安全儀表系統(tǒng)在成品油庫的應(yīng)用與實踐

陳榮剛，馬金博

(1.中海油銷售南通有限公司，江蘇 南通 226004；2.中海油銷售滁州有限公司，安徽 滁州 239400)

0 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的迅速提升，大型石化項目紛紛推進，以滿足日益提高的人民生活需求。成品油庫儲存了大量用于銷售的成品油，有發(fā)生火災(zāi)的巨大風(fēng)險。例如，江蘇德橋倉儲“4·22”火災(zāi)事故，導(dǎo)致1名消防員犧牲，直接經(jīng)濟損失2532.14萬元，由于事故儲罐未配備緊急切斷系統(tǒng)，導(dǎo)致事故沒有在第一時間得到有效控制并迅速蔓延。國家安全監(jiān)管總局發(fā)布的《關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》(安監(jiān)總管三 〔2014〕 116號)要求，從2018年1月1日起，所有新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學(xué)品儲存設(shè)施要設(shè)計符合要求的安全儀表系統(tǒng)[1]。國家安全監(jiān)管總局關(guān)于印發(fā)《化工和危險化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》和《煙花爆竹生產(chǎn)經(jīng)營單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的通知(安監(jiān)總管三 〔2017〕121號)，明確了構(gòu)成一級、二級重大危險源的危險化學(xué)品罐區(qū)未實現(xiàn)緊急切斷功能的屬于重大生產(chǎn)安全隱患[2]。

2018年，安徽省某石油公司收購某油庫，為滿足國家對危險化學(xué)品倉儲設(shè)施的要求，提高油庫運行的自動化水平及安全性，于2021年對其進行安全升級改造，以確保油庫合規(guī)性經(jīng)營。

1 成品油庫的基本情況

該油庫建設(shè)于2003年，現(xiàn)有各類立式常壓儲罐20座，改造后總罐容為2.8萬 m3，為三級庫，單罐罐容570～2500 m3，主要倉儲經(jīng)營汽油、柴油、乙醇(用于乙醇汽油調(diào)和)等甲B和丙類易燃液體。罐區(qū)共劃分為三個罐組，根據(jù)GB 18218—2018 《危險化學(xué)品重大危險源辨識》，分別判定為四、二、三級重大危險源，具體劃分如表1所示。

表1 罐區(qū)重大危險源等級劃分

該油庫主要工藝流程為：成品油由鐵路油罐車或公路槽車運輸，?？胯F路棧橋或者公路卸車區(qū)，利用鐵路/公路卸油泵進行卸油入罐，再由儲罐通過埋地管道，利用專用裝車泵輸至裝車臺，對槽車進行灌裝，具體流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

該油庫原自動化程度較低，僅有PLC儲罐監(jiān)測系統(tǒng)1套，且無連續(xù)液位監(jiān)測液位計。每臺儲罐僅有外貼式高低液位報警開關(guān)，且故障率和誤報率較高，儲罐根部進出液管道分別安裝二臺電動閥門，閥門啟閉行程時間不滿足緊急切斷要求，相關(guān)設(shè)備均無SIL認證。

2022年2月17日，國務(wù)院安委會辦公室發(fā)布《關(guān)于印發(fā)落實大型油氣儲存基地安全風(fēng)險管控措施工作方案等6個工作方案的通知》(安委辦 〔2022〕 3號)[3]，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。因此，本次罐區(qū)自動化改造中涉及2#罐組部分進行安全儀表系統(tǒng)改造，同時對1#罐組增設(shè)緊急切斷閥。

2 成品油庫安全儀表系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)該油庫HAZOP分析及SIL定級評估報告，對40個SIF回路進行了SIL定級評估分析，其中SIL1級12個，SILa級28個(無需設(shè)置SIS)，如表2所示。

表2 SIL定級評估匯總表

SIF回路的檢測系統(tǒng)，由音叉液位開關(guān)構(gòu)成。根據(jù)IEC 61508[4]控制器結(jié)構(gòu)和安全系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 邏輯控制器結(jié)構(gòu)和安全系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系

該油庫主要接卸鐵路/公路成品油，并進行公路槽車發(fā)貨，工藝相對簡單。根據(jù)表2和表3，僅2#罐組定級為SIL1，采用“1oo1(一取一)”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。SIS系統(tǒng)操作關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖2 SIS系統(tǒng)操作關(guān)系示意圖

1#、2#罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)各回路緊急切斷聯(lián)鎖關(guān)系如表4所示。

表4 SIS系統(tǒng)緊急切斷的聯(lián)鎖關(guān)系

對1#罐組：儲罐的高高液位報警發(fā)出報警信號，判定儲罐出液已經(jīng)接近儲罐的液位上限，罐進液電動閥門關(guān)閉，卸車泵、掃艙泵停止運行同時緊急停車。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，罐出液電動閥門關(guān)閉，發(fā)油泵同時緊急停車。

對2#罐組：儲罐的高高液位報警發(fā)出報警信號，判定儲罐出液已經(jīng)接近儲罐的液位上限，罐進液電液閥門關(guān)閉，卸車泵、掃艙泵停止運行同時緊急停車。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，罐出液電動閥門關(guān)閉，發(fā)油泵同時緊急停車。

對儲罐發(fā)生緊急情況，如巡線過程，操作人員發(fā)現(xiàn)某儲罐管線發(fā)生泄漏，可以通過防火堤外對應(yīng)手動ESD實現(xiàn)快速緊急操作。

全場性緊急情況可通過控制室安全儀表系統(tǒng)操作按鈕或手動ESD實現(xiàn)全廠緊急停車。

對SIS回路的聯(lián)鎖，同時設(shè)置手動復(fù)位開關(guān)，以保證觸發(fā)聯(lián)鎖的狀態(tài)消失后，必須通過操作人員確認，才可以重新開車[5]。

3 安全儀表系統(tǒng)在成品油庫改造應(yīng)用

3.1 執(zhí)行系統(tǒng)改造內(nèi)容

對成品油庫1#、2#罐組14臺儲罐進行了隱患整改，從而消除重大安全生產(chǎn)隱患，具體改造內(nèi)容如下。

(1)緊急切斷閥執(zhí)行機構(gòu)一般分為氣動、電動和電液等幾種形式。其中電子/電氣部分的防爆等級[6]及防護等級[7]不應(yīng)低于安裝場所的工況要求ExdⅡBT4，外殼防護等級不應(yīng)低于IP65。由于該油庫現(xiàn)場無儀表風(fēng)氣源，本次改造采用電液、電動閘閥作為安全儀表系統(tǒng)切斷閥(如圖3所示)，其中SIL1級SIF回路采用SIL2級電液閘(如圖4所示)，SILa級SIF回路采用電動閘閥作為切斷閥(如圖5所示)。1#罐組儲罐根部進、出口管線增加電動切斷閥16臺，2#罐組儲罐根部進出口管線增加電液切斷閥6臺，電動切斷閥6臺。電液、電動執(zhí)行機構(gòu)為揚州恒春電子有限公司生產(chǎn)，防爆等級為ExdⅡBT4，防護等級為P68，電液執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)過認證滿足IEC 61508規(guī)定的SIL2級(TUV認證)，具備失電或故障自動關(guān)閉功能。

圖3 新增緊急切斷閥

圖4 電液執(zhí)行機構(gòu)

圖5 電動執(zhí)行機構(gòu)

(2)鑒于蝶閥的閥瓣和球閥的閥球在長期運行保位后，存在銹蝕被卡塞的可能，導(dǎo)致啟閉阻力較大，進而導(dǎo)致電機過熱保護甚至卡死，同時閥門閉合件旋轉(zhuǎn)運動，摩擦接觸面積較大，運行時間過長后可靠性會降低。因此緊急切斷閥閥門采用閘閥，閥門口徑為DN100～DN150，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、API 598標(biāo)準(zhǔn)[8]。

(3)電液緊急切斷閥全行程關(guān)閉時間小于10 s。

(4)電液緊急切斷閥選用故障安全型，為故障關(guān)閉型閥門(FC型)。

(5)每臺電液切斷閥在防火堤外安裝對應(yīng)ESD手動報警按鈕(如圖6所示)。

圖6 罐區(qū)ESD操作開關(guān)

(6)儲罐液位開關(guān)及閥門開關(guān)信號引入SIS系統(tǒng)內(nèi)，閥門回訊信號接入PLC系統(tǒng)。

(7)電液/電動執(zhí)行機構(gòu)均具有遠程/本地操作及切換功能。

(8)儲罐緊急切斷閥安裝在儲罐進、出口第一道閥門處，與儲罐無任何剛性/柔性連接。

3.2 檢測系統(tǒng)改造內(nèi)容

14臺儲罐高高、低底液位開關(guān)均采用江蘇杰創(chuàng)科技有限公司JC-KA1系列音叉液位開關(guān)，防爆等級為ExdⅡCT6，均具有SIL2等級認證，如圖7和圖8所示。

圖7 低低音叉液位開關(guān)

圖8 高高音叉液位開關(guān)

3.3 安全儀表系統(tǒng)改造內(nèi)容

本次改造增設(shè)1套安全儀表系統(tǒng)，獨立于庫區(qū)工藝操作PLC系統(tǒng)，正常工作情況下對1#、2#罐組共14臺儲罐的液位情況進行不間斷監(jiān)控，判斷儲罐的操作情況及風(fēng)險狀態(tài)并預(yù)警，通過自動或手動方式實現(xiàn)儲罐進、出液閥門的開關(guān)，進而防止或降低風(fēng)險事故的發(fā)生，減少人員傷害或經(jīng)濟損失。新增安全儀表系統(tǒng)滿足以下要求：

(1)新增安全儀表系統(tǒng)(SIS)用于執(zhí)行安全聯(lián)鎖保護、緊急停車系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖保護；

(2)本次改造采用和利時科技集團有限公司研發(fā)的HiaGuard安全儀表系統(tǒng)，具備TUV萊茵SIL3/SC3級認證；

(3)安全儀表系統(tǒng)采用三取二帶診斷架構(gòu)(2oo3D)，并允許3—2—0降級運行；

(4)安全儀表系統(tǒng)的I/O模塊采用TMR冗余容錯架構(gòu)，供電(1+1)、通訊模塊、I/O模塊可冗余配置；

(5)具備事件記錄(SOE)及歷史數(shù)據(jù)存儲功能。

4 安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 安全完整性等級驗證

通過exSILentiarua?軟件對本次改造安全儀表系統(tǒng)進行驗證計算，計算結(jié)果如表5所示，該系統(tǒng)SIL等級滿足設(shè)計要求。

表5 SIL等級驗證結(jié)果

4.2 注意事項

根據(jù)IEC61511保護層分析方法(LOPA)，安全儀表系統(tǒng)位于“本質(zhì)安全設(shè)計”“BPCS連續(xù)調(diào)節(jié)維持正常范圍聯(lián)鎖動作”“關(guān)鍵報警和人員響應(yīng)”之后，處于保護層的第四層，在實際應(yīng)用過程中以開啟狀態(tài)為主。為避免閥門設(shè)備因故障失靈對生產(chǎn)工藝造成影響，故在日常操作過程中要定期校驗和維護：

(1)本次改造安全設(shè)計采用“1oo1”的表決結(jié)構(gòu)，定期對執(zhí)行器、傳感器子系統(tǒng)進行檢修，保證安全儀表系統(tǒng)的完整、完好，避免故障-關(guān)閉行為導(dǎo)致憋壓等安全隱患；

(2)定期對切斷閥進行啟閉操作，避免緊急切斷閥長期處于開啟狀態(tài)，造成復(fù)位彈簧過疲勞，進而造成閥門關(guān)閉不嚴(yán)；

(3)加強對操作人員的培訓(xùn)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)語

根據(jù)相關(guān)要求對該成品油油庫14臺儲罐進行了安全儀表系統(tǒng)改造，獨立設(shè)置安全儀表系統(tǒng)(SIL3)，加裝了電動閥和SIL2級液位開關(guān)，特別是涉及二級重大危險源的6臺汽油儲罐分別安裝了SIL2級的電液閥。通過驗算該系統(tǒng)達到SIL1級要求，降低二級重大危險源的危險性，確保油庫安全平穩(wěn)運行。

不足之處在于，本系統(tǒng)執(zhí)行部分采用電液、電動執(zhí)行機構(gòu)，其在耐火等級等方面均不滿足UL1709防火標(biāo)準(zhǔn)測試要求。故在后續(xù)工作中需增加符合要求的防火設(shè)施，以確保設(shè)備在極端工況下能夠正常運行。