甲醛裝置安全儀表系統設計

梁曉鷗

（北京石油化工工程有限公司，陜西西安 710065）

甲醛作為一種重要的化工原料，廣泛用于生產酚醛樹脂、聚甲醛樹脂等高分子材料中，本身還可以作為消毒劑、還原劑和防腐劑等。

鐵鉬法制甲醛工藝，采用催化氧化技術，將氣相甲醇與空氣在催化劑的作用下發生氧化脫氫反應，生成甲醛氣體，再進入吸收塔經過工藝水吸收后得到相應濃度的甲醛溶液，產品濃度可根據下游裝置的需求在37%～57%進行調節。專利商的工藝包中，甲醛裝置生產過程通過DCS系統進行過程控制及聯鎖切斷功能。但根據安監總管三[2014]116號國家安全監管總局關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見中要求，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品儲存設施要設計符合要求的安全儀表系統。而鐵鉬法制甲醛即為“兩重點一重大”中所涉及的氧化工藝，按照要求應當設置安全儀表系統（SIS）。

1 甲醛裝置工藝流程

鐵鉬法制甲醛工藝流程見圖1，新鮮空氣與吸收塔循環回收的循環氣進行混合后送入甲醇汽化器，在甲醇汽化器中與氣化后的甲醇形成混合氣，混合氣進入列管式反應器進行氧化反應，放出大量熱，此部分熱量由導熱油移走，并在導熱油冷卻器中換熱產出副產蒸汽送管網，氧化反應后的甲醛氣體經甲醇汽化器進行熱量回收后進入吸收塔，生成甲醛水溶液，可以通過調節脫鹽水量來改變甲醛溶液濃度，吸收后的氣體一部分回到系統進行循環，另外一部分通過尾氣處理系統后排放。

圖1 甲醛裝置工藝流程框圖

2 安全儀表系統功能及HAZOP、LOPA、SIL等級分析

安全儀表系統（SIS，Safty Instrumented System）是實現一個或多個安全儀表功能（SIF）的儀表系統，是石油化工生產過程的重要安全保護裝置，要求與生產過程控制系統獨立設置，在生產裝置出現異常情況時，能夠迅速將裝置轉入安全狀態，防止事故發生，應滿足裝置的安全儀表功能和安全完整性等級要求。

危險與可操作性分析（HAZOP，Hazard and Operability Analysis）是目前國內石化行業常用的風險分析方法。HAZOP分析是一種定性的分析，分析之前應根據各個用戶事故統計情況和風險接受程度，指定使用本單位的風險矩陣，由各專業專家組成分析小組，對工藝流程圖和操作規程進行頭腦風暴式的風險分析。通常按照以下流程進行：

1）確定分析范圍，選擇節點。確定待分析的工藝儀表流程圖，對PID進行節點劃分，節點是HAZOP分析時的研究對象，可以是一個設備或者多個設備，通常以功能來劃分，對于不同的功能設備劃分為不同的節點。

2）選擇操作參數及引導詞，構建偏差。在對某一節點的分析過程中，首先選擇待分析的操作參數，比如流量、壓力、溫度等，然后對該操作參數選擇相應的引導詞，比如少于、低于、高于、大于、過早、過遲等。對所選參數使用引導詞，得到偏差，如壓力高/低、流量高/低、溫度高/低等。

3）對偏差及后果進行分析。得到偏差以后應對該偏差產生的原因、可能產生的后果進行判斷，然后分析現有的保護措施，利用風險矩陣對殘余風險進行分級，針對超出可接受水平的偏差后果提出建議措施。

按照以上流程對節點內的所有參數和偏差進行分析，得出HAZOP分析報告及相應的建議措施。依據甲醛裝置工藝流程特點，進行節點劃分后，開展HAZOP分析，得到相應的分析報告見表1。

表1 甲醛裝置HAZOP分析報告（部分）節點：原料加壓

根據HAZOP分析的結果，可開展LOPA保護層分析。LOPA是一種半定量性質的分析，在HAZOP分析結果的基礎上，進一步對具體事故場景的風險進行數量級的相對量化。在分析過程中，首先應識別出可能發生的事故場景，量化未采取保護措施情況下的危險水平，然后進行保護層識別，對現有保護措施進行分析，識別出所有的獨立保護層，獨立保護層應具備有效性、獨立性和可審查性。獨立保護層識別是LOPA分析的重點，其應獨立于初始事件和任何其他已經被認為是同一場景的獨立保護層的構成元件[9]。第三，對獨立保護層的可靠性進行量化，確定其失效概率（PFD）。對保護層的識別應滿足獨立原則，相互之間不能影響其保護功能。因此，所有保護層的總失效概率為各現有獨立保護層失效概率的乘積。保護層失效概率乘以初始事故潛在概率即為當前保護條件下的剩余風險事故概率。對于剩余風險水平仍超過用戶可接受的風險水平的情況下，則需要采取其他的安全措施，比如引入安全儀表功能（SIF），以將風險降低至可接受水平。

HAZOP-LOPA分析后得到的剩余風險水平可以確定裝置安全儀表功能（SIF）的安全完整性等級（SIL）要求。這是SIS系統設計的依據。安全完整性等級（SIL）根據安全性能不同分為4個等級并且涵蓋了兩種模式（低需求模式與高需求模式），針對工藝系統中的緊急聯鎖切斷，一般采用低需求模式進行分析，見表2。

表2 SIL等級表

在SIL等級分析之前，需要確定一個事故后果嚴重程度和可接受水平的分級要求，通常針對人員、環境、財產三個方面分別列出可容忍概率，在分析的過程中計算出初始事件頻率、保護層失效概率、剩余風險概率后與可容忍概率進行比較，得到需要設置的SIF回路的風險降低能力，對照安全完整性等級（SIL）表的失效概率，可得到SIF回路的SIL等級要求，見表3。

表3 SIL定級分析記錄（部分）節點：原料加壓

以原料加壓節點中，循環風機流量調節回路故障為例，初始事故頻率為0.1，根據人員巡檢人數、時間、班次得到初始風險削減概率0.21，因此可得到未削減條件下人員風險概率為0.021，環境與財產風險概率為0.1；現有保護措施有：循環風機出口流量與壓力報警，甲醇汽化器及下游管線和反應器上設有爆破片。根據削減原則，報警作為一個獨立保護層，PFD為0.1e-1，可對人員、環境、財產進行保護；設備及管線上設置的爆破片，PFD為1.0e-2，對人員和財產進行保護，應當注意爆破片不作為環境的獨立保護層，對環境保護不作削減。計算得到削減后的LOPA差距，即可確定SIL等級。

按照以上程序，對甲醛裝置工藝流程進行HAZOP-LOPA和SIL定級分析后，最終確定了需要進入SIS系統的回路，見表4。

表4 甲醛裝置SIL定級清單

3 安全儀表系統設計原則

根據SIL定級報告，對SIS系統設計時，每個SIF回路包含的檢測單元、邏輯控制器及執行單元，均應符合其相應的SIL等級的要求。在滿足安全完整性等級的要求下，還要兼顧可靠性、可用性和經濟性等。SIS系統設計應考慮到以下原則：

1）獨立性原則。過程控制系統（BPCS）與安全儀表系統（SIS）應獨立設置，因此，現場檢測單元以及執行單元也應按照分立原則設置，分別設置過程控制用檢測儀表和SIS系統用檢測儀表，SIS儀表應具有符合相應SIL等級認證的儀表。對于一些無法分立設置的檢測儀表或執行單元，SIL1等級回路時過程控制系統和安全聯鎖系統可以共用，但應保證SIS的動作優先級高于DCS系統動作，儀表的操作、管理、維護應按照SIS儀表要求進行。

2）故障安全型原則。SIS系統應按照故障安全型設置，采用負邏輯組態，系統正常運行時，接點應是閉合狀態或者電磁閥是帶電勵磁狀態，即正常狀態下輸入/輸出為邏輯“1”，高電平狀態。當聯鎖信號發生或者系統故障時，輸入接點斷開，非正常狀態下為邏輯“0”，低電平狀態，對于輸出回路執行機構來說，應滿足電磁閥失電后閥門處于聯鎖位。

3）SIS邏輯設計時還應考慮到工藝過程的影響，除了在正常工況下的聯鎖邏輯外，還應考慮到一些特殊的工況，比如開車工況下需要設置的必要的低聯鎖旁路開關，對于SIS回路的聯鎖，還應設置手動復位開關，以保證觸發聯鎖的狀態消失后，必須通過操作人員確認，才可以重新開車。

4 甲醛裝置安全聯鎖配置

1）對于普通的壓力變送器、溫度測量儀表、液位測量儀表配置獨立的雙測量儀表。質量流量計由于配管空間限制或者考慮經濟性，選用單臺儀表雙路信號輸出，一路信號送DCS系統，一路信號送SIS系統。

2）進甲醇汽化器原料甲醇管線配置雙閥，過程控制回路采用直通閥帶電磁閥，用于流量調節回路，當SIS聯鎖觸發時同步用電磁閥關閉。SIS聯鎖配置氣動切斷球閥，閥門整體要求SIL1等級以上認證。

3）氧分析儀表考慮經濟性原則，采用單臺儀表雙路信號輸出，做到信號分立，并設置流量低低報警，防止出現分析儀由于進氣故障而導致無法觸發高高聯鎖，流量低低功能應選用儀表本身自帶的功能，若不具備此功能，流量報警裝置應裝在預處理箱環節。

4）輔操臺設置緊急停車按鈕，采用雙觸點輸出，一路信號送DCS系統，一路信號送SIS系統，跳車時，同時觸發DCS與SIS系統聯鎖，當系統恢復正常后，需要在輔操臺上手動復位。

5 結束語

根據甲醛裝置的工藝流程特點，依據HAZOPLOPA分析和SIL定級分析報告，設計了滿足安全儀表系統規范要求的SIS系統，可以實現當工藝過程參數出現異常時，觸發相應聯鎖，關閉相關閥門，停運風機、泵等動設備，對裝置生產起到安全保障作用，并且滿足國家安全管理相關文件要求。項目經過施工、調試并投入使用，目前運行狀況良好。后期還應注意SIS聯鎖的完全投用，定期對系統進行維護和檢驗，保證其長期功能的完整性。