安全儀表系統在成品油/化工品罐區中的應用與分析

陳榮剛,王衛益,施輝

(1. 中海油銷售南通有限公司,江蘇 南通 226004;2. 中海油(南通)港口有限公司,江蘇 南通 226009)

近年來,危險化學品罐區發生多起重特大事故,造成了嚴重的人身傷害、經濟損失和自然環境污染,嚴峻的安全生產形勢引起了政府監管部門的重點關注[1]。例如： 2016年江蘇德橋倉儲“4.22”火災事故,由于油品儲罐未配備緊急切斷系統,導致事故沒有在第一時間得到有效控制并迅速蔓延。2022年2月17日,國務院安全生產委員會辦公室發布了《落實大型油氣儲存基地安全風險管控措施工作方案》[2],要求在2022年6月30日前完成緊急切斷閥系統問題整改,對未按期完成整改的企業,依法跟進執法措施。國家及地方安全監管部門對成品油/化工品等危險化學品罐區,尤其對于構成重大危險源的危險化學品倉儲庫區監管會愈加嚴格,在深刻理解并落實安全生產法的指導思想下,設置安全儀表系統(SIS)具有重要意義。

1 存在的安全隱患

1.1 成品油/化工品罐區基本情況

某港口倉儲公司擁有各類立式常壓儲罐29座,成品油/化工品罐區總罐容約2.0×105m3,單罐罐容為1.5×103～1.0×104m3,主要存儲汽油、柴油、甲醇等甲類和丙類易燃液體。根據GB18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》[3]的要求,該罐區共劃分為6個罐組,根據存儲介質的性質,分別構成一、二、四級重大危險源。該罐區重大危險源等級見表1所列。

表1 罐區重大危險源等級劃分及SIS的配置

1.2 罐區無獨立的安全儀表系統

根據《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》(安監總管三〔2014〕116號)： 涉及“兩重點一重大”的危險化學品儲存單位,要在全面開展過程危險分析(如危險與可操作性分析)基礎上,通過風險分析確定安全儀表功能(SIF)及其風險降低要求。企業應在評估基礎上,制定SIS管理方案和定期檢驗測試計劃。對于不滿足要求的SIF,要制定相關維護方案和整改計劃,2019年底前完成SIS評估和完善工作[4]。該成品油/化工品罐區通過危險與可操作性分析(HAZOP)及完整性等級(SIL)定級評估,其中29個SIF回路達到SIL1級,且沒有配置SIS,不符合要求,具體見表2所列。

表2 罐區SIF回路的SIL定級評估匯總

同時,根據GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》要求： SIL1級安全儀表功能,邏輯控制器宜與基本過程控制系統分開。綜合考慮安全儀表系統日益嚴格的管理要求,本次技術改造SIS采取獨立設置方式。

2 原有過程控制系統存在的問題

原有過程控制系統存在以下問題：

1)執行器。常壓儲罐原設計緊急切斷控制閥為手動閥,其中1～8號,20～32號儲罐流程切換手動控制閥為無SIL認證的氣動切斷閥,在2015—2016年期間,將10～19號儲罐的流程切換手動控制閥更換為電動閥,改造后的電動閥具備遠程控制功能,但無SIL認證,而且啟閉行程速度較慢。例如DN250閘閥的開啟/關閉行程時間大于90 s,同時閥門、電動執行機構的耐火等級均不滿足UL1709防火標準測試要求。在數據通信方面,根據當時設計規范要求,各氣動、電動閥信號匯總至防火堤內防爆型遠程終端單元(RTU)通信單元,并通過RS-485進入控制室數據采集與監控系統(SCADA),目前該通信方式已經不滿足相關規范要求。

2)傳感器。該罐區現有外貼、音叉式液位開關及伺服或雷達液位計,相關儀表均無SIL等級認證,在數據通信方面與執行器子系統存在同樣的問題。

3)邏輯控制器。該罐區常壓儲罐的原有氣/電動控制閥、液位計、液位開關的相關信號接入罐區SCADA中,一旦出現生產波動或SCADA故障等問題,緊急情況下儲罐區的聯鎖控制閥將存在無法動作或誤動作風險。

3 SIS的設計方案及應用

3.1 SIS的設計方案

根據HAZOP分析及SIL定級評估報告,雖然常壓儲罐的SIF回路定級為SIL1和SILa,但考慮政策及標準的變更、施工風險以及SIS驗收評估,SIS各子系統元件統一設計為SIL2級。SIS主要由邏輯控制器、執行器、傳感器組成。

3.1.1 執行器

2021—2022年對該公司罐區29座儲罐安裝52臺緊急切斷閥,實現緊急切斷功能,具體改造措施有以下幾方面：

1)緊急切斷閥執行機構一般為氣動、電動和電液型等型式。根據罐區現場動力源及日后維護情況,各SIF回路采用SIL2級氣動執行機構。根據罐區防火堤內環境防爆等級及防護等級[5-6]要求,氣動執行機構的電磁閥和限位開關防爆等級為ExdⅡBT4,防護等級為IP65。

2)參考GB 50074—2014《石油庫設計規范》對儲罐切斷閥的要求,兼顧改造安裝施工的難易程度,該次改造將儲罐原緊急切斷控制閥更換為氣動閘閥,氣動閘閥的尺寸和連接方式與原緊急切斷控制閥相同。對于緊急切斷控制閥安裝空間不足的儲罐,氣動閘閥安裝在緊急切斷控制閥與柔性連接件之間。該次改造閘閥具有SIL2認證,閥門公稱通徑為DN100～DN300,壓力等級為PN16,閥體為鑄鋼閥體,滲漏等測試與檢驗應符合API 607和API 598標準[6]。

3)氣動切斷閥為故障安全型(FC型),具備失氣或故障自動關閉功能。

4)氣動執行機構配有熔點低于70 ℃的易熔塞。

5)氣動切斷閥全行程關閉時間小于10 s。

6)在每個罐組防火堤外安裝防爆緊急停車(ESD)的報警按鈕箱,每臺氣動閥門對應1個ESD按鈕,控制室設置總ESD按鈕。

7)儲罐液位開關及氣動閥開關控制信號接入新建的SIS中,氣動閥回訊信號作為狀態顯示接入原有SCADA中。

8)原有氣動、電動閥門作為工藝操作閥接入SCADA,同時對電動閥門及執行機構增加滿足UL1709認證的防火罩。

3.1.2 傳感器

SIF回路的傳感器主要為液位開關,邏輯控制器結構和SIL等級對應關系見表3所列[7]。

表3 邏輯控制器結構和SIL等級對應關系

該罐區主要用于接卸船舶運輸液體化學品,并采用槽車/槽船發貨。根據SIL定級報告,常壓罐系統定級為SIL1,采用“1oo1”邏輯控制方式滿足安全相關要求并具有良好的經濟性。

該罐區儲罐高液位開關采用接觸式音叉液位開關或低液位開關采用非接觸式外測超聲波液位開關,均具有SIL2級認證。采用外測超聲波液位開關可以減少清罐作業工作量及施工難度,避免在儲罐上增開儀表口和動火作業帶來的額外風險,并降低了儲罐物料泄漏和燃燒爆炸的可能性[8-9]。

3.2 新增SIS的性能

該次改造增設的SIS獨立于過程控制系統,具備獨立安全保護功能,根據設定條件判斷危險或風險狀況并發出報警,自動實現儲罐緊急切斷閥的關閉,防止或者減少危險事件發生,減少人員傷害或經濟損失。新增SIS滿足以下要求： 具備TüV萊茵SIL3認證;具有硬件和軟件診斷和測試功能;控制器配置、網絡配置、卡件均采用冗余配置;具備滾動存儲信息事件功能。

本次改造將29臺儲罐的音叉液位開關、外貼液位開關、現場緊急停車按鈕與儲罐的緊急切斷閥進行聯鎖,實現“1oo1”的表決方式,緊急切斷回路的聯鎖關系見表4所列。同時將2座氯乙烯球罐的原有SIS拆除,相應回路仍采用“1oo2”方式接入新建SIS。

表4 部分緊急切斷回路的聯鎖關系

4 SIS的應用

4.1 運行方式

以某罐為例： 運行中儲罐的低低液位報警發出報警信號,判定儲罐出液已經接近儲罐的液位下限,即低于浮盤高度,罐出液閥門關閉,儲罐對應發油泵同時緊急停車。當儲罐發生緊急情況,如儲罐外圍管線發生泄漏,需要關閉儲罐的相關閥門時,可以通過ESD實現快速遠程操作。

4.2 SIL等級驗證

該次改造采用的SIS支持雙模塊冗余配置,冗余配置時按照“3-3-2-2-0”降級,非冗余配置時按“3-2-0”降級。同時該系統支持五級系統表決機制,在每個表決層對數據進行“2oo3”表決,通過多級表決,增加故障隔離區,避免性能降級。通過exSILentiarua?軟件對SIS驗證計算,該系統各SIF回路均滿足設計要求。

4.3 注意事項

在實際運行過程中,為避免閥門設備因故障失靈對生產工藝造成影響,日常操作過程中要定期校驗和維護：

1)該次設計采用“1oo1”和“1oo2”的表決結構,雖滿足SIF回路的等級要求,但對設備穩定性要求較高,需定期對氣動執行機構(電磁閥、限位開關)、閘閥、液位開關、外貼式液位開關的耦合性、液位計等進行檢維修,保證安全儀表系統的完整、完好,避免故障-關閉行為導致憋壓等安全隱患。

2)定期對氣動閘閥進行開閉操作,避免緊急閘閥長期處于開啟狀態,造成復位彈簧過疲勞,進而造成閥門關閉不嚴。

3)加強對操作人員的培訓和演練,提高操作人員的故障維修和應急處置能力。

5 結束語

通過改造,該公司罐區29座儲罐分別安裝了SIL2級的氣動閘閥和液位開關,并設置獨立的SIS。同時,在系統聯鎖邏輯中針對常壓罐系統和球罐系統分別采用“1oo1”和“1oo2”的方式,在保證SIS聯鎖的準確性的基礎上兼顧經濟性,解決了成品油/化工品罐區重大危險源的重大生產安全隱患,確保儲罐安全平穩運行。