化工設計中安全裝置的影響與選用研究

萬 滴，曹澤俊

（1.蘇州鑫晶人工智能技術研發有限公司，江蘇蘇州 215125；2.中城投榮欣（浙江）建設集團有限公司，浙江杭州 310020）

在開展化工生產時，人們需要識別化工生產存在的所有危險因素，然后了解安全裝置的影響，優化安全裝置的應用。做好這些工作，能夠控制生產安全事故發生的概率，降低生產中存在的危險系數[1]。

1 化工設計中安全裝置設計針對性規定和標準

1.1 系統因素控制

1.1.1 工藝系統設計

工藝系統設計需要從以下幾個方面強化安全設置：對物料進行詳細的評價，結合它們自身的特質和使用，列出安全因子；把握好使用過程條件的評價，比如一項物料在使用時，是否會產生危險因素，廢料能否被有效利用等，把工藝系統在生產時存在的危險因子列出來；保證單元間的安全銜接，即每道工序在銜接時是否存在安全問題，這也是需要被列出來的安全因子；密封系統在密封時是否存在工藝難點，致使危險系數增加[2]；系統中是否存在其他危險介質進入系統，如果周圍的環境存在危險因子，那么會引發安全問題；分析設備在使用時是否存在安全危險，當前人們應用分析參數變化的方式來評價是否存在安全隱患，而如果沒有科學設定參數也會引發安全事故。建立安全系統，就是要把所有系統在運行中出現的安全因子列出來，并加以控制，這是把工藝系統安全設計量化的方法[3]。

1.1.2 儀表及自動控制設備設計

操作員需要通過監測儀表的數據來分析系統運作的情況，那么儀表的數值顯示將影響著操作員的判斷，它的控制設計將影響設備的操控。儀表及自動控制設備設計需要從以下幾個方面做好安全控制：（a）動力系統，做好事故電源控制和氣源控制，避免失去了能源驅動裝置出現安全事故。（b）使用環境的控制，應用設備自動采集周圍環境數據，比如有害氣體濃度、生產環境的溫度、濕度等數據，一旦可能存在安全隱患，能夠及時預警。（c）儀表設備的精確度控制，這需要建立一套儀表設備的動態維修制度，令生產中使用的儀表功能正常且沒有安全隱患。（d）特殊位置的儀表設備選用，比如易爆炸危險區域的儀表，需要具備防爆炸、防高溫的功能，令它們能夠在危險區域內不受外在因素的影響[4]。

1.2 裝置因素控制

裝置因素控制，是指在裝置的過程中控制好一切的因子，令裝置環節不會出現安全隱患，這是讓系統安全使用的基礎。可以從以下幾個方面優化電氣裝置設計：做好備份電源設計，強化系統能源使用的銜接，出于種種因素，化工生產中可能出現能源中斷的問題，此時如果做好能源銜接設計，就能避免系統使用時出現危險，比如給系統設計雙電源，讓能源使用無縫切換就能提高穩定性；做好能源的安全保護，避免在能源中出現火災。比如有些設備在雷電等情形下，會出現絕緣體被擊穿，導致火災事件。在設計系統時，需要優化防雷設計。做好安全區域等級分類，對于低危險系數區域，做好相應的安全保護措施及日常的監控工作。對于高危險系數區域，則要優化報警系統，疏散裝置設計，以便及時了解是否出現安全隱患及當安全事故發生后能減少安全事故帶來的影響；優化變頻技術使用，應用這種技術，能夠讓功率與設備的運作需求一致，并能智能化地處理安全事故，使設備在使用時，安全性增加。

1.3 安全因素控制

化工生產需要控制的安全因子有很多，從整體來說分為以下幾類，需要對引起以下幾類的安全因子進行控制：火災爆炸安全因素，在生產中，大量的化學原料在使用時，如果濃度失去控制，則會引起火災事故；反應性危險因素，在生產中，化工產品會發生化學反應，會在生產時擬定控制的方案，然而各種內在或外在因素，可能讓反應出現安全失控；化工原料及它們在反應時會產生有毒的化學物質和氣體，工作人員長期處于這一環境便會出現中毒安全事故。嚴重的中毒事故不僅會對人身安全造成極大的危害，而且化工生產也會受到影響。

2 標準性規定的工程選用設計

2.1 儀表自動控制選用

為了說明儀表自動控制選用的方法，現應用西門子公司的PCS7作為控制系統，CPU選擇 S7-400系列的 CPU 416-2。安全儀表系統選擇西門子公司 S7-400系列 PLC，CPU選擇CPU 416-2FH。優化設備的選擇，能夠提高系統控制的水平。表1為這套設備的基礎過程控制系統ET200M I/O模塊選型。

表1 基礎過程控制系統ET200M I/O模塊選型

當前人們應用智能化的方式對儀表進行操作，并監控儀表的參數，還提出集成化控制儀表的要求。表2為安全儀表系統控制系統ET200M I/O模塊選型。

表2 安全儀表系統控制系統ET200M I/O模塊選型

以上系統控制系統的模塊選型均能滿足系統控制的要求。

2.2 供電系統設計

該次化工設備的加熱爐為一級一類的負荷，為了強化供電系統的穩定性，該次的供電系統設計見圖1，每級都配備了后備電源，應用了多回路配電方式。

圖1 供電系統設計

2.3 危險因子的控制

為了對每個生產環境的危險因子進行控制，現應用以下的流程對危險因子進行識別和控制。

（1）前期準備

制定安全評估計劃；收集法律、法規、規章、規范等文件。

（2）評價事故發生的可能性及危險程度

現場勘察、系統收集項目資料；危險和有害因素辨識、分析；事故發生的可能性及危害程度；可能受事故影響的周邊場所及人員情況。

（3）重大危險源辨識及分級符合性分析

全面收集重大危險源辨識特征；對重大危險員分析

（4）提出安全管理、技術應用及監控措施

針對安全管理需求提出全管理、技術應用及監控方案，應用信息技術對危險源進行全面監控。

（5）事故應急措施

提出事故應急預案，如果發生了事故，則監制系統給出應急方案。

（6）安全評價

進行動態評價，讓人們了解當下的安全情況。

（7）編制安全評價報告

相關研究表明，當輔路行車速度在30km/h以下時，主線出口的通行能力的提高與輔路速度的增長呈明顯正相關性；行車速度在30km/h以上時，主線出口的通行能力和輔路速度的關系就基本保持穩定，不再隨輔路行車速度提高而提高。因此，輔路行車速度宜控制在30km/h以上。根據城市道路規范規定，快速路輔路設計速度宜為主路的0.4～0.6倍。因此，主路與輔路速度差不宜過大。

排除安全因子后，要求工作人員編制安全評價報告。

（8）安全評價報告審核

應用內部審核的方式對安全事故發生進行全面審核，提取安全因子分析。

（9）優化安全評價系統

結合安全事故的發生，優化安全評價系統，定期評價這套系統實施的效果，而這套系統效果的實施需要由專人負責。

2.4 安全因子的監控

建立安全因子的監控系統見圖2，應用智能化的預警系統對安全因子進行全程監制，如果發現安全危險因子，則即時給出預警并自動提出危險因子控制方案。

圖2 安全因子的監控系統

2.5 冷換裝置選用

2.5.1 冷換裝置選用依據

2.5.2 冷換裝置選用技術使用的設計

（1）冷換裝置的物理保護方法

物理保護方法就是指分析物理因子的影響，提高冷換裝置使用的安全系數，較為常見的保護方法為：優化環境設計，減少外部環境對冷換裝置的腐蝕；優化冷換設備工作載荷設計，避免高強度的運作對材料產生腐蝕作用；優化冷換設備管理，做好動態檢修，讓冷換裝置維持良好的工作狀態。

（2）冷換裝置的化學保護方法

化學保護方法就是指分析化學因子的影響，提高冷換裝置使用的安全系數。較為常見的保護方法為：選擇耐腐蝕材料，當前人們已經為化工生產研發了各種耐腐蝕的新型材料，比如不銹鋼鈦鋁就是一種很好的耐腐蝕材料，人們需要結合需求把這些材料應用于冷換設備中；優化防腐涂料的應用，在設備中使用特殊的添加劑，包括緩釋劑、中和劑等，做好設備的保護，過去人們就已經使用了這種方式來優化冷換裝置的設計，隨著科學技術的發展，人們研發了更多新技術及積累了更多應用經驗。比如人們發現雖然現在已經研發出了大量防腐涂料，但是在應用時存在兩個問題：①在高溫環境下防腐涂料易分解，從而功能受到了影響；②它的應用對涂抹工藝存在要求，部分技術人員由于在操作時出現了技術缺陷，導致涂層不均勻，冷換裝置的防腐效果存在差異性。將使用環境和工藝技術標準化、規范化，是人們繼續研究的方向。

（3）冷換裝置的電化學保護方法

做好電化學保護設計，應用電化學轉換的原理做好安全保護，是科學技術發展的背景下，做好安全保護的新思路。當前較為常見的冷換裝置的電化學保護方法分為兩種：應用陽極保護的方法需要花費更多應用成本，并且需要消耗大量的能量，并且這種技術不適于應用氯離子濃度高的環境及應用存在限制；陰極保護存在耗電量多，并且各個管徑深處存在陰極保護不完整的缺陷。結合我國實際應用的需求，我國現在應用犧牲陰極保護的電化學技術，然而為了提高應用效果，這項技術的應用方法還在繼續研究中。

2.6 應用正交試驗了解設備腐蝕速率關鍵因子技術使用的設計

正交試驗能夠根據實際煉油工藝的產出物分析冷換器是不是被腐蝕。這種實驗原理為設定對設備防腐有影響的因素：溫度、氯離子濃度、PH值、氯化鈉濃度。通過做正交試驗，對這四種試驗因素進行分析，應用數學模型分析影響冷換器防腐性能的關鍵因素。應用這樣的方式，人們可以了解冷換器的哪些零部件存在腐蝕及腐蝕后產生的危險因子是什么。比如先應用正交試驗的方法對 SGBO1 型冷換器的腐蝕情況進行分析。按照實際工況條件來設定參數，先將參數設置為：氯離子濃度為 0.009～0.02mol/L、環境溫度按照25～60℃進行設置、pH為5～9。將每個試驗因素按照不同等級選取實驗數據組成正交試驗方案表。然后應用Powersuite軟件對比分析將正交試驗結果與3種不同材料方案進行聯合對比，而在冷換器中應用了20、16Mn、304這3種不銹鋼材料，通過對比的結果可以了解這三種不銹鋼材料是不是被腐蝕。因為3種材料被腐蝕過后的電位數值是存在差異的，對比理論數據和實際數據就能對材料的腐蝕情況進行評估。

3 結束語

從化工安全裝置設計中常見的危險因子進行分析，并說明了針對這些安全因素優化安全生產的裝置選用方法，然后從不同方面和角度對安全裝置設計應用的要點，通過舉出具體案例的方法進行說明。對化工設計中安全裝置的設計與選用進行優化的目的，是為了確保化工企業安全設計方案具有實效性，使安全設計和應用滿足化工生產的需求，降低安全事故發生的機會。應用了這一研究成果，能夠從提高安全系數角度出發提高經濟效益，促進行業發展。