基于危险工艺装置设置安全联锁系统的研究

【摘要】化工企业危险工艺装置在安装了自动控制和安全连锁后，能极大地减少事故的发生概率并有效地降低其危害程度，避免给企业、社会造成重大人身伤害事故及重大财产损失。同时，还能稳定工艺参数、保证产品质量、减轻劳动强度，实现生产过程的优化控制，确保安全生产。本文进行了化工企业高危工艺装置危险性分析，研究探讨了基于危险工艺装置设置安全联锁系统的要点。

【关键词】危险工艺装置安全联锁系统

中图分类号：C29 文献标识码：A 文章编号：

安全联锁系统( SIS, Safety Instrumented System ), 也称紧急停车系统( ESD, Emergency Shut down Device)是化工过程最高级的安全保护装置, 是一种独立于生产过程控制的系统, 是实现石化装置本质安全的重要手段, 也是过程安全的最后一道屏障。一方面, 在工艺装置出现异常情况时, 要求控制系统能在许可的时间内将装置转入安全状态; 另一方面,又要求保证控制系统本身在一个或多个关键环节出现问题时, 避免生产装置的误停车, 不影响生产的经济效益。

一、化工企业高危工艺装置危险性分析

1、高危险生产装置的危险性

在化工企业中，常见的高危生产装置主要有：

（1）硝化反应装置

这其中包含有两种，第一是有机化合物分子产生的反应，如苯硝化制取硝基苯、甘油硝化制取硝化甘油；第二则是硝酸根取代有机化合物产生的硝化反应。硝化反应存在的危险性主要有：

①爆炸：由于硝化过程是一个剧烈放热的过程，如果发生中途停止搅拌或者是冷却水无法连续供应等情况，则会使温度失控从而引起爆炸反应。

②火灾：由于硝化过程中产生的物质大多为易燃易爆的物质，这些物质收到撞击或者是接触到明火，则容易引发火灾。

③灼伤：硝化过程中使用的混酸都是具有较强腐蚀性的氧化性物质，如果在空气中与不饱和有机物发生反应，则容易使周围的人和设备收到强酸的灼伤。

（2）硫化反应装置

该反应是在有机物质中加入硫酸或者是酸基而进行的反应。硫化反应存在的危险性主要有：

①火灾：在化工企业中常用的硫化剂，都具有强氧化的功能，而原料也大多使用可燃性的物质，在进行硫化的过程中，如果原料的投放顺序出错或者是拖放的速度不均匀，都会由于反应温度不稳而引起火灾的发生。

②爆炸：硫化过程是一个强烈的反应过程，这个过程中要释放大量的热量，如果在进行硫化的过程中如果对搅拌和冷却等环节没有进行合理的控制，则会由于温度的急剧升高而发生爆炸事故。

③腐蚀和灼伤。硫化反应中常用的硫化剂遇到水会形成硫酸，在释放大量热量的同时，容易对周围的人和设备造成强烈的腐蚀。

（3）卤化反应

有机化合物中的氢或其他基团被卤素取代生成含卤有机物的反应称为卤化反应。卤化反应主要危险性有：

①火灾：卤化反应的火灾危险性主要取决于被卤化物质的性质及反应过程条件，反应过程所用的物质为有机易燃物和强氧化剂时，容易引发火灾事故。

②爆炸：卤化反应为强放热反应，因此卤化反应必须有良好的冷却和物料配比控制系统。否则超温超压会引发设备爆炸事故。

③中毒：卤化过程使用的液氯、溴具有很强的毒性和氧化性，液氯储存压力较高，一旦泄露会发生严重的中毒事故。

2、化工企业高危存储装置的危险性分析

在化工企业中，收集和储存剧毒、高腐蚀等物品的存储装置都具有一定的危险性，主要可以归纳为以下几点：

（1）泄漏

由于存储装置的损坏或者是由于人员操作失误而容易引起危险物品的泄漏，从而导致各种有毒的气体流入到空气中，当易燃易爆的气体浓度达到一定程度后，遇到明火则会发生爆炸等安全事故；而具有危险性的液体的泄漏，也容易造成人员的伤亡和设备的腐蚀。

（2）中毒

含有剧毒的物质如果泄漏而形成有毒的气体，在空气中不断的扩散，会使得现场的人员或者周围居住区的居民会产生中毒的现象，同时也会造成大气环境的污染。

（3）火灾

存储的易燃易爆物品泄漏时，遇到明火或者是水则会产生剧烈的反应，发生火灾等安全事故。

（4）爆炸

当具有很低闪点的易燃易爆物品的存储装置发生泄漏时，由于其闪点较低，很容易燃烧，一旦遇到酸性物质，或者是遇到撞击和摩擦等，则会由于积聚的静电引发爆炸事故。

二、基于危险工艺装置设置安全联锁系统的要点

1、独立要求

SIS原则上应与过程控制系统(如集散控制系统DCS、工业计算机控制系统IPC 等)分离而独立设置。特别是工艺过程复杂的装置和重要的机组, SIS应不依赖于DCS系统而独立完成紧急停车及安全联锁功能。简单的SIS 可以包含在DCS 系统中,DCS和SIS之间设置独立的分组硬手操和独立的I/O卡件。I /O 卡件应带电磁隔离或光电隔离, 每个通道应相互隔离, 可带电插拔, 和电气之间的信号(起停设备、设备的状态)以及到电磁阀的信号要用中间继电器隔离。

大型联合装置的SIS 宜分解成若干个子系统,为减少工程设计、施工、采购、安装调试和维护过程中各子系统之间的相互影响, 各子系统应相对独立并分别设置硬手操。

SIS的检测元件、变送器、执行机构等应独立设置。关键部位的温度、压力、流量、液位等检测仪表不宜采用机械式仪表。变送器宜采用模拟信号, 当采用智能变送器时, 在操作站上应设置对修改现场仪表有关参数的加密技术。

SIS检测仪表及执行机构设置要根据SIS 可靠性、可用性和可维护性的总体要求配置, 关键设备检测开关按3取2配置, 例如: 大型压缩机机组油压力超低、大型离心机机组转速超高、压缩机机前分液罐液位超高、加氢装置高压分离器液位超低等。

重要部位或需要经常维护的检测仪表按2取2配置, 如蒸汽锅炉水位变送器、锅炉给水低流量变送器、加热炉进料低流量变送器、催化装置主风低流量变送器和富氧含量变送器、加氢和重整装置循环氢低流量变送器等。执行机构应单独设置, 特别部位电磁阀按2取1或3取2配置。

SIS的输入信号应为独立信号源, 即SIS的检测元件应独立设置并由SIS的冗余电源供电。单过程参数既要进行过程检测控制又要联锁时, 可以采用双变送器2取2 方式, 当SIS 输入信号为公共信号源时, 应采用一入两出信号隔离器件并保证由SIS供电, 使SIS信号输入不受DCS系统信号回路的开路、短路、失电影响。SIS 输出原则上应有独立的执行机构, 当非关键场所工艺条件允许联锁和过程控制共用同一台执行机构时, 可以采用由SIS控制执行机构或由SIS按照联锁条件切换控制方式, 执行SIS事故处理命令。SIS 的开关量输出应根据负载阻抗性质和负载大小确定其输出形式, 大功率感性负载应配泄放二极管。SIS 的输出与电气控制设备回路之间的连接必须采用继电器隔离, 或采用其他方式高低压电源隔离。负载供电应由SIS 直接供电。

2、故障安全型要求

输入回路的检测仪表在正常工况和正常供电情况下, 其接点应是闭合的或导通状态即励磁状态。SIS在正常运行状态下, 其输入/输出卡件应该是励磁的和对外供电, 在系统故障或失电时为非励磁状态。输出回路的执行机构应该为带弹簧复位的单作用方式即故障关( FC ) 或故障开( FO ) , 电磁阀或中间继电器正常状态是励磁的。故障安全型的SIS不得采用双控电磁阀和一般电动阀。故障安全型的SIS不得采用齐纳式安全栅, 应选用隔离式安全栅。SIS应采用3相4线制有蓄电池后备的UPS- DC电源或24 V直流电源供电。对重要的I /O 点, 需要设置并联旁路维护开关。