精細化工全流程自動化建設常見問題探討

朱東利

(南京聚高工程技術有限公司，南京 210000)

隨著《全國安全生產專項整治三年行動計劃》(安委[2020]3號)文的發布，全國各地化工園區都在積極推動自動化的建設。江蘇省應急管理廳于2019年6月發布了《本質安全診斷治理基本要求》(蘇應急[2019]53號)，其中包括了全流程自動化的建設要求，并于2020年9月分批對省內化工企業進行了本質安全診斷竣工驗收。筆者根據參與江蘇省部分化工企業全流程自動化建設的經驗，總結其中常見的問題，供其他地區專業技術人員探討和參考。

1 現有主要政策文件

目前，自動化的設計要同時參考安全監管文件和自控設計規范，安全監管文件明確要做哪些工作，規范指導具體怎么做合規。這幾年各級安全監管部門頒布的文件很多，包括：國家級的、省級的、市級的、園區級的等，根據事故教訓總結經驗，最終目的是讓企業深入提高本質安全水平，降低事故發生的概率。

總結各級安全監管部門的文件，會發現有很多重復強調的要求。因為安全生產管理是長期伴隨在生產過程中，各安全監管文件不斷地強調生產過程中容易發生事故的點，通過強化這些事故點的安全管理，大幅降低事故發生頻率和嚴重性，進而以點帶面全面促進安全管理。

以江蘇省為例，根據筆者個人工作經驗，在自動化設計、審查的過程中，安全、環保監管文件中使用頻次較高的涉及自動化要求的具體內容見表1所列。

表1中的安全監管文件將自動化與安全生產掛鉤，先對風險大的“兩重點一重大”完善控制措施；其次對涉及到化學反應、蒸餾等易燃易爆過程完善自動化；再結合近年來國內國外發生的特大安全生產事故教訓，對硝化、液氯等工藝提出更為具體的指導意見，并對重大風險的工藝要求上下游實現自動化操作；結合安全法規要求對具體行業進行針對性的檢查；同時為了確保生產過程中盡量減少人員干預，避免發生群死群傷，提出將控制室遠離生產區，實施將人從生產區轉移到管理區等措施。

表1 安全、環保監管文件中涉及自動化要求的具體內容

2 全流程自動化的驗收指標問題

精細化工的全流程是指原料處理、反應工序、精餾精制、成品儲存等各個生產環節[1]，《省應急管理廳關于印發〈本質安全診斷治理基本要求〉的通知》(蘇應急[2019]53號)中要求：“兩重點一重大”的在役裝置自動化控制系統改造升級率應達100%，新建項目自動化控制系統裝備率應達100%。

在2019年江蘇省各化工企業全流程自動化前期交流時，對全流程的要求比較好理解，以前設置自動化多數是局部的，如把罐區、危險化工工藝、精餾(蒸餾)等部分裝置設置了自動化，忽視了非主要化學反應工序、物理處理工序等；對文件中要求的“100%”多有不解，如何改造才能通過驗收，有的企業認為是不是要上機器人、全操作自動化，做到完全無人操作。

在2020年大部分企業的驗收過程中，100%全流程自動化是指實現了“兩重點一重大”的控制要求，滿足蘇應急[2019]53號文中的生產裝置、儲存設施全流程自動控制，滿足HAZOP提出來的建議措施要求等。但也有個別項目驗收時提出來，僅僅根據上述文件實施，并沒有完全實現100%全流程自動化，比如安全監管文件里面對反應釜的進、出料是否要自動化操作沒有明確要求，目前還是要靠人工操作。

這就是對文件的解讀不一樣導致的偏差。按照功能不同，可以把精細化工的自動化分為三個層級：

1)安全自動化。像各安全監管文件要求的那樣，安全自動化是為生產“兜底的”，避免出現超溫、超壓、超液位、泄漏等事故，本質安全中不斷強調的自動化屬于安全自動化。

2)過程控制自動化。目的是追求裝置的平穩運行，針對精細化工企業，主要是反應釜的溫度控制。反應釜是精細化工的核心設備之一，也是安全和質量管理中的重要環節，控制好反應釜的溫度對安全和質量都很關鍵。目前，反應釜的溫度控制中還存在諸多問題。

3)全操作自動化。主要是采用DCS控制切斷閥去代替手閥操作，用順序控制替代人工。目前做到全操作自動化的精細化工企業并不是太多，一個車間幾百上千臺切斷閥，全部由DCS控制投資較大，而且對工藝、調試、維護都有很高的要求。

綜上所述，為了避免在執行過程中出現理解上的偏差，在整個行業未能有足夠條件實現全操作自動化時，“全流程自動化”一詞可以暫改為“全流程安全自動化”。同時明確“100%”的考核指標是什么，以便于更好地落地執行。

3 硝化等工藝上下游自動化的問題

《全國安全生產專項整治三年行動計劃》(安委〔2020〕3號)要求，2022年底前所有涉及硝化、氯化、氟化、重氮化、過程氧化工藝裝置的上下游配套裝置必須實現自動化控制[2]。該文件是在《本質安全診斷治理基本要求》(蘇應急[2019]53號)以后發的，也晚于江蘇省于2020年9月份開始的本質安全竣工驗收。所以對涉及到上述危險工藝的企業，有的企業硝化車間又進行了二次改造。

以硝化工藝為例，按蘇應急[2019]53號文中要求：“反應產物因酸解、堿解(僅調節pH 值的除外)、萃取、脫色、蒸發、結晶等涉及加熱工藝過程的，當熱媒溫度高于設備內介質沸點的，應設置溫度自動檢測、遠傳、報警，溫度高高報警與熱媒聯鎖切斷及泄壓設施[3]”；硝化下游的如水洗、堿洗屬于物理過程，故自動化的設計要求為“超溫、超壓、電流異常聯鎖切斷蒸汽”。以上這些顯然不符合安委〔2020〕3號文的要求。通過該案例，可以看出表1中近10年來的行文在安全要求方面在不斷地完善，而且也會不停地完善下去。

因化工生產工藝路線較多，文件無法全部介紹“上下游配套裝置”具體是指那些，因此在執行過程中，普遍對“上下游配套裝置”的范圍討論較多。比如：同一個車間里面哪些單元算上下游配套；或若氫化車間合成后的物料轉移到另外一個車間里，則該車間是否屬于氫化的下游配套等種種問題。

根據應急管理部有關負責人對《危險化學品企業安全分類整治目錄(2020年)》和《淘汰落后危險化學品安全生產工藝技術設備目錄(第一批)》的解讀，在18種重點監管危險化工工藝中，硝化、氯化、氟化、重氮化、過程氧化工藝因涉及爆炸性化學品、劇毒化學品等，不僅涉及這些工藝的反應裝置安全風險高，而且其上下游工序，如硝化裝置下游的溶劑萃取、蒸餾；氯化裝置的液氯氣化、氯氣吸收等也容易發生事故，也要實現自動化控制，最大程度地減少作業現場人員數量[4]。

從上述的解讀中可以看出，硝化、氯化、氟化、重氮化、過程氧化工藝裝置上下游裝置要求配套自動化措施，是從反應發生事故對整個區域的影響以及反應物料本身的風險角度考慮的。硝化、氫化等過程反應風險大，需盡量減少操作人員，可以達到減少操作人員帶來的不安全因素和事故發生后的后果的目的；同時如硝基物、氯氣、氟氣、過氧化物等本身物料的風險也很高，需降低在上下游裝置中出現這些高風險物料發生事故的概率。

綜上所述，可以通過兩種方法來確定硝化、氯化、氟化、重氮化、過程氧化工藝裝置的具體的上下游裝置：一是通過區域劃分，可以借助定量的爆炸模擬分析軟件，模擬反應失控后爆炸的沖擊范圍，在該范圍內的裝置盡可能地做到全操作自動化，避免過多的人員進入；二是通過分析高風險物料的轉移路徑來確定上下游裝置。以氯化過程為例，氯氣的進料所涉及到的設備，如液氯鋼瓶—汽化器—緩沖罐就是它的上游，反應后的氯氣吸收裝置就是它的下游，這里考慮的是氯氣本身泄漏的風險；以硝化過程為例，含有硝基物的，如降溫釜、水洗釜、堿洗釜、蒸餾釜屬于它的下游裝置，這里考慮的是硝基物本身的風險。

當然，最簡單、最有前瞻性的方法，就是把這些高風險的裝置獨立設置，如獨立的硝化車間，將整個車間實現全操作自動化，一步到位，這也算是把投資用在刀刃上。

4 竣工圖與現場的一致性問題

竣工圖和現場的一致要求，直擊了精細化工資料管理的命門。現實中，仔細研究大部分企業的HAZOP分析報告、SIL定級報告、自控設計圖紙(SIS聯鎖邏輯圖)、現場安裝情況、SIS組態畫面、SIL驗證報告等后會發現，這些本該前后一致的圖紙卻出現很多不一致的地方。P&ID與現場實際安裝、組態的情況更是相差甚多。

精細化工因其行業特點，現場改造切換產品工期較短，很多企業在投產以后還在不斷地調整現場設備、管線，但卻忽略了圖紙的修改。這也反應了項目變更流程未實施到位，應該是先有評估、設計，后有現場施工。

竣工圖在實施過程中還有個現實問題，因改造項目在現場多有不規范之處且更改困難，尤其是總圖的防火間距問題，編制竣工圖的設計單位不想承擔該部分的責任；有的項目驗收時提出竣工圖需加蓋施工單位竣工章，后來的施工單位也不想承擔之前項目的責任，讓項目陷入僵持。這是工程責任制劃分的問題，如果不劃分好各建設階段各單位的責任，把所有問題都推給竣工圖編制單位，是不可取的。

自控專業涉及到竣工圖的一致性，主要包括：P&ID圖、SIS聯鎖邏輯圖、DCS聯鎖邏輯圖、氣體探測器布置圖、DCS監控畫面、SIS組態畫面、控制報警聯鎖值一覽表等，上述圖紙是檢查的重點，也是企業需要組織人力重點核對的地方。

蘇應急[2019]53號文要求：“DCS顯示的工藝流程與P&ID圖和現場一致”，這有利有弊。傳統DCS組態時，工藝專業會提交一版簡化后的P&ID用于繪制DCS的畫面，這有助于減少DCS監控畫面頁數，突出主要關注點。要求DCS畫面與P&ID一致后，方便操作人員學習整個生產流程，便于指導外操人員操作，有助于緊急情況下根據DCS畫面做出正確的判斷；但DCS畫面增多、頁面內容復雜，不便于直觀操作。因此，對于DCS畫面過多的項目，可針對“兩重點一重大”部分做一個總的監控畫面，對重大風險重點關注。

5 冷熱媒自動切換的問題

蘇應急[2019]53號文要求：“反應過程涉及熱媒、冷媒(含預熱、預冷、反應物的冷卻)切換操作的，應設置自動控制閥，具備自動切換功能”。這是針對非危險化工工藝要求的，也是江蘇省精細化工企業本次全流程自動化改造的投資重點。精細化工企業有的是多功能生產車間，有的反應釜上配置了蒸汽、熱水、循環水、冷凍水等介質，現場空間緊湊，自動化改造的過程中也牽涉到管道的改造。

按照制定文件的出發點來看，應該是在控制室DCS畫面上，能夠實現反應釜夾套的熱媒切換到冷媒，冷媒切換到熱媒(中間還需要有個冷媒壓回的過程)，這樣既可以實現DCS聯鎖，也可以實現DCS的溫度控制。

但是在實施過程中，大部分企業做的只是冷媒和熱媒的切換，即在熱媒(蒸汽、熱水)、冷媒(循環水或冷凍水)的進出管線上設置控制閥或者切斷閥，而在夾套壓縮空氣管線和冷媒壓回管線上未設置切斷閥，這能從字面上滿足了文件的要求，即冷、熱媒自動切換，滿足了DCS的聯鎖要求，但是卻無法實現DCS的遠程控制，因為冷媒切換到熱媒上仍需要人工去現場把夾套中的冷媒壓回。

另外，眾多企業反映蒸汽單閥關閉不嚴的情況，切換冷媒時仍需現場關閉蒸汽手閥，所以后續企業再進行改造時，可以將反應釜夾套蒸汽管線設置切斷閥加控制閥雙閥關閉，將夾套壓縮空氣和冷媒壓回上也設置切斷閥實現遠程切換和控溫。

6 執行中有爭議的問題

因對各安全監管文件的理解不同，在執行過程中出現一些有爭議的問題。

6.1 DCS與SIS獨立設置的問題

DCS和SIS的獨立性討論這幾年一直很熱烈，源于規范之間的沖突、規范與檢查的沖突。蘇應急[2019]53號文中要求：“構成一級、二級危險化學品重大危險源應裝備緊急停車系統，對重大危險源中的毒性氣體、劇毒液體和易燃氣體等重點設施，設置緊急切斷裝置。緊急停車(緊急切斷)系統的安全功能既可通過基本過程控制(DCS或SCADA)系統實現，也可通過安全儀表系統(SIS)實現。安全完整性(SIL)等級為1級的，其緊急停車(緊急切斷)系統的安全功能可通過基本過程控制系統實現，也可通過安全儀表系統實現，安全完整性等級為2級及以上，其緊急停車功能必須通過安全儀表系統實現”，“涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級、二級重大危險源的危險化學品罐區應設獨立的安全儀表系統。每個回路的檢測元件和執行元件均宜獨立設置，安全儀表等級宜不低于2級”。

目前，行業普遍接受了DCS和SIS獨立設置的理念，從傳感器、邏輯控制器到執行機構均獨立設置，故SIL1的回路在DCS中實現的企業很少見。但如果定性地認為，毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級、二級重大危險源的危險化學品罐區的聯鎖回路不宜低于SIL2，這與目前普遍使用的半定性、半定量的保護層分析LOPA方法有沖突，這并不是否定定性分析，只是先下結論后做LOPA就失去了該類工作的意義。

在重大風險上做重點投入本無可厚非，但從SIL驗證的角度來說，經過安全功能認證的單液位檢測儀表和單閥門組成的SIF回路，往往是滿足SIL2的要求的。所以如果回路的冗余結構沒有變，要求SIL1和SIL2是沒有意義的，因為SIL2的回路并不是強制要求傳感器子單元冗余，有可能會出現依舊采用原有配置的結果。

因此，可以要求“涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級、二級重大危險源的危險化學品罐區SIS聯鎖回路傳感器子單元采用冗余結構，硬件故障裕度HFT≥1”，避免單傳感器單元失效導致事故的發生。

6.2 反應工藝危險等級1級的SIS設置問題

有些反應工藝雖然被劃分成重點監管危險工藝，但是反應過程很溫和，經熱風險評估，反應工藝危險等級為1級，根據《國家安全監管總局關于加強精細化工反應安全風險評估工作的指導意見》(安監總管三[2017]1號)的要求：“對于反應工藝危險度為1級的工藝過程，配置常規的自動化控制系統，對主要反應參數進行監控和調節[5]”，并沒有要求配置安全儀表系統。

所以，到底是按照定性的《首批重點監管的危險化工工藝目錄》(安監總管三〔2009〕116號)、《第二批重點監管危險化工工藝目錄和調整首批重點監管危險化工工藝中部分典型工藝》(安監總管三[2013]3號)執行，還是按照定量的熱風險評估結果執行呢？

最終是定性的戰勝了定量，實際驗收的時候只要安全預評價里面有重點監管危險工藝的，安全儀表系統仍是必不可少的。這個希望在后續的安全文件中能夠明確，用科學的定量分析取代一刀切的做法；同時有些反應是非重點監管危險工藝，但是放熱量很大，該類反應也應進行熱風險評估，在熱風險評估的基礎上決定是否設置安全儀表系統。

6.3 重點監管的危險化工工藝安全措施執行的問題

安監總管三〔2009〕116號文和安監總管三[2013]3號文中給出了18種典型的重點監管危險化工工藝的控制要求，但在實際應用過程中并不能完全一一對應，比如有的氯化工藝反應釜并沒有攪拌；有的聚合是連續的反應器并非是反應釜；如有的氧化反應并不生產氧氣等。

碰到類似的情況，應根據上述兩個文件要求并結合HAZOP和LOPA的結果制訂控制方案，而不能生搬硬套。

6.4 UPS的設置問題

蘇應急[2019]53號文中要求：“DCS與SIS的備用電源應該分別配備 UPS或EPS，重點監管危險化工工藝和危險化學品重大危險源生產用電必須是二級負荷以上”。在項目審查的過程中，審查專家據此提出DCS，SIS分別設置UPS；還有的項目出現DCS和SIS配置了很多個UPS，現場機柜間、中心控制室均分別設置了UPS，連SIS操作站的UPS都和DCS不能共用。

這并不合理，如果有2套UPS，采用DCS和SIS均是雙UPS供電的方案，要比DCS和SIS都是一路市電、一路UPS的方案更優。

同時，不僅重點監管危險化工工藝生產用電必須是二級負荷，為其緊急情況下配套的公用工程也需要二級用電負荷，如冷凍水機組、冷凍水循環泵、吸收裝置等。

6.5 GDS獨立設置的問題

GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》中規定：“可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統應獨立于其他系統單獨設置[6]”，這是該規范升版后的變更點，為此很多項目現場也進行了改造。

GDS的獨立設置也是各有利弊，好處是方便管理和檢查，一目了然；但把GDS從原有的DCS，PLC剝離后依舊要和DCS通信，改造后有的項目現場采用價格便宜的單片機做GDS主機且采用總線型，從產品的可靠性上、數據通信上是否有保證值得觀察。

同樣GDS的UPS獨立設置，也值得商榷。

6.6 控制室和機柜間設置的問題

控制室和機柜間的設置是各省安全設施審查時一個重點討論的問題，不僅是防火設計規范之間的沖突，還牽涉到規范里面抗爆結構的要求。

將控制室從生產區挪出來的理念已被接受，那么挪到管理區的控制室是否要獨立設置，是否還需要抗爆結構設計呢？機柜間是否還可以設置在甲乙類車間內，是否可以設置在生產區，是否也需要抗爆結構設計呢？這是目前審查概念模糊的地方，也是爭議較大的地方。

6.7 DCS和PLC的問題

這個爭議看起來很初級，但是在一些項目中確實存在。現在安全監管文件里面提到的是DCS，有的項目現場設置的是PLC，從文字字眼上不符合規定。

無論DCS還是PLC，它們實現的都是基本過程控制，安全檢查時不應該因文件上寫的是DCS就否定PLC的有效性，前提是PLC的過程控制、報警、聯鎖實現的功能是完善的。

6.8 遠程IO控制箱設置的問題

精細化工自動化改造電纜量大，為了節省工程費用，有的設計方案是在現場設置IO控制箱，該方案在執行過程中會受到挑戰，有的人認為集中放置遠程IO控制箱的房間也是機柜間，所以不能放到甲乙類車間里面。

遠程IO控制箱放在現場有利有弊，有利的地方就是節省工程投資；弊端是現場環境復雜，尤其是精細化工企業現場腐蝕性較重，若設置到爆炸危險區域內，對遠程控制柜的維護也有挑戰。

若采取遠程IO控制箱的方案，建議將控制箱設置在非爆炸危險區域且環境相對較好的地方，減少腐蝕和方便維護。

6.9 高位槽液位設置問題

蘇應急[2019]53號文對原料、產品儲罐以及裝置儲罐的自動化有一項要求：“帶有高液位聯鎖功能的可燃液體和劇毒液體儲罐應配備兩種不同原理的液位計或液位開關，高液位聯鎖測量儀表和基本控制回路液位計應分開設置”。這一條在罐區、中間罐區爭議不大，其他自控設計規范上也有要求，但是如果套在高位槽上，就出現爭議，有的企業甚至為此全部取消了高位槽。

贊同者認為甲乙類物料和高毒物料高位槽漫出的事故很多，雙液位可以有效地避免該類事故發生；反對者認為精細化工的間歇性導致了高位槽的進料和出料都是間歇性的，它不像連續性的裝置里面要維持某個儲罐的液位在一定的范圍之內，高位槽是定量進料，起到的是計量、滴加的作用，通過定量加料加單液位控制聯鎖加每批次放清的控制，即可有效地避免冒頂。

贊同者和反對者說的都有道理，在項目設計時可以做個折中的方案。如果是存在“多打少”的工況，如10 m3的中間儲罐往1 m3的高位罐打料，這種打冒頂的概率還是大的，可以用雙液位計控制聯鎖加定量打料的方案；如果是桶裝物料往高位槽打，且桶裝物料已在稱量間分配好或整桶的物料體積小于高位槽，則可以用單液位計聯鎖的方案；如果是裝置內部的物料轉移，且沒有打冒頂的風險，則也可以用單液位計聯鎖的方案。

對于新建的精細化工項目，若工藝上可行，可考慮取消高位槽，采用流量計或計量泵的方式直接進料，這樣節省空間、投資，且簡化清洗。

6.10 常壓設備設置壓力變送器的問題

對于構成重大危險源的儲罐，或者是反應過程中與尾氣系統相連的常壓反應，設置壓力變送器是很多企業不理解的。但是通過HAZOP分析，在異常情況下如呼吸閥堵塞、排空閥未打開的情況下，還是存在超壓的風險，設置壓力變送器很有必要。

7 結束語

江蘇省2019年的本質安全診斷治理行動大幅提升了精細化工企業的安全自動化水平，但自動化的建設并沒有一步到位，還需要從安全自動化到過程控制自動化再到全操作自動化的道路上持續發展。

在和很多企業交流過程中，還存在如下問題，期待在以后的安全提升過程中能夠得到改善：

1)仍存在一些非“兩重點一重大”、非劃分到化工行業(如輕工)但也存在“兩重點一重大”、未進園區的、散落的涉化工企業，它們的安全管理現狀和自動化水平仍有很大的提升空間。

2)煉化行業自動化人才多，管理和維護力量充足，而目前精細化工企業設置了很多自動化控制，但是日常維護、測試工作跟不上，自動化專業技術人員相比于煉化行業明顯不足。

3)在日常檢查中，經常會有大企業的專家對精細化工企業進行檢查，對比煉油等連續性裝置，他們往往對精細化工的管理和現狀看不上，其實精細化工和煉油等連續性裝置在生產模式、操作模式、風險點上都有很大的區別，精細化工有它固有的特點和模式，如果套用煉油、石化的規范和理念去監管，并不一定適用。

4)精細化工行業存在很多共性問題，如防火間距的問題、控制室設置的問題，對這些企業普遍關注的，相關標準制定單位、安全管理部門應組織專家討論，給出明確的結論，避免各項目反復討論和浪費投資。

5)目前在化工企業眾多、頻繁的檢查中，出現專家意見和企業認知不統一的主要原因之一，是對文件的理解有差異，這說明有些文件、規范在制定的過程中不嚴謹，或者沒有充分考慮各種情況。對于企業反映較多的，規范和文件應及時官方答疑或者澄清，對專家檢查爭議較大的地方應有技術復議或者行政復議的渠道。