常減壓裝置加熱爐的安全儀表系統設計探討

李莉，趙運昕，賈玉明

(中海油石化工程公司，山東 青島 266101)

加熱爐是煉油裝置中提供熱量的單元，是油品蒸餾、裂解及轉化的核心設備，同時也是裝置安全、連續穩定運行的重點監控對象。加熱爐穩定運行，不僅關系到產品的合格率，還是安全生產的關鍵性環節。近年來，石化裝置安全事故頻發，對員工人身安全、企業及國家財產損失造成了不可估量的影響，為此對涉及安全生產的各方面都應引起重視。同時隨著國家對環保要求越來越嚴格，用戶更多使用天然氣作為加熱爐的燃料。本文僅以常減壓裝置管式加熱爐(燃氣型)的安全儀表系統設計方案進行總結，供各位同行參考。

1 加熱爐的安全儀表功能(SIF)

加熱爐正常穩定的生產是各子系統協調合作、綜合作用的結果。任何一個子系統發生故障，都將對加熱爐產生或大或小的影響。對加熱爐而言，通常經過危險與可操作分析(HAZOP)、保護層分析(LOPA)、安全完整性等級(SIL)評估，最終得到其SIL評估報告，在此基礎上，為加熱爐各子系統設置SIF[1]。當加熱爐子系統故障時，各子系統的SIF回路務必使加熱爐處于安全狀態，必要時將觸發停爐聯鎖。

1.1 物料進/出管路的SIF

加熱爐的進料流量過低，致使油品停留在爐管內的時間變長，一方面易使爐出口介質溫度升高，影響產品質量；另一方面，常壓爐、減壓爐所加熱的常底油、減底油屬于高黏度重油，油品在爐管中滯留時間過長，容易導致爐管燒穿，存在重大的安全隱患。當加熱爐各進料支路流量低低或相應出料支路溫度高高時，聯鎖關閉主燃料氣管線閥。物料進出管路的聯鎖方案如圖1所示。

圖1 物料進/出管路的聯鎖方案示意

1.2 燃料氣系統的SIF

在生產過程中，若加熱爐因意外狀況突然熄火(如供氣不足)，長明燈也未能燃燒，將導致燃料氣在爐膛內積聚，當濃度達到爆炸極限或遇明火時會發生爆炸[2]，為此設置如下兩類聯鎖： 主燃料氣管線壓力低低聯鎖，關閉主燃料氣管線閥；長明燈管線壓力低低聯鎖，關閉長明燈管線閥及主燃料氣管線閥。

主燃料氣管線壓力高高將產生燃燒不充分、燃料氣積聚的后果，設置如下聯鎖： 主燃料氣管線壓力高高聯鎖，關閉主燃料氣管線閥。

1.3 爐膛的SIF

常減壓加熱爐的爐管是加熱油品的載體，為防止爐管高溫受損，設爐膛溫度高高聯鎖，關閉加熱爐主燃料氣管線閥。

通常可通過調節引風機的頻率或煙囪擋板的開度來維持爐膛的微負壓狀態，爐膛壓力過高，進入爐膛的空氣降低，將導致燃燒不充分，設置爐膛壓力高高聯鎖，關閉長明燈管線閥及主燃料氣管線閥。

1.4 余熱回收系統[3]的SIF

加熱爐的余熱回收系統主要是用引風機將煙囪的煙氣引出加熱爐，中間利用余熱回收系統使冷空氣升溫，以滿足加熱爐入口的空氣溫度要求。

受空氣預熱器材質選擇的影響，為避免損壞設備，進入空氣預熱器的溫度不得高于其受熱極限。空氣預熱器入口煙氣溫度高高，聯鎖啟用煙氣旁路。

由于生產過程中的意外情況，如加熱爐的空氣預熱器損壞，引風機入口煙氣溫度高于其材質受熱極限時，將損壞引風機；引風機或空氣預熱器故障會造成引風機入口壓力超高，將對爐膛壓力造成波動。因此，引風機入口煙氣溫度高高或壓力高高時，聯鎖啟用煙氣旁路[4]。

啟用煙氣旁路的聯鎖設置有多種方式，如打開煙囪密封擋板，停引風機。具體情況還應該根據鍋爐專業的煙氣旁路設計方案確定。余熱回收系統的聯鎖方案如圖2所示。

圖2 余熱回收系統的聯鎖方案示意

1.5 通風系統的SIF

生產過程中，若因鼓風機故障而引起風道上壓力低低，必須啟用自然通風，若自然通風無法實現，則應停爐。自然通風是通過煙囪的抽力以及進入快開風門的自然風實現的，因此鼓風機出口主風道上壓力低低，聯鎖打開煙囪密封擋板、打開快開風門、停引風機和鼓風機；當聯鎖發生15 s后，系統未收到快開風門的全開反饋信號，聯鎖關閉主燃料氣管線閥。

2 加熱爐各子系統的SIF的SIL評估

以國內某煉廠為例，其常減壓裝置經過HAZOP分析、LOPA分析、SIL評估，最終得到該裝置的SIL評估報告，其中該常壓爐的各SIF的SIL評估結果詳見表1所列；減壓爐各SIF的SIL評估結果與常壓爐相同。

表1 某廠常壓爐SIL的評估結果

加熱爐各子系統的SIL采用低要求操作模式下的平均失效概率衡量，在該模式下各子系統的平均失效概率見公式[5](1)：

PFDSYS=PFDS+PFDL+PFDFE

(1)

式中：PFDSYS——E/E/PE安全相關系統的安全功能在要求時的平均失效概率；PFDS——傳感器子系統要求的平均失效概率；PFDL——邏輯子系統要求的平均失效概率；PFDFE——最終元件子系統要求的平均失效概率。

此外，PFDS，PFDFE是關于失效率、診斷覆蓋率、檢驗測試時間間隔、平均恢復時間、失效分數的函數，并根據其子系統結構不同，而采用不同的函數公式。子系統的結構包括：“1oo1” “1oo2” “2oo2” “1oo2D” “2oo3”，其具體函數公式見IEC 61508-6： 2010Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystem-part6：GuidelinesontheapplicationofIEC61508-2andIEC61508-3[6]。

3 儀表及控制閥的設置

加熱爐的儀表及控制閥在選型中應對其SIL能力提出要求，根據IEC 61508，可選用基于“經驗使用”的設備(不適應于SIL3)，或基于“IEC 61508認證”的設備。

SIL是對某個SIF回路風險降低能力的表征，對于子系統設備而言，無論是否取得認證機構的認證，均指其具備相應的SIL能力，即遵循IEC 61508的規定，其單個儀表完成SIF時符合對應的SIL值[7]。

3.1 SIL1級儀表及控制閥的設置

SIL1級SIF，儀表及控制閥可采用“1oo1”的結構。根據GB/T 20438.6—2006《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全 第6部分： GB/T 20438.2和GB/T 20438.3的應用指南》，該結構的平均失效概率可推導為式(2)：

(2)

式中：PFDavg——平均失效概率；λDU——未檢測到的危險失效率；λD——危險失效率；T1——檢驗測試時間間隔；MTTR——平均恢復時間。

對于沒有SIL認證的儀表及控制閥，若供貨商或用戶在長期(推薦1×104h及以上)、大量(推薦1×105臺級別及以上)的實際應用中，通過統計，可提供相似場合儀表及控制閥的λDU，λD，T1，MTTR等基本參數供設計方使用，設計人員可根據式(2)簡單核算，以判斷儀表及控制閥是否滿足SIL1級的要求。

根據IEC 61508的結構約束可推斷： 對于類似電磁閥、安全柵、浪涌保護器、普通變送器等結構簡單的A類儀表，可直接通過式(2)計算其PFDavg，并據此判斷其是否滿足SIL1級的要求；但對于智能變送器這種結構復雜的B類儀表，僅通過式(2)計算其PFDavg是不夠的，首先應計算智能變送器的安全失效分數(SFF)，只有SFF>60%，才能通過式(2)判斷其SIL的SFF的計算如式(3)所示：

SFF=(λS+λDD)/λ

(3)

式中：λS——安全失效率；λDD——檢測到的危險失效率；λ——失效率。

各失效率之間的關系如式(4)和式(5)所示：

λD=λDU+λDD

(4)

λ=λD+λS

(5)

基于“IEC 61508認證”的儀表及控制閥，選型時要求其SIL應不低于SIL1。對于具有認證的儀表，設計及采購時還應該關注其認證報告中描述的各類參數、使用條件或限制。

綜上所述，加熱爐SIL1級SIF的儀表及控制閥推薦選用“1oo1”結構，在該結構下，變送器及控制閥的SIL不應低于SIL1。

3.2 SIL2級儀表及控制閥的設置

對于SIL2級SIF，主燃料氣管線壓力測量、長明燈燃料氣管線壓力測量、爐膛溫度測量及爐膛壓力測量用智能變送器，宜采用冗余的設置方式，主燃料氣管線閥及長明燈管線閥宜采用冗余的設置方式[8]。

3.2.1 智能變送器的設置

傳感器子系統的冗余結構可設置為：“1oo2” “2oo2”“2oo3”，其硬件故障裕度(HFT)分別為1， 0， 1。

根據IEC 61508的結構約束規定，可推斷出： SIL3及以下的傳感器及最終元件子系統中，各子系統結構的HFT加1，則子系統中各設備的SIL等級允許減1。例如： 若傳感器子系統不采用冗余設置或其冗余結構的HFT為0，傳感器的SIL必須達到SIL2，其子系統的SIL才能達到SIL2；若傳感器子系統的HFT為1，各傳感器的SIL只需達到SIL1，其子系統的SIL便可達到SIL2。

因此，冗余結構為“1oo2”或“2oo3”時，可選用SIL1的智能變送器；冗余結構為“2oo2”時，應選用SIL2的智能變送器。加熱爐智能變送器的冗余設置不推薦應用“2oo2”結構。

根據ISA-TR84.00.02[9]，“1oo2”及“2oo3”結構的PFDavg見簡化公式(6)～(7)；其誤停車率(STR)見簡化公式(8)～(9)：

(6)

PFDavg=λDU2T12

(7)

STR=2λS

(8)

STR=6λS2MTTR

(9)

由式(6)～(9)可見，“1oo2”結構的平均失效概率雖然較“2oo3”結構低，仍屬于同一數量級；而“1oo2”結構的STR[10]卻遠高于“2oo3”結構，二者甚至不屬于一個數量級。“1oo2”結構的優點是其設備成本低于“2oo3”結構，但誤停車后造成的損失卻遠高于其設備成本。

對于SIL2級SIF中變送器子系統的設置應綜合考慮其平均失效概率、誤停車率、設備成本及用戶意見，選擇合適的設置方案。

綜上所述，加熱爐SIL2級SIF的智能變送器子系統推薦選用“2oo3”的冗余結構，在該結構下，智能變送器的SIL不應低于SIL1。

3.2.2 控制閥的設置

主燃料氣管線閥的冗余設置可采用1臺開關閥與1臺控制閥的方案，其中控制閥還用于控制爐出口溫度；長明燈管線閥的冗余方式可采用2臺開關閥的設置方案。

控制閥的冗余方式采用“1oo2”結構，其HFT為1，因此控制閥的SIL不應低于SIL1。

4 邏輯控制器的設置

通常按工藝裝置設置邏輯控制器，不單獨為加熱爐設置邏輯控制器，而據以往的SIL評估結果，常減壓裝置的邏輯控制器宜選用SIL2。

邏輯控制器應為冗余結構，冗余結構應根據不同的供貨商選用其各自成熟的冗余模式。此外，邏輯控制器是基于LVL語言的設備，其SIL不能利用公式計算，選型時應選用經認證的產品。

5 結束語

加熱爐是常減壓裝置中提供熱量的設備，也是涉及安全生產的核心設備，在對其詳盡分析的基礎上，設置合理的安全儀表系統是十分必要的。本文中的現場儀表、控制閥及邏輯控制器的設置是最低標準，僅供同行參考，同時儀表及系統選型應符合相關設計規范。隨著國家對安全生產越來越重視，建議裝置建成后，用戶根據儀表、閥門及邏輯控制器的實際參數對各SIF回路的SIL進行驗證，若有不滿足的回路，可通過提高子系統硬件故障裕度、設備SIL或調整檢驗測試時間間隔的方式解決。