安全儀表系統(tǒng)在成品油/化工品罐區(qū)中的應(yīng)用與分析

陳榮剛,王衛(wèi)益,施輝

(1. 中海油銷售南通有限公司,江蘇 南通 226004;2. 中海油(南通)港口有限公司,江蘇 南通 226009)

近年來,危險化學品罐區(qū)發(fā)生多起重特大事故,造成了嚴重的人身傷害、經(jīng)濟損失和自然環(huán)境污染,嚴峻的安全生產(chǎn)形勢引起了政府監(jiān)管部門的重點關(guān)注[1]。例如： 2016年江蘇德橋倉儲“4.22”火災(zāi)事故,由于油品儲罐未配備緊急切斷系統(tǒng),導致事故沒有在第一時間得到有效控制并迅速蔓延。2022年2月17日,國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會辦公室發(fā)布了《落實大型油氣儲存基地安全風險管控措施工作方案》[2],要求在2022年6月30日前完成緊急切斷閥系統(tǒng)問題整改,對未按期完成整改的企業(yè),依法跟進執(zhí)法措施。國家及地方安全監(jiān)管部門對成品油/化工品等危險化學品罐區(qū),尤其對于構(gòu)成重大危險源的危險化學品倉儲庫區(qū)監(jiān)管會愈加嚴格,在深刻理解并落實安全生產(chǎn)法的指導思想下,設(shè)置安全儀表系統(tǒng)(SIS)具有重要意義。

1 存在的安全隱患

1.1 成品油/化工品罐區(qū)基本情況

某港口倉儲公司擁有各類立式常壓儲罐29座,成品油/化工品罐區(qū)總罐容約2.0×105m3,單罐罐容為1.5×103～1.0×104m3,主要存儲汽油、柴油、甲醇等甲類和丙類易燃液體。根據(jù)GB18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》[3]的要求,該罐區(qū)共劃分為6個罐組,根據(jù)存儲介質(zhì)的性質(zhì),分別構(gòu)成一、二、四級重大危險源。該罐區(qū)重大危險源等級見表1所列。

表1 罐區(qū)重大危險源等級劃分及SIS的配置

1.2 罐區(qū)無獨立的安全儀表系統(tǒng)

根據(jù)《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》(安監(jiān)總管三〔2014〕116號)： 涉及“兩重點一重大”的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(chǔ)上,通過風險分析確定安全儀表功能(SIF)及其風險降低要求。企業(yè)應(yīng)在評估基礎(chǔ)上,制定SIS管理方案和定期檢驗測試計劃。對于不滿足要求的SIF,要制定相關(guān)維護方案和整改計劃,2019年底前完成SIS評估和完善工作[4]。該成品油/化工品罐區(qū)通過危險與可操作性分析(HAZOP)及完整性等級(SIL)定級評估,其中29個SIF回路達到SIL1級,且沒有配置SIS,不符合要求,具體見表2所列。

表2 罐區(qū)SIF回路的SIL定級評估匯總

同時,根據(jù)GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》要求： SIL1級安全儀表功能,邏輯控制器宜與基本過程控制系統(tǒng)分開。綜合考慮安全儀表系統(tǒng)日益嚴格的管理要求,本次技術(shù)改造SIS采取獨立設(shè)置方式。

2 原有過程控制系統(tǒng)存在的問題

原有過程控制系統(tǒng)存在以下問題：

1)執(zhí)行器。常壓儲罐原設(shè)計緊急切斷控制閥為手動閥,其中1～8號,20～32號儲罐流程切換手動控制閥為無SIL認證的氣動切斷閥,在2015—2016年期間,將10～19號儲罐的流程切換手動控制閥更換為電動閥,改造后的電動閥具備遠程控制功能,但無SIL認證,而且啟閉行程速度較慢。例如DN250閘閥的開啟/關(guān)閉行程時間大于90 s,同時閥門、電動執(zhí)行機構(gòu)的耐火等級均不滿足UL1709防火標準測試要求。在數(shù)據(jù)通信方面,根據(jù)當時設(shè)計規(guī)范要求,各氣動、電動閥信號匯總至防火堤內(nèi)防爆型遠程終端單元(RTU)通信單元,并通過RS-485進入控制室數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA),目前該通信方式已經(jīng)不滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2)傳感器。該罐區(qū)現(xiàn)有外貼、音叉式液位開關(guān)及伺服或雷達液位計,相關(guān)儀表均無SIL等級認證,在數(shù)據(jù)通信方面與執(zhí)行器子系統(tǒng)存在同樣的問題。

3)邏輯控制器。該罐區(qū)常壓儲罐的原有氣/電動控制閥、液位計、液位開關(guān)的相關(guān)信號接入罐區(qū)SCADA中,一旦出現(xiàn)生產(chǎn)波動或SCADA故障等問題,緊急情況下儲罐區(qū)的聯(lián)鎖控制閥將存在無法動作或誤動作風險。

3 SIS的設(shè)計方案及應(yīng)用

3.1 SIS的設(shè)計方案

根據(jù)HAZOP分析及SIL定級評估報告,雖然常壓儲罐的SIF回路定級為SIL1和SILa,但考慮政策及標準的變更、施工風險以及SIS驗收評估,SIS各子系統(tǒng)元件統(tǒng)一設(shè)計為SIL2級。SIS主要由邏輯控制器、執(zhí)行器、傳感器組成。

3.1.1 執(zhí)行器

2021—2022年對該公司罐區(qū)29座儲罐安裝52臺緊急切斷閥,實現(xiàn)緊急切斷功能,具體改造措施有以下幾方面：

1)緊急切斷閥執(zhí)行機構(gòu)一般為氣動、電動和電液型等型式。根據(jù)罐區(qū)現(xiàn)場動力源及日后維護情況,各SIF回路采用SIL2級氣動執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)罐區(qū)防火堤內(nèi)環(huán)境防爆等級及防護等級[5-6]要求,氣動執(zhí)行機構(gòu)的電磁閥和限位開關(guān)防爆等級為ExdⅡBT4,防護等級為IP65。

2)參考GB 50074—2014《石油庫設(shè)計規(guī)范》對儲罐切斷閥的要求,兼顧改造安裝施工的難易程度,該次改造將儲罐原緊急切斷控制閥更換為氣動閘閥,氣動閘閥的尺寸和連接方式與原緊急切斷控制閥相同。對于緊急切斷控制閥安裝空間不足的儲罐,氣動閘閥安裝在緊急切斷控制閥與柔性連接件之間。該次改造閘閥具有SIL2認證,閥門公稱通徑為DN100～DN300,壓力等級為PN16,閥體為鑄鋼閥體,滲漏等測試與檢驗應(yīng)符合API 607和API 598標準[6]。

3)氣動切斷閥為故障安全型(FC型),具備失氣或故障自動關(guān)閉功能。

4)氣動執(zhí)行機構(gòu)配有熔點低于70 ℃的易熔塞。

5)氣動切斷閥全行程關(guān)閉時間小于10 s。

6)在每個罐組防火堤外安裝防爆緊急停車(ESD)的報警按鈕箱,每臺氣動閥門對應(yīng)1個ESD按鈕,控制室設(shè)置總ESD按鈕。

7)儲罐液位開關(guān)及氣動閥開關(guān)控制信號接入新建的SIS中,氣動閥回訊信號作為狀態(tài)顯示接入原有SCADA中。

8)原有氣動、電動閥門作為工藝操作閥接入SCADA,同時對電動閥門及執(zhí)行機構(gòu)增加滿足UL1709認證的防火罩。

3.1.2 傳感器

SIF回路的傳感器主要為液位開關(guān),邏輯控制器結(jié)構(gòu)和SIL等級對應(yīng)關(guān)系見表3所列[7]。

表3 邏輯控制器結(jié)構(gòu)和SIL等級對應(yīng)關(guān)系

該罐區(qū)主要用于接卸船舶運輸液體化學品,并采用槽車/槽船發(fā)貨。根據(jù)SIL定級報告,常壓罐系統(tǒng)定級為SIL1,采用“1oo1”邏輯控制方式滿足安全相關(guān)要求并具有良好的經(jīng)濟性。

該罐區(qū)儲罐高液位開關(guān)采用接觸式音叉液位開關(guān)或低液位開關(guān)采用非接觸式外測超聲波液位開關(guān),均具有SIL2級認證。采用外測超聲波液位開關(guān)可以減少清罐作業(yè)工作量及施工難度,避免在儲罐上增開儀表口和動火作業(yè)帶來的額外風險,并降低了儲罐物料泄漏和燃燒爆炸的可能性[8-9]。

3.2 新增SIS的性能

該次改造增設(shè)的SIS獨立于過程控制系統(tǒng),具備獨立安全保護功能,根據(jù)設(shè)定條件判斷危險或風險狀況并發(fā)出報警,自動實現(xiàn)儲罐緊急切斷閥的關(guān)閉,防止或者減少危險事件發(fā)生,減少人員傷害或經(jīng)濟損失。新增SIS滿足以下要求： 具備TüV萊茵SIL3認證;具有硬件和軟件診斷和測試功能;控制器配置、網(wǎng)絡(luò)配置、卡件均采用冗余配置;具備滾動存儲信息事件功能。

本次改造將29臺儲罐的音叉液位開關(guān)、外貼液位開關(guān)、現(xiàn)場緊急停車按鈕與儲罐的緊急切斷閥進行聯(lián)鎖,實現(xiàn)“1oo1”的表決方式,緊急切斷回路的聯(lián)鎖關(guān)系見表4所列。同時將2座氯乙烯球罐的原有SIS拆除,相應(yīng)回路仍采用“1oo2”方式接入新建SIS。

表4 部分緊急切斷回路的聯(lián)鎖關(guān)系

4 SIS的應(yīng)用

4.1 運行方式

以某罐為例： 運行中儲罐的低低液位報警發(fā)出報警信號,判定儲罐出液已經(jīng)接近儲罐的液位下限,即低于浮盤高度,罐出液閥門關(guān)閉,儲罐對應(yīng)發(fā)油泵同時緊急停車。當儲罐發(fā)生緊急情況,如儲罐外圍管線發(fā)生泄漏,需要關(guān)閉儲罐的相關(guān)閥門時,可以通過ESD實現(xiàn)快速遠程操作。

4.2 SIL等級驗證

該次改造采用的SIS支持雙模塊冗余配置,冗余配置時按照“3-3-2-2-0”降級,非冗余配置時按“3-2-0”降級。同時該系統(tǒng)支持五級系統(tǒng)表決機制,在每個表決層對數(shù)據(jù)進行“2oo3”表決,通過多級表決,增加故障隔離區(qū),避免性能降級。通過exSILentiarua?軟件對SIS驗證計算,該系統(tǒng)各SIF回路均滿足設(shè)計要求。

4.3 注意事項

在實際運行過程中,為避免閥門設(shè)備因故障失靈對生產(chǎn)工藝造成影響,日常操作過程中要定期校驗和維護：

1)該次設(shè)計采用“1oo1”和“1oo2”的表決結(jié)構(gòu),雖滿足SIF回路的等級要求,但對設(shè)備穩(wěn)定性要求較高,需定期對氣動執(zhí)行機構(gòu)(電磁閥、限位開關(guān))、閘閥、液位開關(guān)、外貼式液位開關(guān)的耦合性、液位計等進行檢維修,保證安全儀表系統(tǒng)的完整、完好,避免故障-關(guān)閉行為導致憋壓等安全隱患。

2)定期對氣動閘閥進行開閉操作,避免緊急閘閥長期處于開啟狀態(tài),造成復位彈簧過疲勞,進而造成閥門關(guān)閉不嚴。

3)加強對操作人員的培訓和演練,提高操作人員的故障維修和應(yīng)急處置能力。

5 結(jié)束語

通過改造,該公司罐區(qū)29座儲罐分別安裝了SIL2級的氣動閘閥和液位開關(guān),并設(shè)置獨立的SIS。同時,在系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯中針對常壓罐系統(tǒng)和球罐系統(tǒng)分別采用“1oo1”和“1oo2”的方式,在保證SIS聯(lián)鎖的準確性的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟性,解決了成品油/化工品罐區(qū)重大危險源的重大生產(chǎn)安全隱患,確保儲罐安全平穩(wěn)運行。