石油化工裝置本質安全設計

劉超明

(1.中國石油(華東)大學,山東東營 257061;2.中國石油天然氣勘探開發公司,北京 100034)

發展與評述

石油化工裝置本質安全設計

劉超明1,2

(1.中國石油(華東)大學,山東東營 257061;2.中國石油天然氣勘探開發公司,北京 100034)

本質安全設計是以故障安全為目的的設計方法。在分析事故致因理論的基礎上,介紹了石油化工裝置本質安全的設計原則、程序、方法。設計原則主要包括安全第一原則、預防為主原則、設備技術優先原則、目標故障原則、故障安全原則以及安全性、有效性,經濟性綜合原則。設計程序包含了裝置安全設計生命周期的各個部分和各階段的目標;設計方法包括設計各階段的危險危害因素的辨識、評價、控制以及在此基礎上的安全對策設計。為石油化工裝置本質安全化設計提供一種指導性的思路和實用性的方法。

危險;安全;本質安全;故障安全;辨識;評價;控制

0 引 言

石油化工行業是國民經濟的基礎產業,也是物理性、化學性、生物性、心里和生理性以及行為性顯在或潛在危險危害因素聚集的行業。隨著高密度、高參數、高能量、高風險石油化工裝置的出現,事故及隱患越來越多,事故的災害性、意外性、突發性和社會性更嚴重。基于石油化工裝置的上述特點,一種全新的超前預防事故的安全理念隨之產生,即本質安全 。本質安全是指通過設計等手段使生產設備或生產系統本身具有安全性,即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故的功能,具體包括失誤安全和故障安全兩種安全功能。本質安全化是為使設備、系統達到本質安全而進行的研究、設計、改造的最佳組合。其目標:采用技術手段,預防生產安全事故,尤其是防止重特大事故重復發生;即使發生事故,人員能免遭傷害或能安全撤離;盡量減輕事故的嚴重程度。因此,石油化工裝置本質安全設計具有重要的理論和現實意義。

石油化工裝置本質安全設計不同于傳統的過程控制設計,它是以安全系統工程為理論基礎,以危險危害因素辨識為前提,安全評價為手段,風險預控為核心,事故致因理論為指導的集科學性、系統性、主動性、超前性于一體的貫穿于石油化工裝置規劃設計、概念設計、詳細設計等設計全過程的現代設計方法。筆者根據多年石油化工裝置設計、施工和運行管理經驗,對石油化工裝置本質安全化的設計原則、設計程序和設計方法進行探討,以期為石油化工裝置本質安全化設計提供一種指導性的思路和實用性的方法。

1 本質安全化的設計原則

自20世紀50年代本質安全理論誕生以來,大致經歷了經驗、制度和預控三個階段。預控即本質安全階段,是安全管理的最高階段,其基本的原理是運用風險管理技術,采用技術和管理綜合措施,以管理潛在風險源來控制事故,從而實現一切意外和風險均可控的目標。本質安全設計是實現該目標的主要前提和保證。本質安全設計是從項目規劃、工藝開發、過程控制等源頭消除或降低危險危害因素,從而實現安全生產的目的,因此,必須遵守以下設計原則。

1.1 安全第一的原則

以人為本,安全第一是本質安全化設計的最高目標。生產和安全相互依存,不可分割。安全和生產的辯證關系要求石油化工裝置本質安全設計過程中必須執行有效性服從安全性原則。

有效性是裝置正常運行時間占總時間的百分比。任何裝置都不能排除出現故障的可能性,本質安全裝置也不例外,關鍵是在故障出現時,其是否具有診斷、定位、排除和告警的功能。要得到好的有效性,本質安全裝置必須具備容錯和診斷功能以減少停車時間。為此應在設計中采用分散和冗余技術。分散包括本質安全裝置各組成單元的結構分散、設備物理位置分散,控制信號采集點來源分散和網絡分散等。冗余包括裝置結構化及其數量冗余、控制系統冗余、通信模件冗余、連接介質冗余和電源冗余等。容錯是提高裝置有效性的重要手段,容錯是指裝置在出現故障時仍能正常工作,同時又能查出故障的能力。冗余是實現容錯的工程方法,容錯包括三種不同的功能:故障檢測、故障鑒別、故障隔離。提高裝置的診斷覆蓋率水平,也可以提高裝置有效性。重化、冗余、容錯結構的裝置配置在提高裝置安全性的同時,也提高了裝置的有效性。有效性不影響系統的安全性,但裝置的有效性低可能會導致裝置和工廠無法進行正常生產。

系統安全是指在系統整個生命周期內,應用系統安全工程和管理方法,識別系統中的危險源,定性或定量表征其危險性,并采取控制措施使其危險性最小化,從而使系統在規定性能、時間和成本范圍內達到最佳的安全的程度[1]。安全度是裝置在規定條件下、規定時間內完成規定功能的概率,其量化指標為安全完整性目標測量值,其值越小,安全度越高。安全性針對過程的兩個方面:過程問題和系統故障;裝置安全性是組成系統各環節安全性的乘積。要提高裝置安全性,必須同時提高組成裝置各環節的安全性,具體就是選用高安全性的工藝流程、設施、設備、監控系統和各種防護措施等。

1.2 預防為主的原則

安全是相對的,危險是絕對的。危險是系統處于容易受到損害或傷害的狀態,常指危險或危害因素。危險因素是指能對人造成傷害或對物造成突發性損害的因素,主要是指客觀存在的危險,有害物質或能量超過一定限值的裝置、設備和場所等[2]。安全是指系統處于免遭不可接受危險傷害的狀態[1],其實質就是防止事故,消除危險危害因素存在的條件。本質安全設計以危險源辨識為基礎,風險預控為核心,以管理人的不安全行為為重點,以切斷事故發生的因果鏈為手段,旨在從過程設計,工藝開發等源頭消除或降低危險源。采取的方案有原料替代、能量控制、工藝方案選擇、本質安全評價等。

1.3 設備技術優先原則

安全和危險是一對互為存在前提的概念,分別用安全度和危險度來定性定量描述。人的操作和管理失誤、設備故障、意外因素等引發事故是不可避免的,大量事故和試驗證明,人的失誤率很高,以百分計;而設備的失誤率(故障率)較低,是以千分計、萬分計。經過專門設計加工,設備的失誤率可低于十萬分之一,甚至更低。創造失誤率很低的物質技術條件來保障安全生產,就成為必然的選擇。因此要保障安全生產,工藝技術、工具設備、控制系統和建筑設施等應具有預防人為失誤和設備故障引發事故的功能,最低限度也要做到即使發生事故,人員不受傷害或能安全撤離,降低事故嚴重程度。這就是本質安全設計的設備優先原則。

1.4 目標故障原則

事故是指造成人員死亡、傷害、職業病、財產損失或其他損失的意外事件[1]。事故的根本原因是由存在危險有害物質、能量和危險有害物質、能量失去控制的綜合作用造成的,并導致危險有害物質的泄漏、散發和能量的意外釋放。故障(Failure)是功能單元終止執行要求功能的能力,根據故障的表現形式可分為顯形故障和隱形故障。顯形故障是指能夠顯示自身存在的故障,屬于安全故障。隱形故障是指不能顯示自身存在的故障,屬于危險故障。危險故障是使本質安全系統處于危險并使其功能失效的潛在故障,隱形故障一旦出現,可能使生產裝置陷入危險。本質安全系統的設計目標就是使得系統具有零隱形故障,并且盡量少地影響有效性的顯形故障,從而實現裝置生產的零事故。

1.5 故障安全原則

故障安全包括失誤安全和故障安全。失誤安全系指誤操作不會導致裝置事故發生或自動阻止誤操作的能力;故障安全即為設備、設施、工藝發生故障時裝置還能暫時正常工作或自動轉變為安全狀態的功能。冗余、容錯、重化是實現故障安全的本質安全設計方法。危險源識別、風險評價、設計對策是實現故障安全的重要程序。

1.6 安全性、有效性,經濟性綜合原則

有效性和安全性的目標是矛盾的,有效性的目的是使過程保持運行(安全—運行),而安全性的目的是使過程停下來(安全—停車)。提高安全性必然降低有效性,綜合方案就是根據裝置運行要求,工藝特點,在滿足設計安全等級前提下,盡量提高裝置的有效性,以減少裝置的無謂停車,提高生產的經濟效益。提高裝置的有效性和安全性,必然增加裝置的成本。多余的冗余以及富余的安全等級是一種浪費。科學的設計方法就是根據實際的生產過程,選擇合理的系統冗余度。對于不是很重要的過程,可以犧牲一些系統安全性來提高項目經濟性和系統有效性,而主要的、高危的生產過程則采用較高冗余度,確保生產的安全平穩。在安全和經濟發生沖突時,必須執行安全第一的原則。

2 石油化工裝置本質安全設計程序

石油化工裝置本質安全設計程序包括了石油化工裝置整個安全生命周期。根據 IEC61508的有關定義,安全生命周期是指實現裝置安全必須進行的有關活動,包括了從項目概念設計的啟動到裝置及其輔助設施不再可用(失效)為止的整個周期。用系統化的方法處理以上活動以得到裝置安全要求所采用的整體本安生命周期的理論架構,如圖1所示。整個本安生命周期各階段要達到的目標見表1所列。石油化工裝置的設計一般分為規劃設計、概念設計和詳細設計等階段,因此石油化工裝置的本安設計也應分步進行以提高裝置本質安全化水平。石油化工裝置的本質安全設計不是純單向的,每一階段都會對前一階段的工作進行評價,如發現有不足和錯誤,則返回前一個階段重新研究并進行修正,再重新設計,直到設計方案符合裝置本質要求。其設計程序的流程如圖2所示。

圖1 整體本安生命周期技術架構

表1 整體本安生命周期各階段目標概述

續 表 1

圖2 石油化工裝置本質安全設計流程

3 石油化工裝置本質安全設計方法

石油化工裝置的本安設計是建立在以物為中心的風險預測和事故預防技術基礎上的設計理念,強調先進的設計技術、本質安全措施是保障生產安全、預防操作失誤、降低裝置風險的有效途徑。為了實現故障安全,石油化工裝置往往采用多重安全防護措施。這些措施不僅包括直接安全技術措施、間接安全技術措施、指示性安全技術措施,而且也包括當以上三種措施仍不能避免事故和危害發生時所采用的安全管理防護措施等。其層次結構如圖3所示。

圖3 石油化工裝置本質安全設計安全防護措施的層次結構

石油化工裝置的主要風險源有化學危險品、易燃易爆性物質、有毒性物質、腐蝕性物質等的生產、儲存;設備、設施缺陷;高溫低溫;高壓;能量意外釋放等。根據安全防護等級的層次結構,分別采取消除、替換、強化、弱化、屏護、時空隔離、保險、聯鎖、冗余設計、報警等措施。措施的最佳組合加輔助性安全措施,可有效消除或降低裝置危險危害因素的發生。

3.1 規劃設計階段

規劃設計階段也稱為可行性分析階段,主要通過貫徹安全生產的法律法規、技術標準以及工程系統資料實現項目本質安全總圖布置。

3.2 概念設計階段

主要對總圖布置及建筑物的危險危害因素進行辨識,實現項目選址和廠區平面布置的本質安全。選址時,除考慮建設項目的經濟性和技術的合理性,并滿足工業布局和城市規劃的要求外,在安全方面應重點考慮地質、地形、水文、氣象等自然條件對企業安全生產的影響和企業與周邊地區的相互影響。廠區平面在滿足生產工藝流程、操作要求、使用功能需要和消防及環境要求的同時,主要從風向、安全防火距離、交通運輸安全以及各類作業和物料的危險危害性出發,確定廠區平面布置。

3.3 工藝設計階段

石油化工裝置承載著將原油加工成各種石油石化中間和最終產品的任務。加工條件和反應過程決定了裝置的工作狀況以及危險危害因素的類別和組別,同時也決定著裝置應該采取的本質安全防護對策措施。工藝設計階段的任務是根據裝置要求,依據物料、能源平衡原理,選擇適合于生產要求的工藝流程以及對危險化學品所采取的防火防爆對策。工藝流程應為低壓、常溫工藝,盡量避免使用高壓、高溫工藝,減少爆炸危險性物質等存在。應選擇無害化的工藝技術,或以無害物質代替有害物質并實現自動化技術等,盡可能從根本上避免危險危害因素的發生;當消除危險危害因素有困難時,應采取預防措施如設置安全閥和各種防靜電接地、防雷接地、保護接地、漏電保護等預防危險危害因素發生。當無法避免且難以預防時,也應該采取減少危險危害因素發生的措施如設置防火堤、防火間距、以低毒物質代替高毒物質等措施來減少危險危害因素的發生;如果連減少都無法實現時,必須采取隔離和聯鎖裝置終止危害因素的發生。

3.4 詳細設計階段

就是在選定工藝流程的條件下,進行設備選型、管理走線、控制方案及控制設備等的設計。設備包括標準設備、專業設備、特征設備和電氣設備等。在選用生產設備時,除應滿足工藝功能外,應對設備的勞動安全性能給予足夠的重視,保證設備按規定使用時不會發生任何危險,不排放超過標準規定的有害物質;盡量選用自動化程度和本質安全程度高的生產設備。選用的鍋爐、壓力容器等特種設備,必須由持有安全、專業許可證的單位進行設計、制造、檢驗和安裝,并應符合國家標準和有關規定的要求。物料的腐蝕性在這一階段應作為重點考慮,為保障不因設備腐蝕造成可靠性的下降,應充分考慮設備材質和防腐措施。

4 結束語

本質安全設計是裝置本質安全的首要一環,是安全生產的重要前提。危險源的辨識、評價和控制是實現本質安全設計的科學方法。消除人的不安全行為和物的不安全狀態是本質安全設計各階段的最高目標。本質安全設計中應分析、研究裝置工藝過程中人、機、料、法、環諸因素對生產本質安全的影響,根據安全對策措施的基本要求和安全技術措施等級,采取消除、預防、減弱、隔離、聯鎖、報警等措施,經過多周期、閉環控制、逐步完善提高,實現裝置本質安全。實踐證明,本質安全措施的成功設計和各安全措施的最佳組合可使裝置安全生產收到事半功倍的效果。

[1] 張乃祿,劉 燦.安全評價技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007:2.

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[3] JONAS B.Fieldbuses forProcess ControlEngineering, Operation,and Maintenance[M].ISA-the Instrumentation, Systems,and Automation Society,2002:284-287.

[4] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].2版.北京:化學工業出版社, 1998:153.

[5] 魏 華.安全儀表的可靠性和可用性分析[J].石油化工自動化,2009,46(1):10-13.

The Intrinsic Safety Design of Petrochemical Plants

Liu Chaoming
(1.The China Uni.of Petroleum,Dongying,257061,China; 2.The China National Oil and Gas Exploration and Development Corp.Beijing,100034,China)

The intrinsic safety design is a design method which put the failure-safety as the goal.Based on analyzing the accident cause theory,the design principle,procedure and measures of the intrinsic safety design in petrochemical units are introduced.The design principle mainly includes that safety is the first,prevention is primary,preference of equipment technology,goal failure,failure-safety and comprehensive consideration of safety,availability and economy.The design procedure includes the aim of the individual party and phase covering all safe life period of the plant.The measure consists of the analyses,evaluation and control of hazarding and harming factors in various phases.One guide thought and practice way is provided for the intrinsic safety design of petrochemical plants.

hazard;safety;intrinsic safety;failure safety;analysis;evaluation;control

TP202.1

B

1007-7324(2010)06-0001-05

2010-08-13。

劉超明(1967—),湖北天門人,1989畢業于江漢石油學院工業自動化儀表專業,長期從事國內外工程項目的設計、施工、系統調試和試運,任高級工程師。