常減壓裝置加熱爐的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計探討

李莉，趙運昕，賈玉明

(中海油石化工程公司，山東 青島 266101)

加熱爐是煉油裝置中提供熱量的單元，是油品蒸餾、裂解及轉(zhuǎn)化的核心設(shè)備，同時也是裝置安全、連續(xù)穩(wěn)定運行的重點監(jiān)控對象。加熱爐穩(wěn)定運行，不僅關(guān)系到產(chǎn)品的合格率，還是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。近年來，石化裝置安全事故頻發(fā)，對員工人身安全、企業(yè)及國家財產(chǎn)損失造成了不可估量的影響，為此對涉及安全生產(chǎn)的各方面都應(yīng)引起重視。同時隨著國家對環(huán)保要求越來越嚴格，用戶更多使用天然氣作為加熱爐的燃料。本文僅以常減壓裝置管式加熱爐(燃氣型)的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計方案進行總結(jié)，供各位同行參考。

1 加熱爐的安全儀表功能(SIF)

加熱爐正常穩(wěn)定的生產(chǎn)是各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作、綜合作用的結(jié)果。任何一個子系統(tǒng)發(fā)生故障，都將對加熱爐產(chǎn)生或大或小的影響。對加熱爐而言，通常經(jīng)過危險與可操作分析(HAZOP)、保護層分析(LOPA)、安全完整性等級(SIL)評估，最終得到其SIL評估報告，在此基礎(chǔ)上，為加熱爐各子系統(tǒng)設(shè)置SIF[1]。當加熱爐子系統(tǒng)故障時，各子系統(tǒng)的SIF回路務(wù)必使加熱爐處于安全狀態(tài)，必要時將觸發(fā)停爐聯(lián)鎖。

1.1 物料進/出管路的SIF

加熱爐的進料流量過低，致使油品停留在爐管內(nèi)的時間變長，一方面易使爐出口介質(zhì)溫度升高，影響產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，常壓爐、減壓爐所加熱的常底油、減底油屬于高黏度重油，油品在爐管中滯留時間過長，容易導致爐管燒穿，存在重大的安全隱患。當加熱爐各進料支路流量低低或相應(yīng)出料支路溫度高高時，聯(lián)鎖關(guān)閉主燃料氣管線閥。物料進出管路的聯(lián)鎖方案如圖1所示。

圖1 物料進/出管路的聯(lián)鎖方案示意

1.2 燃料氣系統(tǒng)的SIF

在生產(chǎn)過程中，若加熱爐因意外狀況突然熄火(如供氣不足)，長明燈也未能燃燒，將導致燃料氣在爐膛內(nèi)積聚，當濃度達到爆炸極限或遇明火時會發(fā)生爆炸[2]，為此設(shè)置如下兩類聯(lián)鎖： 主燃料氣管線壓力低低聯(lián)鎖，關(guān)閉主燃料氣管線閥；長明燈管線壓力低低聯(lián)鎖，關(guān)閉長明燈管線閥及主燃料氣管線閥。

主燃料氣管線壓力高高將產(chǎn)生燃燒不充分、燃料氣積聚的后果，設(shè)置如下聯(lián)鎖： 主燃料氣管線壓力高高聯(lián)鎖，關(guān)閉主燃料氣管線閥。

1.3 爐膛的SIF

常減壓加熱爐的爐管是加熱油品的載體，為防止爐管高溫受損，設(shè)爐膛溫度高高聯(lián)鎖，關(guān)閉加熱爐主燃料氣管線閥。

通?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)引風機的頻率或煙囪擋板的開度來維持爐膛的微負壓狀態(tài)，爐膛壓力過高，進入爐膛的空氣降低，將導致燃燒不充分，設(shè)置爐膛壓力高高聯(lián)鎖，關(guān)閉長明燈管線閥及主燃料氣管線閥。

1.4 余熱回收系統(tǒng)[3]的SIF

加熱爐的余熱回收系統(tǒng)主要是用引風機將煙囪的煙氣引出加熱爐，中間利用余熱回收系統(tǒng)使冷空氣升溫，以滿足加熱爐入口的空氣溫度要求。

受空氣預(yù)熱器材質(zhì)選擇的影響，為避免損壞設(shè)備，進入空氣預(yù)熱器的溫度不得高于其受熱極限?？諝忸A(yù)熱器入口煙氣溫度高高，聯(lián)鎖啟用煙氣旁路。

由于生產(chǎn)過程中的意外情況，如加熱爐的空氣預(yù)熱器損壞，引風機入口煙氣溫度高于其材質(zhì)受熱極限時，將損壞引風機；引風機或空氣預(yù)熱器故障會造成引風機入口壓力超高，將對爐膛壓力造成波動。因此，引風機入口煙氣溫度高高或壓力高高時，聯(lián)鎖啟用煙氣旁路[4]。

啟用煙氣旁路的聯(lián)鎖設(shè)置有多種方式，如打開煙囪密封擋板，停引風機。具體情況還應(yīng)該根據(jù)鍋爐專業(yè)的煙氣旁路設(shè)計方案確定。余熱回收系統(tǒng)的聯(lián)鎖方案如圖2所示。

圖2 余熱回收系統(tǒng)的聯(lián)鎖方案示意

1.5 通風系統(tǒng)的SIF

生產(chǎn)過程中，若因鼓風機故障而引起風道上壓力低低，必須啟用自然通風，若自然通風無法實現(xiàn)，則應(yīng)停爐。自然通風是通過煙囪的抽力以及進入快開風門的自然風實現(xiàn)的，因此鼓風機出口主風道上壓力低低，聯(lián)鎖打開煙囪密封擋板、打開快開風門、停引風機和鼓風機；當聯(lián)鎖發(fā)生15 s后，系統(tǒng)未收到快開風門的全開反饋信號，聯(lián)鎖關(guān)閉主燃料氣管線閥。

2 加熱爐各子系統(tǒng)的SIF的SIL評估

以國內(nèi)某煉廠為例，其常減壓裝置經(jīng)過HAZOP分析、LOPA分析、SIL評估，最終得到該裝置的SIL評估報告，其中該常壓爐的各SIF的SIL評估結(jié)果詳見表1所列；減壓爐各SIF的SIL評估結(jié)果與常壓爐相同。

表1 某廠常壓爐SIL的評估結(jié)果

加熱爐各子系統(tǒng)的SIL采用低要求操作模式下的平均失效概率衡量，在該模式下各子系統(tǒng)的平均失效概率見公式[5](1)：

PFDSYS=PFDS+PFDL+PFDFE

(1)

式中：PFDSYS——E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能在要求時的平均失效概率；PFDS——傳感器子系統(tǒng)要求的平均失效概率；PFDL——邏輯子系統(tǒng)要求的平均失效概率；PFDFE——最終元件子系統(tǒng)要求的平均失效概率。

此外，PFDS，PFDFE是關(guān)于失效率、診斷覆蓋率、檢驗測試時間間隔、平均恢復時間、失效分數(shù)的函數(shù)，并根據(jù)其子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，而采用不同的函數(shù)公式。子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括：“1oo1” “1oo2” “2oo2” “1oo2D” “2oo3”，其具體函數(shù)公式見IEC 61508-6： 2010Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystem-part6：GuidelinesontheapplicationofIEC61508-2andIEC61508-3[6]。

3 儀表及控制閥的設(shè)置

加熱爐的儀表及控制閥在選型中應(yīng)對其SIL能力提出要求，根據(jù)IEC 61508，可選用基于“經(jīng)驗使用”的設(shè)備(不適應(yīng)于SIL3)，或基于“IEC 61508認證”的設(shè)備。

SIL是對某個SIF回路風險降低能力的表征，對于子系統(tǒng)設(shè)備而言，無論是否取得認證機構(gòu)的認證，均指其具備相應(yīng)的SIL能力，即遵循IEC 61508的規(guī)定，其單個儀表完成SIF時符合對應(yīng)的SIL值[7]。

3.1 SIL1級儀表及控制閥的設(shè)置

SIL1級SIF，儀表及控制閥可采用“1oo1”的結(jié)構(gòu)。根據(jù)GB/T 20438.6—2006《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全 第6部分： GB/T 20438.2和GB/T 20438.3的應(yīng)用指南》，該結(jié)構(gòu)的平均失效概率可推導為式(2)：

(2)

式中：PFDavg——平均失效概率；λDU——未檢測到的危險失效率；λD——危險失效率；T1——檢驗測試時間間隔；MTTR——平均恢復時間。

對于沒有SIL認證的儀表及控制閥，若供貨商或用戶在長期(推薦1×104h及以上)、大量(推薦1×105臺級別及以上)的實際應(yīng)用中，通過統(tǒng)計，可提供相似場合儀表及控制閥的λDU，λD，T1，MTTR等基本參數(shù)供設(shè)計方使用，設(shè)計人員可根據(jù)式(2)簡單核算，以判斷儀表及控制閥是否滿足SIL1級的要求。

根據(jù)IEC 61508的結(jié)構(gòu)約束可推斷： 對于類似電磁閥、安全柵、浪涌保護器、普通變送器等結(jié)構(gòu)簡單的A類儀表，可直接通過式(2)計算其PFDavg，并據(jù)此判斷其是否滿足SIL1級的要求；但對于智能變送器這種結(jié)構(gòu)復雜的B類儀表，僅通過式(2)計算其PFDavg是不夠的，首先應(yīng)計算智能變送器的安全失效分數(shù)(SFF)，只有SFF>60%，才能通過式(2)判斷其SIL的SFF的計算如式(3)所示：

SFF=(λS+λDD)/λ

(3)

式中：λS——安全失效率；λDD——檢測到的危險失效率；λ——失效率。

各失效率之間的關(guān)系如式(4)和式(5)所示：

λD=λDU+λDD

(4)

λ=λD+λS

(5)

基于“IEC 61508認證”的儀表及控制閥，選型時要求其SIL應(yīng)不低于SIL1。對于具有認證的儀表，設(shè)計及采購時還應(yīng)該關(guān)注其認證報告中描述的各類參數(shù)、使用條件或限制。

綜上所述，加熱爐SIL1級SIF的儀表及控制閥推薦選用“1oo1”結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下，變送器及控制閥的SIL不應(yīng)低于SIL1。

3.2 SIL2級儀表及控制閥的設(shè)置

對于SIL2級SIF，主燃料氣管線壓力測量、長明燈燃料氣管線壓力測量、爐膛溫度測量及爐膛壓力測量用智能變送器，宜采用冗余的設(shè)置方式，主燃料氣管線閥及長明燈管線閥宜采用冗余的設(shè)置方式[8]。

3.2.1 智能變送器的設(shè)置

傳感器子系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)可設(shè)置為：“1oo2” “2oo2”“2oo3”，其硬件故障裕度(HFT)分別為1， 0， 1。

根據(jù)IEC 61508的結(jié)構(gòu)約束規(guī)定，可推斷出： SIL3及以下的傳感器及最終元件子系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的HFT加1，則子系統(tǒng)中各設(shè)備的SIL等級允許減1。例如： 若傳感器子系統(tǒng)不采用冗余設(shè)置或其冗余結(jié)構(gòu)的HFT為0，傳感器的SIL必須達到SIL2，其子系統(tǒng)的SIL才能達到SIL2；若傳感器子系統(tǒng)的HFT為1，各傳感器的SIL只需達到SIL1，其子系統(tǒng)的SIL便可達到SIL2。

因此，冗余結(jié)構(gòu)為“1oo2”或“2oo3”時，可選用SIL1的智能變送器；冗余結(jié)構(gòu)為“2oo2”時，應(yīng)選用SIL2的智能變送器。加熱爐智能變送器的冗余設(shè)置不推薦應(yīng)用“2oo2”結(jié)構(gòu)。

根據(jù)ISA-TR84.00.02[9]，“1oo2”及“2oo3”結(jié)構(gòu)的PFDavg見簡化公式(6)～(7)；其誤停車率(STR)見簡化公式(8)～(9)：

(6)

PFDavg=λDU2T12

(7)

STR=2λS

(8)

STR=6λS2MTTR

(9)

由式(6)～(9)可見，“1oo2”結(jié)構(gòu)的平均失效概率雖然較“2oo3”結(jié)構(gòu)低，仍屬于同一數(shù)量級；而“1oo2”結(jié)構(gòu)的STR[10]卻遠高于“2oo3”結(jié)構(gòu)，二者甚至不屬于一個數(shù)量級?！?oo2”結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是其設(shè)備成本低于“2oo3”結(jié)構(gòu)，但誤停車后造成的損失卻遠高于其設(shè)備成本。

對于SIL2級SIF中變送器子系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)綜合考慮其平均失效概率、誤停車率、設(shè)備成本及用戶意見，選擇合適的設(shè)置方案。

綜上所述，加熱爐SIL2級SIF的智能變送器子系統(tǒng)推薦選用“2oo3”的冗余結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下，智能變送器的SIL不應(yīng)低于SIL1。

3.2.2 控制閥的設(shè)置

主燃料氣管線閥的冗余設(shè)置可采用1臺開關(guān)閥與1臺控制閥的方案，其中控制閥還用于控制爐出口溫度；長明燈管線閥的冗余方式可采用2臺開關(guān)閥的設(shè)置方案。

控制閥的冗余方式采用“1oo2”結(jié)構(gòu)，其HFT為1，因此控制閥的SIL不應(yīng)低于SIL1。

4 邏輯控制器的設(shè)置

通常按工藝裝置設(shè)置邏輯控制器，不單獨為加熱爐設(shè)置邏輯控制器，而據(jù)以往的SIL評估結(jié)果，常減壓裝置的邏輯控制器宜選用SIL2。

邏輯控制器應(yīng)為冗余結(jié)構(gòu)，冗余結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)不同的供貨商選用其各自成熟的冗余模式。此外，邏輯控制器是基于LVL語言的設(shè)備，其SIL不能利用公式計算，選型時應(yīng)選用經(jīng)認證的產(chǎn)品。

5 結(jié)束語

加熱爐是常減壓裝置中提供熱量的設(shè)備，也是涉及安全生產(chǎn)的核心設(shè)備，在對其詳盡分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置合理的安全儀表系統(tǒng)是十分必要的。本文中的現(xiàn)場儀表、控制閥及邏輯控制器的設(shè)置是最低標準，僅供同行參考，同時儀表及系統(tǒng)選型應(yīng)符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范。隨著國家對安全生產(chǎn)越來越重視，建議裝置建成后，用戶根據(jù)儀表、閥門及邏輯控制器的實際參數(shù)對各SIF回路的SIL進行驗證，若有不滿足的回路，可通過提高子系統(tǒng)硬件故障裕度、設(shè)備SIL或調(diào)整檢驗測試時間間隔的方式解決。