)、本質(zhì)安全措施是保障生產(chǎn)安全、預(yù)防操作失誤、降低裝置風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)故障安全,石油化工裝置往往采用多重安全防護(hù)措施。這些措施不僅包括直接安全技術(shù)措施、間接安全技術(shù)措施、指示性安全技術(shù)措施,而且也包括當(dāng)以上三種措施仍不能避免事故和危害發(fā)生時(shí)所采用的安全管理防護(hù)措施等。其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)安全防護(hù)措施的層次結(jié)構(gòu)
石油化工裝置的主要風(fēng)險(xiǎn)源有化學(xué)危險(xiǎn)品、易燃易爆性物質(zhì)、有毒性物質(zhì)、腐蝕性物質(zhì)等的生產(chǎn)、儲(chǔ)存;設(shè)備、設(shè)施缺陷;高溫低溫;高壓;能量意外釋放等。根據(jù)安全防護(hù)等級(jí)的層次結(jié)構(gòu),分別采取消除、替換、強(qiáng)化、弱化、屏護(hù)、時(shí)空隔離、保險(xiǎn)、聯(lián)鎖、冗余設(shè)計(jì)、報(bào)警等措施。措施的最佳組合加輔助性安全措施,可有效消除或降低裝置危險(xiǎn)危害因素的發(fā)生。
3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段
規(guī)劃設(shè)計(jì)階段也稱為可行性分析階段,主要通過貫徹安全生產(chǎn)的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及工程系統(tǒng)資料實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目本質(zhì)安全總圖布置。
3.2 概念設(shè)計(jì)階段
主要對(duì)總圖布置及建筑物的危險(xiǎn)危害因素進(jìn)行辨識(shí),實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目選址和廠區(qū)平面布置的本質(zhì)安全。選址時(shí),除考慮建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)的合理性,并滿足工業(yè)布局和城市規(guī)劃的要求外,在安全方面應(yīng)重點(diǎn)考慮地質(zhì)、地形、水文、氣象等自然條件對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)的影響和企業(yè)與周邊地區(qū)的相互影響。廠區(qū)平面在滿足生產(chǎn)工藝流程、操作要求、使用功能需要和消防及環(huán)境要求的同時(shí),主要從風(fēng)向、安全防火距離、交通運(yùn)輸安全以及各類作業(yè)和物料的危險(xiǎn)危害性出發(fā),確定廠區(qū)平面布置。
3.3 工藝設(shè)計(jì)階段
石油化工裝置承載著將原油加工成各種石油石化中間和最終產(chǎn)品的任務(wù)。加工條件和反應(yīng)過程決定了裝置的工作狀況以及危險(xiǎn)危害因素的類別和組別,同時(shí)也決定著裝置應(yīng)該采取的本質(zhì)安全防護(hù)對(duì)策措施。工藝設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是根據(jù)裝置要求,依據(jù)物料、能源平衡原理,選擇適合于生產(chǎn)要求的工藝流程以及對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品所采取的防火防爆對(duì)策。工藝流程應(yīng)為低壓、常溫工藝,盡量避免使用高壓、高溫工藝,減少爆炸危險(xiǎn)性物質(zhì)等存在。應(yīng)選擇無害化的工藝技術(shù),或以無害物質(zhì)代替有害物質(zhì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)等,盡可能從根本上避免危險(xiǎn)危害因素的發(fā)生;當(dāng)消除危險(xiǎn)危害因素有困難時(shí),應(yīng)采取預(yù)防措施如設(shè)置安全閥和各種防靜電接地、防雷接地、保護(hù)接地、漏電保護(hù)等預(yù)防危險(xiǎn)危害因素發(fā)生。當(dāng)無法避免且難以預(yù)防時(shí),也應(yīng)該采取減少危險(xiǎn)危害因素發(fā)生的措施如設(shè)置防火堤、防火間距、以低毒物質(zhì)代替高毒物質(zhì)等措施來減少危險(xiǎn)危害因素的發(fā)生;如果連減少都無法實(shí)現(xiàn)時(shí),必須采取隔離和聯(lián)鎖裝置終止危害因素的發(fā)生。
3.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段
就是在選定工藝流程的條件下,進(jìn)行設(shè)備選型、管理走線、控制方案及控制設(shè)備等的設(shè)計(jì)。設(shè)備包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、專業(yè)設(shè)備、特征設(shè)備和電氣設(shè)備等。在選用生產(chǎn)設(shè)備時(shí),除應(yīng)滿足工藝功能外,應(yīng)對(duì)設(shè)備的勞動(dòng)安全性能給予足夠的重視,保證設(shè)備按規(guī)定使用時(shí)不會(huì)發(fā)生任何危險(xiǎn),不排放超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有害物質(zhì);盡量選用自動(dòng)化程度和本質(zhì)安全程度高的生產(chǎn)設(shè)備。選用的鍋爐、壓力容器等特種設(shè)備,必須由持有安全、專業(yè)許可證的單位進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和安裝,并應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)規(guī)定的要求。物料的腐蝕性在這一階段應(yīng)作為重點(diǎn)考慮,為保障不因設(shè)備腐蝕造成可靠性的下降,應(yīng)充分考慮設(shè)備材質(zhì)和防腐措施。
本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是裝置本質(zhì)安全的首要一環(huán),是安全生產(chǎn)的重要前提。危險(xiǎn)源的辨識(shí)、評(píng)價(jià)和控制是實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的科學(xué)方法。消除人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)各階段的最高目標(biāo)。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)中應(yīng)分析、研究裝置工藝過程中人、機(jī)、料、法、環(huán)諸因素對(duì)生產(chǎn)本質(zhì)安全的影響,根據(jù)安全對(duì)策措施的基本要求和安全技術(shù)措施等級(jí),采取消除、預(yù)防、減弱、隔離、聯(lián)鎖、報(bào)警等措施,經(jīng)過多周期、閉環(huán)控制、逐步完善提高,實(shí)現(xiàn)裝置本質(zhì)安全。實(shí)踐證明,本質(zhì)安全措施的成功設(shè)計(jì)和各安全措施的最佳組合可使裝置安全生產(chǎn)收到事半功倍的效果。
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The Intrinsic Safety Design of Petrochemical Plants
Liu Chaoming
(1.The China Uni.of Petroleum,Dongying,257061,China; 2.The China National Oil and Gas Exploration and Development Corp.Beijing,100034,China)
The intrinsic safety design is a design method which put the failure-safety as the goal.Based on analyzing the accident cause theory,the design principle,procedure and measures of the intrinsic safety design in petrochemical units are introduced.The design principle mainly includes that safety is the first,prevention is primary,preference of equipment technology,goal failure,failure-safety and comprehensive consideration of safety,availability and economy.The design procedure includes the aim of the individual party and phase covering all safe life period of the plant.The measure consists of the analyses,evaluation and control of hazarding and harming factors in various phases.One guide thought and practice way is provided for the intrinsic safety design of petrochemical plants.
hazard;safety;intrinsic safety;failure safety;analysis;evaluation;control
TP202.1
B
1007-7324(2010)06-0001-05
2010-08-13。
劉超明(1967—),湖北天門人,1989畢業(yè)于江漢石油學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化儀表專業(yè),長期從事國內(nèi)外工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn),任高級(jí)工程師。