基于HAZOP 技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)圖法的可燃?xì)怏w爆炸下限監(jiān)測(cè)與控制回路SIS 設(shè)計(jì)

胡志軍 王志良

（江蘇齊清環(huán)境科技有限公司）

根據(jù)HJ 858.1—2017 《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范制藥工業(yè)——原料藥制造》、《制藥工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物治理實(shí)用手冊(cè)》，相比于吸收、吸附、生物凈化、低溫等離子體及光催化氧化等末端治理技術(shù)，蓄熱式氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）因具有熱回收效率和凈化效率高、抗污染物濃度波動(dòng)強(qiáng)、處理風(fēng)量范圍廣、安全可靠性高及運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，已被推薦為治理制藥工業(yè)工藝有機(jī)廢氣的最佳可行技術(shù)［1～3］。

以間歇式生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)操作為主的原料藥制造企業(yè)VOCs污染物組分復(fù)雜、污染物濃度波動(dòng)范圍大，特別是非正常工況下的VOCs濃度往往介于混合氣體爆炸極限范圍內(nèi)， 接入明火設(shè)備（RTO） 進(jìn)行高溫凈化處理過程時(shí)存在爆炸的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)結(jié)合HJ1093—2020《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》的要求：

a. 進(jìn)入蓄熱燃燒裝置的有機(jī)物濃度應(yīng)低于其爆炸極限下限的25%；

b. 對(duì)于含有混合有機(jī)物的廢氣，其控制濃度應(yīng)低于最易爆組分或混合氣體爆炸極限下限最低值的25%。

為此，需要在RTO入口適宜位置設(shè)置可燃?xì)怏w爆炸下限監(jiān)測(cè)與控制回路 （Lower Explosive Limited，LEL）。根據(jù)《蓄熱式焚燒爐（RTO爐）系統(tǒng)安全技術(shù)要求》（蘇應(yīng)急〔2021〕46號(hào)）技術(shù)要求：關(guān)鍵設(shè)備安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS） 的設(shè)計(jì)應(yīng)符合危險(xiǎn)與可操作性分析（Hazard and Operability Study，HAZOP）、 保護(hù)層（Layer of Protection Analysis，LOPA）分析、安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level，SIL）評(píng)估要求，但目前關(guān)于LEL回路SIS的設(shè)計(jì)未見相關(guān)報(bào)道，導(dǎo)致工程應(yīng)用無法落地實(shí)施。

筆者結(jié)合原料藥制造企業(yè)RTO處理VOCs廢氣的工程設(shè)計(jì)案例，基于HAZOP分析技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)圖法首次提出LEL回路的SIS設(shè)計(jì)五大步驟： 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別→風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估→SIL等級(jí)選擇→SIS設(shè)計(jì)→SIL等級(jí)驗(yàn)證，為企業(yè)其他關(guān)鍵儀表SIS設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

1.1 工藝流程

正常工況下， 企業(yè)VOCs廢氣排放特征如下：廢氣設(shè)計(jì)流量20 000 Nm3/h、廢氣溫度30 ℃、廢氣相對(duì)濕度50%、VOCs組分為甲醇和丙酮 （甲醇排放濃度1 389 mg/m3、 丙酮排放濃度1 736 mg/m3）、其余為空氣，廢氣混合爆炸下限3.38%，廢氣濃度占其混合爆炸下限的4.86%。

三床式RTO處理該原料藥制造企業(yè)VOCs廢氣的工藝流程如圖1所示。 車間產(chǎn)生的含VOCs廢氣經(jīng)LEL系統(tǒng)監(jiān)測(cè)后，由前送風(fēng)機(jī)送至一級(jí)水吸收塔，除去無機(jī)廢氣和少量水溶性有機(jī)廢氣，同時(shí)進(jìn)行除塵和降溫處理，以減輕RTO處理負(fù)荷；接著經(jīng)除霧器除去水洗塔帶入的水分，避免安全事故；然后廢氣經(jīng)主風(fēng)機(jī)送至RTO進(jìn)行高溫焚燒處理；焚燒后的廢氣通過混合箱、水冷卻塔、一級(jí)填料水洗滌塔，經(jīng)降溫和除去焚燒產(chǎn)生的酸性氣體，最后由排氣筒達(dá)標(biāo)排放。 LEL回路系統(tǒng)包括傳感器（LEL檢測(cè)器）、邏輯解算器（PLC）和執(zhí)行元件（電磁閥+氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)+閥體），當(dāng)VOCs廢氣濃度高于設(shè)定高報(bào)警限值時(shí)，系統(tǒng)打開旁通閥，關(guān)閉切斷閥，廢氣通過旁通管路直接排入排氣筒， 從而避免高濃度VOCs廢氣進(jìn)入RTO系統(tǒng)引起爆炸。

圖1 三床式RTO處理VOCs工藝流程

1.2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

采用HAZOP方法對(duì)RTO系統(tǒng)的工藝流程圖（P&ID）進(jìn)行分析，識(shí)別出本案例RTO處理系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)在于，濃度介于混合氣體爆炸極限范圍內(nèi)的VOCs廢氣進(jìn)入RTO設(shè)備內(nèi)進(jìn)行高溫凈化處理過程時(shí)可能發(fā)生爆炸，簡化后的HAZOP分析節(jié)點(diǎn)記錄如圖2所示， 其中S、E、P分別表示安全后果、環(huán)境后果和財(cái)產(chǎn)后果。

圖2 HAZOP分析節(jié)點(diǎn)記錄

HJ1093—2020《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》、《蓄熱式焚燒爐（RTO爐）系統(tǒng)安全技術(shù)要求》（蘇應(yīng)急〔2021〕46號(hào)）等技術(shù)規(guī)范明確要求： 當(dāng)VOCs廢氣濃度波動(dòng)范圍較大時(shí)，應(yīng)對(duì)廢氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采取稀釋、緩沖等措施，確保進(jìn)入RTO裝置的廢氣濃度低于其爆炸極限下限的25%。

結(jié)合HAZOP 分析結(jié)論和技術(shù)規(guī)范要求，VOCs廢氣濃度偏高是導(dǎo)致RTO發(fā)生安全事故的首要因素。 為此，需要針對(duì)LEL回路設(shè)計(jì)SIS，以確保進(jìn)入RTO裝置的VOCs廢氣濃度低于其爆炸極限下限的25%。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及SIL定級(jí)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)圖原理

風(fēng)險(xiǎn)圖法是基于功能的風(fēng)險(xiǎn)水平確定SIL等級(jí)的一種半定量方法［4～6］，即通過分析某項(xiàng)功能的C、F、P、W指標(biāo)確定該功能的SIL等級(jí)。其中C、F、P、W為風(fēng)險(xiǎn)圖分析的4個(gè)維度，分別為危險(xiǎn)事件后果參數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間和頻率參數(shù)、避開危險(xiǎn)事件的概率及不期望危險(xiǎn)事件的發(fā)生概率。 如圖3所示，用上述4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)組合成一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)圖，反映當(dāng)安全功能故障或未設(shè)置安全功能時(shí)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)狀態(tài)， 其中CA＜CB＜CC＜CD；FA＜FB；PA＜PB；W1＜W2＜W3。 采用風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)C、F、P導(dǎo)出了許多輸出X1，X2，X3，…，Xn，這些輸出每一個(gè)映射到3個(gè)標(biāo)尺中的一個(gè)（W1、W2、W3）上，這些標(biāo)尺上的每一個(gè)點(diǎn)（---、a、b、1、2、3、4）指示出通過安全相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)該滿足的安全完整性等級(jí)（即1、2、3或4），并作為這一系統(tǒng)要求風(fēng)險(xiǎn)降低的量值。

參考GB/T 20438.5—2017《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全 第5部分： 確定安全完整性等級(jí)的方法示例》附錄E［7］，圖3中的參數(shù)分類和含義見表1。

圖3 GB/T 20438.5—2017推薦的風(fēng)險(xiǎn)總框圖

表1 風(fēng)險(xiǎn)圖的參數(shù)分類和含義說明

風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)設(shè)定如下：

a. 危險(xiǎn)事件后果參數(shù)C的確定。 傷亡人數(shù)取決于危險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人數(shù)，危險(xiǎn)事件的致命程度以及易燃易爆氣體的點(diǎn)火概率等［8］。根據(jù)HAZOP分析報(bào)告，RTO裝置發(fā)生爆炸的影響半徑為50 m，在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)正常有4人巡檢；爆炸事件的致命性系數(shù)為50%；RTO內(nèi)一直存在明火，即易燃易爆氣體的點(diǎn)火概率為100%。 傷亡人數(shù)約為4×50%×100%=2人，即后果參數(shù)等級(jí)為C3。

b. 風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間和頻率參數(shù)F的確定。 處于危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間少于總工作時(shí)間的10%， 可認(rèn)為是極少到經(jīng)常暴露在危險(xiǎn)區(qū)域， 超過10%認(rèn)為是頻繁到持續(xù)暴露在危險(xiǎn)區(qū)域。 根據(jù)巡檢人員的日常工作時(shí)間， 將有超過10%的工作時(shí)間暴露在危險(xiǎn)區(qū)域中，即風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間和頻率參數(shù)等級(jí)為F2。

c. 避開危險(xiǎn)事件的概率P的確定。 根據(jù)HAZOP分析報(bào)告，目前LEL回路未設(shè)置SIS，在發(fā)生危險(xiǎn)事件之前， 現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員無法及時(shí)得到警報(bào)，也沒有足夠長的時(shí)間采取行動(dòng)，即避開危險(xiǎn)事件的概率等級(jí)為P2。

d.不期望危險(xiǎn)事件的發(fā)生概率W的確定。根據(jù)文獻(xiàn)［9］中的數(shù)據(jù)，儀表或調(diào)節(jié)閥失效的頻率為0.1次/年，即不期望危險(xiǎn)事件的發(fā)生概率等級(jí)為W2。

2.2 SIL等級(jí)選擇

如圖4所示，4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)的取值為C3、F2、P2、W2，導(dǎo)出LEL回路的安全完整性等級(jí)應(yīng)不低于SIL3。

圖4 LEL回路安全完整性等級(jí)

3 SIS設(shè)計(jì)

參考GB/T 20438.7—2017 《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全 第7部分：技術(shù)和措施概述》［10］， 本案例LEL回路的SIS應(yīng)由3個(gè)關(guān)鍵元件或子系統(tǒng)組成：傳感器（LEL檢測(cè)器）、邏輯解算器（SIS）和執(zhí)行元件（電磁閥+氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)+閥體）。 由于該SIS的安全完整性等級(jí)為SIL3， 即要求3個(gè)子系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)均不低于SIL3，本方案LEL回路關(guān)鍵設(shè)備與儀表選型規(guī)格見表2。

表2 LEL回路關(guān)鍵設(shè)備與儀表選型規(guī)格

（續(xù)表2）

4 SIL等級(jí)驗(yàn)證

SIL等級(jí)驗(yàn)證是在HAZOP分析、 風(fēng)險(xiǎn)圖分析和SIL等級(jí)選擇的基礎(chǔ)上，以國際標(biāo)準(zhǔn)化，通過可靠性建模對(duì)LEL回路開展SIL等級(jí)驗(yàn)證。

本案例采用經(jīng)國際認(rèn)證的exSILentia軟件SIL驗(yàn)證（SILver）模塊作為驗(yàn)證工具，該軟件是一款基于多階段馬爾可夫模型的分析計(jì)算工具［11］，將LEL回路分成傳感器部分、邏輯控制器部分和最終執(zhí)行部分，依據(jù)SIL證書提供的參數(shù)（表3）自動(dòng)計(jì)算出需求失效概率PFD數(shù)據(jù)（表4），同時(shí)生成3個(gè)組塊的PFD貢獻(xiàn)分布餅圖（圖5），可以清晰地了解整個(gè)SIS哪個(gè)部分是最不可靠的［12］。由表4可知，SIS的SIL等級(jí)滿足SIL3要求。 從圖5可以看出，SIS中傳感器部分是最不可靠的，為此建議企業(yè)在使用維護(hù)過程中重點(diǎn)關(guān)注，或者有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 PFD貢獻(xiàn)分布餅圖

表3 LEL回路3個(gè)組塊相關(guān)計(jì)算參數(shù)

表4 LEL回路的SIL等級(jí)驗(yàn)證

5 結(jié)束語

以RTO工藝處理原料藥制造企業(yè)VOCs廢氣為例，基于HAZOP技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)圖法，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，借助多階段馬爾可夫模型，首次建立了RTO系統(tǒng)關(guān)鍵儀表SIS設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的分析研究方法與關(guān)鍵步驟，包括：

a. 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。 基于HAZOP分析， 識(shí)別出了RTO系統(tǒng)主要安全風(fēng)險(xiǎn)在于過高濃度VOCs廢氣進(jìn)入RTO裝置而引發(fā)爆炸， 設(shè)計(jì)SIS可確保進(jìn)入RTO裝置的VOCs廢氣濃度低于其爆炸極限下限的25%。

b. 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與SIL定級(jí)。 基于風(fēng)險(xiǎn)圖法進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并確定了SIL等級(jí)為SIL3。

c.SIS設(shè)計(jì)。 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范文件進(jìn)行SIS設(shè)計(jì)，SIS包括傳感器（并聯(lián)兩套FTA式PrevEx670傳感器，SIL2）、邏輯解算器（包括模擬輸入SIL3、CPU SIL3、數(shù)字輸出SIL3）和最終執(zhí)行元件（并聯(lián)兩套電磁閥SIL2、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)SIL3、三偏心蝶閥SIL3）。

d.SIL等級(jí)驗(yàn)證。 借助多階段馬爾可夫模型的exSILentia 軟件對(duì)其SIL等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，SIS的PFDavg為1.32E-04，滿足SIL3等級(jí)要求，SIS中傳感器部分是最不可靠的。

筆者建立的SIS設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的研究方法及關(guān)鍵步驟，可為企業(yè)其他關(guān)鍵設(shè)備儀表的SIS設(shè)計(jì)提供重要參考。