两重点一重大-安全生产监督管理局

1 危险化学品危险化学品 两重点一重大两重点一重大 的自动化控制和紧急停车系统的自动化控制和紧急停车系统 一 概述 众所周知 化工生产 储存过程中的介质 多为危险化学品 有着易燃 易爆 毒性 腐蚀性的特点 并且多在高温 高压条件下操作 特别是大型化 工装置 如 炼油厂 化肥厂等对自动化控制和安全联锁要求很高 一旦忽视 此 即容易造成事故 例如 美国德克萨斯炼油厂 3 23 事故即为此例 1 美国德克萨斯炼油厂火灾爆炸事故概述 2005 年 3 月 23 日中午 1 时 20 分左右 英国石油公司 BP 美国德克萨斯 炼油厂的碳氢化合物车间发生了火灾和一系列爆炸事故 15 名工人被当场炸死 170 多人受伤 许多装置被毁 爆炸波及周围 8 平方公里的范围 造成重大损 失 爆炸的发生是由于操作人员向分馏塔中过量进料并过度加热分馏塔造成的 当爆炸发生时 分馏塔内的液位几乎超过正常值的 20 倍 分馏塔上的两套液位 指示报警均失效 同时装置开车时水蒸汽或 N2 使塔内压力突然升高 使大量液 态烃进入临近放空塔 从塔顶泄出 遇到发动着的汽车 点火源 发生燃烧和 爆炸 2 近年来国家安全生产监管总局多次发布相关文件对危险化学品 两重点 一重大 自动化控制和紧急停车系统提出了严格要求 详细叙述如下 二 法规和标准要求 1 安监总管三 2012 87 号文 关于开展提升危险化学品领域本质安全水平 专项行动的通知 在其工作目标中提到 全面完成涉及重点监管危险化工工 艺的化工装置 涉及重点监管危险化学品的生产储存装置和重大危险源 以下 统称 两重点一重大 的自动化控制系统改进 本质安全水平得到明显提升 对未经过正规设计的在役化工装置进行安全设计诊断 全面消除安全设计隐 患 在其重点任务中要求加快涉及 两重点一重大 企业的自动化控制 系统改进工作 2 第一个重点 是 重点监管的危险化工工艺 2 1 2009 年安监总管三 2009 116 号文 国家安全监管总局关于公布首批 重点监管的危险化工工艺目录的通知 中列出了 15 种重点监管的危险化工工艺 装置要在 2012 年底前全面完成自动化控制系统改造 这 15 种重点监管的危险 化工工艺为 光气及光气化工艺 电解工艺 氯碱 氯化项目 硝 1 2 3 4 化工艺 合成氨工艺 裂解 裂化 工艺 氟化工艺 加氢工艺 5 6 7 8 重氮工艺 氧化工艺 过氧化工艺 胺基化工艺 磺化工艺 聚 9 10 11 12 13 14 合工艺 烷基化工艺 15 116 号文中详细地说明了这 15 种的典型工艺 重点监控的工艺参数 安全 控制的基本要求和宜采用的控制方式 对此 黑龙江省安监局 发改委 工信 委 住建厅四单位联合发出了 关于印发黑龙江省提升危险化学品领域本质安 全水平专项行动实施方案的通知 黑安监联字 2012 9 号文 截止目前 我省 59 个在役重点监管危险化工工艺装置已全部完成了自动化改造工作 2 今年安监总管三 2013 3 号文 国家安全监管总局关于公布第二批重 点监管危险化工工艺目录和调整首批重点监管危险化工工艺中部分典型工艺的 通知 中又补充了 3 个危险化工工艺 新型煤化工工艺 电石生产工艺 1 2 偶氮化工艺 调整了 8 个重点监管的危险化工工艺 3 号文中详细地说明了 3 这些典型工艺 重点监控的工艺参数 安全控制的基本要求和宜采用的控制方 式 文中要求涉及第二批重点监管危险化工工艺的化工企业在 2014 年底前完成 自动化改造工作 到目前需要重点监管的危险化工工艺已达 18 个 3 第二个重点 是 重点监管的危险化学品名录 1 2011 年 安监总管三 2011 95 号文 国家安全监管总局关于公布首 批重点监管的危险化学品名录的通知 中列出了氯 氨等 60 个重点监管的危险 化学品名录 同时要求相关企业装备功能完善的自动化控制系统 同年安监总 管三 2011 142 号文中给出了首批重点监管的危险化学品安全措施和应急处理 原则 2 今年又公布了安监总管三 2013 12 号文 第二批重点监管危险化学 品名录的通知 列出了氯酸钠 氯酸钾等 14 个重点监管的危险化学品名录 同时给出了安全措施和应急处置原则 文件还要求相关企业积极开展涉及重点 监管危险化学品的生产 储存设施自动化监控系统改造提升工作 高度危险和 3 大型装置要依法装备安全仪表系统 紧急停车或安全联锁 并确保 2014 年底前 完成 4 一重大 是 危险化学品重大危险源 1 2009 年发表了 危险化学品重大危险源辨识 GB18218 2009 标准 的全部技术内容为强制性的 2 2011 年国家安监总局第 40 号令做出了 危险化学品重大危险源监督 管理暂行规定 此规定第三章第十三条要求 一 重大危险源配备温度 压力 液位 流量 组分等信息的不间断采 集和检测系统以及可燃气体和有毒有害气体泄漏检测报警装置 并具备信息远 传 连续记录 事故预警 信息存储等功能 一级或二级重大危险源 具备紧 急停车功能 记录的电子数据的保存时间不少于 30 天 二 重大危险源的化工生产装置装备满足安全生产要求的自动化控制系 统 一级或二级重大危险源 装备紧急停车系统 ESD 三 对重大危险源中的毒性气体 剧毒液体和易燃气体等重点设施 设 置紧急切断装置 毒性气体的设施 设置泄漏紧急处理装置 涉及毒性气体 液化气体 剧毒液体的一级或二级重大危险源 配备独立的安全仪表系统 SIS 四 重大危险源中储存剧毒物质的场所或者设施 设置视频监控系统 以上措施可以有效地保证重大危险源的安全 三 化工生产 储存装置中的自动化控制与紧急停车系统 下面就以上相关文件中对于 两重点一重大 提出的自动化控制和紧急停 车系统做个介绍 一 概述 1 自动化控制定义 利用自动化仪表对工艺过程中的参数 如 温度 压 力 物位 流量 成分等进行监测和控制 2 自动化是保证生产装置生产安全操作 平稳运行 提高效率 高产 低 耗 的基本条件和重要保证 工业自动化仪表技术包括生产工艺过程中各种工 况的检测 转换 显示和控制 4 3 自动化仪表的分类 自动化仪表可简单地分为检测仪表 显示仪表 控 制仪表 执行器四大类 如图所示 检 测 仪 表 流量 压力 物位 温度 成分分析 显 示 仪 表控 制 仪 表 指示仪 记录仪 累计器 信号报警器 屏幕显示器 基 地 式 调 节 器 气 动 单 元 组 合 仪 表 电 动 单 元 组 合 仪 表 集 散 型 控 制 系 统 DC S 可 编 程 控 制 器 PL C 可 编 程 调 节 器 工 业 控 制 机 IP C 组 装 式 仪 表 计 算 机 控 制 系 统 安 全 控 制 系 统 FS C 执行器 气动调节阀电动调节阀 4 自动化仪表的主要品质要求 精确度 测量值与实际值的误差大小 1 灵敏度 表示仪表对被测介质的参数变化的灵敏程度 2 变差等 3 5 工业控制仪表的发展 工业自动化仪表已从模拟仪表技术真正步入数字 化和智能化技术领域 5 1 模拟仪表 包括基地式仪表 单元组合仪表 气动 电动 和组装式 仪表 基地式仪表 1 此仪表是把测量 显示 调节所有功能组装在一块仪表内 是工业自动化 仪表早期发展的产物 现在已经很少使用 单元组合仪表 国内生产的单元组合仪表主要为电动单元组合仪表 DDZ 2 型 已淘汰 DDZ 型和气动单元组合仪表 QDZ 2 数字式控制仪表 包括智能数字化仪表 集散型控制系统 DCS 可编程控制器 PLC 及工业控制计算机 IPC 等 智能数字化仪表 是利用微处理技术制成的一台数字化仪表 可以对被 1 测参数进行测量 显示及控制 多用于小型装置或辅助生产装置 如水处理装 置 换热站等 集散型控制系统 DCS 2 作为当代先进科技结晶的集散型控制系统 DCS 自 1975 年问世以来 经过 30 多年的改进 发展 已经成为一种相当成熟的控制仪表 DCS 的重要特 点是把过程控制 监视 信息管理有机地结合在一起 采用开放系统和标准的 通讯协议 解决了不同厂家产品设备的互联问题 由于采用了功能强大的工作 站和 32 为微处理器 增加了程控 批量控制的能力 新一代的 DCS 更注重于信息网络和管控一体化 技术特点体现在 a 单元结构功能齐全 b 完善的控制功能 c 丰富的窗口技术 d 速度 5 10Mbps 的局域网通讯 e 采用通用化的 UNIX 或 Windows 操作系统 资源共享 信息集中管理 管 控一体化 f 采用冗余 容错技术 故障自诊断技术 可靠性高 g 组合灵活 扩展方便 现代 DCS 的基本设计思想是信息集中 控制分散 配置灵活 组态方便 可编程控制器 PLC 3 6 可编程控制器 PLC 是与 DCS 同期发展并取得广泛应用的数字式控制仪表 PLC 早期开发的目的是为了取代继电器 实施程序 逻辑 控制 通过编程进 行逻辑运算 大大地提高灵活性 PLC 进行逻辑运算速度非常快 在逻辑控制 上明显占有优势 随着微电子技术的发展 PLC 自身也在不断提高技术性能 拓宽应用范围 多数 PLC 采用高性能处理器及实时多任务操作系统 在更快速 地进行逻辑控制的同时也普遍增加回路控制功能 向 DCS 应用领域渗透 现代的 PLC 技术特点是 a 功能齐全 逻辑控制 回路控制 b 网络通讯功能增强 c 具有丰富的图形显示功能 d 编程标准化有利于 PLC 系统开放化 工业 PC 机 4 近年来 工业自动化领域另一项发展很快的数字控制仪表是工业 PC 机控制 IPC IPC 采用的是通用的微处理器 CPU 可以具有很强的运算功能和速度 通讯采用标准化总线 有丰富的图形显示及多媒体技术 采用通用性强的 UNIX 或 Windows 实时多任务操作系统 可提供方便 友好的人机画面 IPC 较之原 来的 PC 机在可靠性 抗干扰能力 模板设计方面都有了很大改进 由于 PC 机 价格低廉 所以 IPC 具有很好的性能价格比 IPC 采用的是模块化结构 系统构成 拓展十分灵活 由于它具备的优点 及性能 且可靠性在不断提高 在过程控制中会得到进一步的推广应用 6 工业过程安全控制仪表的发展 随着生产装置大型化 生产操作复杂化 对生产过程安全控制的要求越来 越高 安全控制的目的是 避免人员或生产设备的损伤 1 避免由于事故造成的环境污染 2 减少事故停车的损失 3 安全控制一般包括两方面内容 7 信号报警 这是警告操作人员 生产操作已偏离正常工况 应引起警觉 1 联锁 停车系统 这是当生产将要发生事故时而采取的紧急措施 避免事 2 故的放生 保障操作人员和相关设备的安全 在早期的石油化工装置中 信号报警采用闪光报警器 联锁 停车系统则大 多选用继电器或固态逻辑插卡 由于 DCS PLC 的出现 信号报警和联锁 停车 系统的实施有了新的发展 微处理器为报警信息储存 快速处理提供了良好的 手段 在考虑信号报警和联锁 停车系统设计时 应该遵循下列原则 系统的构成可选用有触点或无触点回路 但必须动作可靠 1 信号报警节点可利用仪表内部节点也可另外设置报警接点 重要的报警 2 点和联锁 停车用的接点则应单独设置 联锁 停车系统动作前应设置预报警信号 为确保安全 重要的联锁 3 停车 故障检出器应设置两个或三个以上经逻辑 或门 发出信号 即 2 取 1 或 3 取 2 系统 设置联锁 停车 投用和解除开关 4 对于安全性要求较高的生产装置 常常要求设置单独的紧急停车系统 ESD 构成 ESD 的安全仪表系统有继电器 固态逻辑电路 PLC 系统 继电器型 ESD 可靠性高 不受大多数干扰影响 一次费用也较低 缺点是 体积大 修改 扩展灵活性较差 在早期的 ESD 上使用较多 固态逻辑电路组件型 ESD 克服了继电器诸多缺点 但价格偏高 程序不易 修改 PLC 型 ESD 由于具有方便灵活的编程功能 以采用冗余 容错技术和故障 自诊断技术大大提高了可靠性 已经成为近期 ESD 主选系统 对于安全要求更高的生产装置 则应选择硬件 软件都可以冗余配置的专 用故障安全控制系统 它能做到 故障发生后 系统有足够的时间进行自诊断 发出故障信息 引起警戒 1 可及时排除故障 采用容错技术 将被动故障转化为主动故障 2 8 采用冗余技术实施故障隔离 3 软件方面有充分的故障安全措施 4 7 安全仪表系统 SIS 安全仪表系统国标上通用的标准为 IEC 61508 主要用于安全仪表系统制造和供应商 IEC 61511 主要用于安全仪表系统设计 集成和用户 而我国此前有中石化行业标准 SH T3018 2003 石油化工安全仪表系统 设计规范 目前已上升为国标 GB T50770 2013 并在 9 月 1 日起实行 1 定义 安全仪表系统 SIS 是用仪表实现安全功能的系统 系统包 括传感器 逻辑运算器 最终执行元件及相关软件 安全仪表系统 SIS 也称为紧急停车系统 ESD 安全停车系统 SSD 安全联锁系统 SIS 或安全保护系统 SPS 安全仪表系统宜采用经权威机构认证的可编程控制系统 PLC 2 设计原则 包括可靠性原则 可用性原则 独立型原则 故障安全原 则 冗余原则 诊断与在线维护原则和联锁与复位原则 下面着重讲 3 个主要 原则 可靠性原则 1 为了保证工艺装置的生产安全 安全仪表系统必须具备与工艺过程相适应 的安全度等级 SIL Safety Integrity Level 的可靠度 对此 IEC 61508 等 标准有详细地技术规定 对于安全仪表系统 可靠性有两个含义 一个是安全 仪表系统本身的工作可靠性 另一个是安全仪表系统对工艺过程认知和联锁保 护的可靠性 还应有对工艺过程测量 判断和联锁执行的高可靠性 评估安全 度等级 SIL 的主要参数就是平均危险故障率范围 PFD 按其从高到低依次分 为 1 4 级 在石化行业中一般涉及到的只有 1 2 3 级 因为 SIL4 级投资大 系统复杂 一般只用于核电行业 而安全度等级 SIL 是基于对工艺过程进行危 险和可操作性研究 HAZOP 来评估的 独立性原则 2 安全仪表系统应独立于基本过程控制系统 BPCS 如 DCS FCS CCS PLC 等 独立完成安全保护功能 它的传感器 逻辑表决器和最终执行元件应单 9 独设置 如果工艺要求同时进行联锁和控制 安全仪表系统和 BPCS 应设置独立 的传感器和取源点 特殊情况除外 如配置 3 取 2 传感器 进行 DCS 信号 3 取 中 进安全仪表系统 3 取 2 经过信号分配器公用传感器 安全仪表系统应 能通过数据连接以只读方式与 DCS 通信 禁止 DCS 通过该通信连接向安全仪表 系统写信息 还应配置独立的通信网络 包括独立的网络交换机 服务器 工 程师站和顺序事件记录 SER 站等 另外应采用冗余电源 由独立的双路配电 回路供电并避免安全仪表系统和 BPCS 的信号接线出现在同一接线箱 中间接线 柜和控制柜内 同时阀门不应配备手轮 SIS 与基本过程控制系统的区别 基本过程控制系统 BPCS 与 SIS 是流 程工业中广泛应用的两种类型的系统 在功能上有着明确的分工 其区别见下 表所示 表 BPCS 与 SIS 的区别 内容 BPCSSIS 基本控制功能 执行常规正常生产调节控制 功能 PID 和过程顺序控制 监视生产过程的状态 判 断危险条件 发生危险时将 生产过程自动带入安全状态 目的 保证生产过程正常 平稳 以及产品的产量和质量 防止风险的发生或者减轻 风险造成的后果 运行状态和作 用方式 主动的 动态的和连续的被动的 休眠的和瞬间的 系统状态诊断 控制系统自诊断 检测和控 制回路在应用中发现故障 系统及回路通信的自诊断 和安全控制回路的定期测试 故障安全性原则 3 当安全仪表系统的元件 设备 环节和能源发生故障或者失效时 系统设 计应当使工艺过程能够趋向安全运行或者安全状态 即系统设计的故障安全性 原则 能否实现 故障安全 取决于工艺过程及安全仪表系统的设计 例如 10 安全仪表系统的传感器 逻辑表决器和最终执行元件应为失电 非励磁联锁 用 于报警 停车的接点在正常操作过程中应当处于闭合状态 在报警 停车时打开 四 下面介绍两个自动控制和紧急停车系统 ESD 的实例 一 甲醇氧化生产甲醛装置中的自动化控制与紧急停车系统 ESD 此 装置为重点监管的危险化工工艺 氧化工艺 装置 1 工艺简介 由原料泵来的甲醇进入蒸发器 被加热成甲醇气体 与罗茨 风机送来的空气 O2 再与蒸汽按一定比例混合进入氧化反应器 再触媒作 用下生成甲醛气体 经吸收塔由水吸收后成为甲醛水溶液产品 2 利用集散控制系统 DCS 对生产过程进行监控 甲醛生产中的空气质量流量 甲醇质量流量 配料蒸汽质量流量给定值与 测量值差闭环调节系统 氧化温度走势与理想反应温度曲线逐点氧化过程记录 和温度调控曲线记录 采用甲醇浓度法跟踪记录氧化反应温度 由热水变频泵 实现蒸发器甲醇蒸发量的恒定 废热锅炉汽包