在役石化罐區(qū)儀表安全設計診斷

李國運，趙文軍，王少華

（1.浙江省天正設計工程有限公司，杭州 310000；2.巴斯夫化工有限公司，上海 200000）

0 引言

石化罐區(qū)一直是事故的高發(fā)領域，比如2013年中石油大連石化公司三苯罐區(qū)較大爆炸火災事故；2017年山東臨沂金譽石化爆炸著火事故；2021年河北常州油罐著火事故等。這些事故用血的教訓警示相關人員要認識安全的重要性，要從設計、施工到日常監(jiān)測監(jiān)控、設備設施管理、日常運行管理等全方面提高安全意識，加強安全監(jiān)管。

根據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕68號《進一步加強化學品罐區(qū)安全管理》的通知，明確對在役的危險化學品罐區(qū)進行安全隱患排查，對隱患問題清單進行整治提升，降低安全風險等級。如果儲存危險化學品設施未經(jīng)過正規(guī)設計，且未經(jīng)過設計診斷的，直接判定為高風險。因此，近期相關企業(yè)密集提請正規(guī)設計院進行安全設計診斷。本文重點闡述了對石化罐區(qū)如何進行安全設計診斷，自動化儀表所涉及的診斷內(nèi)容以及其相關法規(guī)和規(guī)范依據(jù)，并對相關企業(yè)的自控安全改造提出了建議。

1 自動化控制系統(tǒng)

由于歷史原因，部分企業(yè)還采用人工的方式進行石化罐區(qū)的運行操作。液位測量采用人工檢尺，物料的輸入輸出采用手動閥門進行操作，這樣不僅效率低下、人工成本高、準確性較差，更無法及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)運行中存在的問題，出現(xiàn)事故時也無法迅速采取有效措施，隱患極大。根據(jù)安監(jiān)總管三〔2012〕87號《關于開展提升危險化學品領域本質(zhì)安全水平專項行動》的通知，要求涉及重點監(jiān)管危險化工工藝的化工裝置，涉及重點監(jiān)管危險化學品的生產(chǎn)儲存裝置和危險化學品重大危險源（兩重點一重大）需要進行自動化控制系統(tǒng)改造，明確未裝備自動化控制系統(tǒng)的企業(yè)要補充裝備，對重要的工藝參數(shù)，比如液位、壓力、溫度等進行實時監(jiān)控預警。如果發(fā)生異常，自動控制系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)，自動報警，操作人員可以判斷發(fā)生異常的根源，及早排除事故隱患。

罐區(qū)的自動化控制系統(tǒng)主要采用分散控制系統(tǒng)DCS，一些小型、分散、遠距離的罐區(qū)可能會采用SCADA、PLC等控制系統(tǒng)[1]。

根據(jù)儲罐的容量，工藝是否要求為計量級儲罐，是常壓、低壓儲罐還是壓力儲罐，儲罐上配置的儀表都不盡相同。一般在儲罐上需要設置就地指示和可以集中顯示的溫度測量儀表、壓力測量儀表、液位測量儀表等。在儲罐的物料管道進出口設置遠程操作的切斷閥，正常運行時遠程操作物料的進出，發(fā)生事故時及時切斷物料輸送，將事故源與危險源分割。

石化罐區(qū)還應該設置音視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)。攝像頭的設置數(shù)量和位置要按照罐區(qū)實際情況，選用防爆攝像機；監(jiān)視范圍覆蓋為有可能突發(fā)危險或發(fā)生火災的地方，比如儲罐頂部、泵房、罐區(qū)根部閥等位置。

2 安全儀表系統(tǒng)

石化罐區(qū)存儲的物料數(shù)量大，多為易燃易爆或有毒有害物質(zhì)。如果發(fā)生事故，將對人民生命財產(chǎn)安全和自然環(huán)境造成嚴重危害，而安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）是對危險化學品罐區(qū)安全性的有效保障措施。根據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕116號《加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》中，凡是涉及“兩重點一重大”在役生產(chǎn)裝置或設施的化工企業(yè)和危險化學品儲存單位，要在全面開展過程危險分析（如危險與可操作性分析）基礎上，通過風險分析確定安全儀表功能及其風險降低要求，并盡快評估現(xiàn)有安全儀表功能是否滿足風險降低要求。所以，安全診斷的第一項就是明確相關企業(yè)是否進行了危險與可操作性分析（Hazard And Operability Studies，HAZOP）。如果尚未進行HAZOP分析，則要求企業(yè)委托有相應資質(zhì)的正規(guī)設計單位進行相關分析；如果已經(jīng)完成分析，則需要根據(jù)HAZOP分析報告和LOPA定級報告的分析建議項，診斷涉及罐區(qū)的自動化控制是否符合安全功能要求，是否需要配備安全儀表系統(tǒng)。安全評估后，一般會產(chǎn)生以下兩份報告：

2.1 HAZOP分析報告

HAZOP分析是根據(jù)工藝流程圖（PFD）、管道和儀表流程圖（PID）、設備布置圖、工藝流程描述和聯(lián)鎖或順序控制說明、設備數(shù)據(jù)表等資料，對裝置的危害和可操作性進行詳細的審核。通過HAZOP分析，確定可能存在的偏差，以及由此導致的問題和后果，同時評估現(xiàn)有防護措施，必要時提出補充建議措施。

2.2 SIL定級報告

SIL定級分析一般是在HAZOP分析的基礎上，基于HAZOP分析報告，管道儀表流程圖（PID），聯(lián)鎖因果表等進行。一般采用保護層分析法（Layer Of Protection Analysis，LOPA），LOPA分析是SIL定級分析中最常用的半定量分析方法，通過初始事件頻率、后果嚴重程度和獨立保護層失效頻率的乘積大小來辨識場景的風險[2]。

2.3 SIL等級選擇結果

SIF是指安全儀表功能，為一個聯(lián)鎖回路中執(zhí)行HSE相關回路的一個聯(lián)鎖。在SIL定級報告中一般有如下結果：

SIL-：表明這個回路可以取消，如果保留則可以通過過程控制系統(tǒng)BPCS實現(xiàn)。

SIL1～SIL3：表明這個SIF必須通過SIS實現(xiàn)。

SIS是一套獨立于BPCS的控制系統(tǒng)。其設置成故障安全型，也就是當危險發(fā)生時，系統(tǒng)會按照事先預定的程序完成各個保護動作。一般當定級為SIL1時，測量儀表可以和過程控制系統(tǒng)的測量儀表共用。通常有兩種做法：一種是測量儀表的信號先接入SIS，通過一進二出模塊將信號再接入到過程控制系統(tǒng)中；另一種是測量儀表直接引出兩個信號，分別接入到SIS和過程控制系統(tǒng)。最終元件包括調(diào)節(jié)閥、切斷閥、電磁閥、動設備等，通常也有兩種做法：一種是在過程控制的調(diào)節(jié)閥閥門定位器前加裝電磁閥，將電磁閥信號引入SIS。當觸發(fā)聯(lián)鎖時，電磁閥直接控制氣路開閉，使調(diào)節(jié)閥迅速達到安全位置。這種做法可以減少改造內(nèi)容，降低改造成本，但是由于調(diào)節(jié)閥頻繁動作容易損壞，安全性并不理想。另一種是直接在過程控制的閥門前加裝緊急切斷閥，直接接入SIS中，安全性比較高。當定級為SIL2和SIL3時，測量儀表要獨立于過程控制系統(tǒng)設置，即采用額外的溫度、壓力等檢測器直接接入SIS中。控制閥也必須采用額外的閥門進入SIS。

綜上所述，涉及診斷需要根據(jù)SIL定級報告的結論，確定是否需要SIS系統(tǒng)。如果需要，而在役罐區(qū)僅有過程控制系統(tǒng)并無SIS系統(tǒng)，則需要建議企業(yè)進行罐區(qū)的SIS改造。這可能涉及現(xiàn)場儀表，線路和配備SIS系統(tǒng)等各方面的改造升級。如果不需要，則僅需要對HAZOP中的建議措施進行復核，必要時進行相關改造。

3 可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)

當化學品罐區(qū)存儲的物質(zhì)發(fā)生泄漏時，操作人員很難及時發(fā)現(xiàn)。如果儲存可燃物質(zhì)，當泄漏達到一定濃度時，很容易發(fā)生火災甚至爆炸等危險事故；如果儲存有毒物質(zhì)，當泄漏發(fā)生后，相關人員在現(xiàn)場極易發(fā)生中毒或窒息。可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)（Gas Detection System，GDS）的設置是安全設施的重要組成部分，可以很大程度地對泄漏進行預警，所以在儲存可燃氣體和有毒氣體的罐區(qū)必須設置GDS系統(tǒng)。在安全設計診斷時，首先要確認罐區(qū)是否存儲了可以產(chǎn)生可燃及有毒氣體的介質(zhì)。如果有，是否配備了足量的氣體探測器，是否安裝有GDS系統(tǒng)。2019年9月25日，GB/T 50493-2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》正式發(fā)布，于2020年1月1日起正式實施，與舊標準GB50493-2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》部分內(nèi)容有所差異。因此，要核實可燃有毒氣體檢測報警系統(tǒng)和檢測器的布置是否滿足新版規(guī)范的要求。

按照新版規(guī)范需要注意以下幾點：

1）氣體探測器檢測半徑要求改變

釋放源位于露天或敞開式廠房內(nèi)，可燃氣體探測器距其所覆蓋范圍內(nèi)的任一釋放源的水平距離更改為不宜大于10m[2]，而非舊版規(guī)范中的15m。距離減少，意味著可能需要更多的可燃氣體探測器。有毒氣體探測器距其所覆蓋范圍內(nèi)的任一釋放源的水平距離不宜大于4m，而在舊版規(guī)范中為2m。距離增大，可能取消一些有毒氣體探測器，同時取消了全年最小頻率風向上風側的描述，增加了“水平”字樣。

2）新規(guī)范明確要求了GDS系統(tǒng)應獨立于其他系統(tǒng)，單獨設置。這就意味著有些之前設計的可燃有毒氣體探測器接入了BPCS系統(tǒng)中，不符合現(xiàn)行規(guī)范，需要整改。

3）新規(guī)范要求GDS系統(tǒng)需要將可燃氣體二級報警信號、可燃氣體和有毒氣體檢測報警控制單元的故障信號送至消防控制室。這點在舊版規(guī)范中是沒有的，需要在設計復核時檢查獨立的控制系統(tǒng)是否與消防控制器進行通信或硬線連接。

4 控制室抗爆

控制室一般包括放置控制系統(tǒng)機柜的機柜室和放置操作站的操作室，需要布置在爆炸危險區(qū)域外。雖然在爆炸危險區(qū)域外，但并不意味著位于安全區(qū)域。因為一旦爆炸發(fā)生，高溫高壓氣體急速膨脹，使空氣密度和壓力產(chǎn)生突變即產(chǎn)生沖擊波。沖擊波很有可能危害到臨近布置的控制室，導致有人值守的控制室倒塌，造成操作人員的傷亡。

安委〔2020〕3號國務院安全生產(chǎn)委員會，關于印發(fā)《全國安全生產(chǎn)專項整治三年行動計劃》的通知，要求涉及爆炸危險性化學品的生產(chǎn)裝置控制室不可以布置在裝置區(qū)內(nèi)；甲乙類火災危險性的生產(chǎn)裝置控制室，原則上不得布置在裝置區(qū)內(nèi)。確需布置，需要按照規(guī)范進行抗爆設計、建設和加固。

控制室是否要進行抗爆結構設計，在規(guī)范中也有明確要求：在SH/T 3006-2012《石油化工控制室設計規(guī)范》中，規(guī)定對于有爆炸危險的石油化工裝置，控制室建筑物的建筑、結構應根據(jù)抗爆強度計算，分析結果設計[3]。在化工規(guī)范HG/T 20508-2014《控制室設計規(guī)定》中，規(guī)定對于有爆炸危險的化工裝置，控制室、現(xiàn)場控制室應采用抗爆結構設計[4]。

對于在役的石化罐區(qū)的安全設計診斷，需要看企業(yè)是否在罐區(qū)附近設置了控制室，如果設置了，是否進行了爆炸風險評估。按照評估結果，如果需要做抗爆結構，那么控制室就要進行相應的改造或拆除。

5 安全診斷實際案例

某公司針對其石化罐區(qū)進行了安全設計診斷。經(jīng)過對施工藍圖和現(xiàn)場踏勘了解到：石化罐區(qū)存儲的介質(zhì)為汽柴油，物料性質(zhì)為易燃易爆，屬于重點監(jiān)管危險化學品，整個石化罐區(qū)構成一級重大危險源。但是罐區(qū)內(nèi)自動化控制系統(tǒng)陳舊，部分儀表滿足不了功能要求，無安全儀表系統(tǒng)，如遇緊急情況，存在重大安全隱患。

5.1 安全隱患

1）該石化罐區(qū)屬于“兩重點一重大”，但并未進行HAZOP分析和SIL定級。

2）未設置獨立的安全儀表控制系統(tǒng)（SIS），所有動作均在過程控制系統(tǒng)中完成。

3）儲罐僅采用一臺雷達液位計，作為遠傳液位儀表。

4）液位計選型不規(guī)范。就地液位計采用普通玻璃液位計，且無保護措施。

5）控制室未采用抗爆結構，且面向裝置設有窗戶。

6）石化罐區(qū)設置了可燃氣體報警系統(tǒng)，但是接入了過程控制系統(tǒng)，只是與過程控制系統(tǒng)采用不同的輸入卡件；同時未將二次報警信號及控制器故障報警信號接入消控室。

5.2 安全診斷依據(jù)及整改意見

1）依據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕116號《加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》，對于涉及“兩重點一重大”的在役存儲設施，均需要進行安全儀表評估工作。此石化罐區(qū)需要進行HAZOP分析，確定SIL等級后，增加相應內(nèi)容。

2）庫區(qū)儲罐屬于一級重大危險源，僅有過程控制系統(tǒng)，很難完成安全控制任務，很有可能需要根據(jù)安全儀表評估的結果，增加相關安全儀表設備和線路。

3）根據(jù)GB 50160-2018《石油化工企業(yè)設計防火標準》，可燃液體的儲罐應設液位計和高液位報警器，也就是可燃液體儲罐需要設置至少兩臺液位計。一臺液位計專門用于高液位報警，可以是連續(xù)測量的液位計，也可以是高液位開關。儲罐需要增加遠傳液位計或者液位開關，由于是在役罐區(qū)改造，可以使用外貼式液位開關，避免儲罐開孔。

4）由于玻璃管液位計采用普通玻璃制成，保養(yǎng)不當或者撞擊磕碰都容易造成損壞，嚴重地會導致介質(zhì)泄漏。所以對于易燃易爆和有毒介質(zhì)不采用普通玻璃管液位計，可以改用磁翻板液位計。

5）根據(jù)SH/T 3006-2012《石油化工控制室設計規(guī)范》的要求，需要對控制室進行抗爆力計算，確定是否增加抗爆設計。同時面向裝置的一側外墻設有窗戶，根據(jù)安監(jiān)總管三〔2013〕76號《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，控制室面向有火災、爆炸危險性設備側的外墻應為無門窗洞口。根據(jù)抗爆分析結果看是否需要進行抗爆結構改造，如果不需要，則需要將面向裝置側的窗戶封堵嚴實。

6）根據(jù)GB/T 50493-2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》中第3.0.8條的描述，可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)應獨立于其他系統(tǒng)單獨設置，建議設置專用可燃氣體報警控制器。根據(jù)此規(guī)范第3.0.3條規(guī)定，將可燃氣體二級報警信號和報警控制單元的故障信號接入消防控制系統(tǒng)中。

6 結束語

改革開放以來，隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，中國石油化工行業(yè)用幾十年的時間走過了發(fā)達國家上百年的道路。在快速發(fā)展的同時，一定會積累一些矛盾與疏漏，而這些最終會以安全事故的形式表現(xiàn)出來。隨著在役裝置及罐區(qū)生命周期的流逝，安全隱患不斷提高。作為工程設計人員要熟悉各種法律法規(guī)、標準規(guī)范，在進行安全設計診斷時發(fā)現(xiàn)問題，幫助企業(yè)排除隱患，降低事故發(fā)生的可能。