陳榮剛,王衛(wèi)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(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)發(fā)生多起重特大事故,造成了嚴(yán)重的人身傷害、經(jīng)濟(jì)損失和自然環(huán)境污染,嚴(yán)峻的安全生產(chǎn)形勢(shì)引起了政府監(jiān)管部門的重點(diǎn)關(guān)注[1]。例如： 2016年江蘇德橋倉(cāng)儲(chǔ)“4.22”火災(zāi)事故,由于油品儲(chǔ)罐未配備緊急切斷系統(tǒng),導(dǎo)致事故沒有在第一時(shí)間得到有效控制并迅速蔓延。2022年2月17日,國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)辦公室發(fā)布了《落實(shí)大型油氣儲(chǔ)存基地安全風(fēng)險(xiǎn)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(tǒng)問題整改,對(duì)未按期完成整改的企業(yè),依法跟進(jìn)執(zhí)法措施。國(guó)家及地方安全監(jiān)管部門對(duì)成品油/化工品等危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū),尤其對(duì)于構(gòu)成重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)區(qū)監(jiān)管會(huì)愈加嚴(yán)格,在深刻理解并落實(shí)安全生產(chǎn)法的指導(dǎo)思想下,設(shè)置安全儀表系統(tǒng)(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(qū)基本情況

某港口倉(cāng)儲(chǔ)公司擁有各類立式常壓儲(chǔ)罐29座,成品油/化工品罐區(qū)總罐容約2.0×105m3,單罐罐容為1.5×103～1.0×104m3,主要存儲(chǔ)汽油、柴油、甲醇等甲類和丙類易燃液體。根據(jù)GB18218—2018《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》[3]的要求,該罐區(qū)共劃分為6個(gè)罐組,根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的性質(zhì),分別構(gòu)成一、二、四級(jí)重大危險(xiǎn)源。該罐區(qū)重大危險(xiǎn)源等級(jí)見表1所列。

表1 罐區(qū)重大危險(xiǎn)源等級(jí)劃分及SIS的配置

1.2 罐區(qū)無獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)

根據(jù)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》(安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào))： 涉及“兩重點(diǎn)一重大”的危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存單位,要在全面開展過程危險(xiǎn)分析(如危險(xiǎn)與可操作性分析)基礎(chǔ)上,通過風(fēng)險(xiǎn)分析確定安全儀表功能(SIF)及其風(fēng)險(xiǎn)降低要求。企業(yè)應(yīng)在評(píng)估基礎(chǔ)上,制定SIS管理方案和定期檢驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃。對(duì)于不滿足要求的SIF,要制定相關(guān)維護(hù)方案和整改計(jì)劃,2019年底前完成SIS評(píng)估和完善工作[4]。該成品油/化工品罐區(qū)通過危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)及完整性等級(jí)(SIL)定級(jí)評(píng)估,其中29個(gè)SIF回路達(dá)到SIL1級(jí),且沒有配置SIS,不符合要求,具體見表2所列。

表2 罐區(qū)SIF回路的SIL定級(jí)評(píng)估匯總

同時(shí),根據(jù)GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求： SIL1級(jí)安全儀表功能,邏輯控制器宜與基本過程控制系統(tǒng)分開。綜合考慮安全儀表系統(tǒng)日益嚴(yán)格的管理要求,本次技術(shù)改造SIS采取獨(dú)立設(shè)置方式。

2 原有過程控制系統(tǒng)存在的問題

原有過程控制系統(tǒng)存在以下問題：

1)執(zhí)行器。常壓儲(chǔ)罐原設(shè)計(jì)緊急切斷控制閥為手動(dòng)閥,其中1～8號(hào),20～32號(hào)儲(chǔ)罐流程切換手動(dòng)控制閥為無SIL認(rèn)證的氣動(dòng)切斷閥,在2015—2016年期間,將10～19號(hào)儲(chǔ)罐的流程切換手動(dòng)控制閥更換為電動(dòng)閥,改造后的電動(dòng)閥具備遠(yuǎn)程控制功能,但無SIL認(rèn)證,而且啟閉行程速度較慢。例如DN250閘閥的開啟/關(guān)閉行程時(shí)間大于90 s,同時(shí)閥門、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的耐火等級(jí)均不滿足UL1709防火標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。在數(shù)據(jù)通信方面,根據(jù)當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范要求,各氣動(dòng)、電動(dòng)閥信號(hào)匯總至防火堤內(nèi)防爆型遠(yuǎn)程終端單元(RTU)通信單元,并通過RS-485進(jìn)入控制室數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA),目前該通信方式已經(jīng)不滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2)傳感器。該罐區(qū)現(xiàn)有外貼、音叉式液位開關(guān)及伺服或雷達(dá)液位計(jì),相關(guān)儀表均無SIL等級(jí)認(rèn)證,在數(shù)據(jù)通信方面與執(zhí)行器子系統(tǒng)存在同樣的問題。

3)邏輯控制器。該罐區(qū)常壓儲(chǔ)罐的原有氣/電動(dòng)控制閥、液位計(jì)、液位開關(guān)的相關(guān)信號(hào)接入罐區(qū)SCADA中,一旦出現(xiàn)生產(chǎn)波動(dòng)或SCADA故障等問題,緊急情況下儲(chǔ)罐區(qū)的聯(lián)鎖控制閥將存在無法動(dòng)作或誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。

3 SIS的設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用

3.1 SIS的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)HAZOP分析及SIL定級(jí)評(píng)估報(bào)告,雖然常壓儲(chǔ)罐的SIF回路定級(jí)為SIL1和SILa,但考慮政策及標(biāo)準(zhǔn)的變更、施工風(fēng)險(xiǎn)以及SIS驗(yàn)收評(píng)估,SIS各子系統(tǒng)元件統(tǒng)一設(shè)計(jì)為SIL2級(jí)。SIS主要由邏輯控制器、執(zhí)行器、傳感器組成。

3.1.1 執(zhí)行器

2021—2022年對(duì)該公司罐區(qū)29座儲(chǔ)罐安裝52臺(tái)緊急切斷閥,實(shí)現(xiàn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為氣動(dòng)、電動(dòng)和電液型等型式。根據(jù)罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力源及日后維護(hù)情況,各SIF回路采用SIL2級(jí)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)罐區(qū)防火堤內(nèi)環(huán)境防爆等級(jí)及防護(hù)等級(jí)[5-6]要求,氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥和限位開關(guān)防爆等級(jí)為ExdⅡBT4,防護(hù)等級(jí)為IP65。

2)參考GB 50074—2014《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)罐原緊急切斷控制閥更換為氣動(dòng)閘閥,氣動(dòng)閘閥的尺寸和連接方式與原緊急切斷控制閥相同。對(duì)于緊急切斷控制閥安裝空間不足的儲(chǔ)罐,氣動(dòng)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(rèn)證,閥門公稱通徑為DN100～DN300,壓力等級(jí)為PN16,閥體為鑄鋼閥體,滲漏等測(cè)試與檢驗(yàn)應(yīng)符合API 607和API 598標(biāo)準(zhǔn)[6]。

3)氣動(dòng)切斷閥為故障安全型(FC型),具備失氣或故障自動(dòng)關(guān)閉功能。

4)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配有熔點(diǎn)低于70 ℃的易熔塞。

5)氣動(dòng)切斷閥全行程關(guān)閉時(shí)間小于10 s。

6)在每個(gè)罐組防火堤外安裝防爆緊急停車(ESD)的報(bào)警按鈕箱,每臺(tái)氣動(dòng)閥門對(duì)應(yīng)1個(gè)ESD按鈕,控制室設(shè)置總ESD按鈕。

7)儲(chǔ)罐液位開關(guān)及氣動(dòng)閥開關(guān)控制信號(hào)接入新建的SIS中,氣動(dòng)閥回訊信號(hào)作為狀態(tài)顯示接入原有SCADA中。

8)原有氣動(dòng)、電動(dòng)閥門作為工藝操作閥接入SCADA,同時(shí)對(duì)電動(dòng)閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加滿足UL1709認(rèn)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(guān),邏輯控制器結(jié)構(gòu)和SIL等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3所列[7]。

表3 邏輯控制器結(jié)構(gòu)和SIL等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

該罐區(qū)主要用于接卸船舶運(yùn)輸液體化學(xué)品,并采用槽車/槽船發(fā)貨。根據(jù)SIL定級(jí)報(bào)告,常壓罐系統(tǒng)定級(jí)為SIL1,采用“1oo1”邏輯控制方式滿足安全相關(guān)要求并具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

該罐區(qū)儲(chǔ)罐高液位開關(guān)采用接觸式音叉液位開關(guān)或低液位開關(guān)采用非接觸式外測(cè)超聲波液位開關(guān),均具有SIL2級(jí)認(rèn)證。采用外測(cè)超聲波液位開關(guān)可以減少清罐作業(yè)工作量及施工難度,避免在儲(chǔ)罐上增開儀表口和動(dòng)火作業(yè)帶來的額外風(fēng)險(xiǎn),并降低了儲(chǔ)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(shè)的SIS獨(dú)立于過程控制系統(tǒng),具備獨(dú)立安全保護(hù)功能,根據(jù)設(shè)定條件判斷危險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)狀況并發(fā)出報(bào)警,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐緊急切斷閥的關(guān)閉,防止或者減少危險(xiǎn)事件發(fā)生,減少人員傷害或經(jīng)濟(jì)損失。新增SIS滿足以下要求： 具備TüV萊茵SIL3認(rèn)證;具有硬件和軟件診斷和測(cè)試功能;控制器配置、網(wǎng)絡(luò)配置、卡件均采用冗余配置;具備滾動(dòng)存儲(chǔ)信息事件功能。

本次改造將29臺(tái)儲(chǔ)罐的音叉液位開關(guān)、外貼液位開關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)緊急停車按鈕與儲(chǔ)罐的緊急切斷閥進(jìn)行聯(lián)鎖,實(shí)現(xiàn)“1oo1”的表決方式,緊急切斷回路的聯(lián)鎖關(guān)系見表4所列。同時(shí)將2座氯乙烯球罐的原有SIS拆除,相應(yīng)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(lián)鎖關(guān)系

4 SIS的應(yīng)用

4.1 運(yùn)行方式

以某罐為例： 運(yùn)行中儲(chǔ)罐的低低液位報(bào)警發(fā)出報(bào)警信號(hào),判定儲(chǔ)罐出液已經(jīng)接近儲(chǔ)罐的液位下限,即低于浮盤高度,罐出液閥門關(guān)閉,儲(chǔ)罐對(duì)應(yīng)發(fā)油泵同時(shí)緊急停車。當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生緊急情況,如儲(chǔ)罐外圍管線發(fā)生泄漏,需要關(guān)閉儲(chǔ)罐的相關(guān)閥門時(shí),可以通過ESD實(shí)現(xiàn)快速遠(yuǎn)程操作。

4.2 SIL等級(jí)驗(yàn)證

該次改造采用的SIS支持雙模塊冗余配置,冗余配置時(shí)按照“3-3-2-2-0”降級(jí),非冗余配置時(shí)按“3-2-0”降級(jí)。同時(shí)該系統(tǒng)支持五級(jí)系統(tǒng)表決機(jī)制,在每個(gè)表決層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“2oo3”表決,通過多級(jí)表決,增加故障隔離區(qū),避免性能降級(jí)。通過exSILentiarua?軟件對(duì)SIS驗(yàn)證計(jì)算,該系統(tǒng)各SIF回路均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 注意事項(xiàng)

在實(shí)際運(yùn)行過程中,為避免閥門設(shè)備因故障失靈對(duì)生產(chǎn)工藝造成影響,日常操作過程中要定期校驗(yàn)和維護(hù)：

1)該次設(shè)計(jì)采用“1oo1”和“1oo2”的表決結(jié)構(gòu),雖滿足SIF回路的等級(jí)要求,但對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求較高,需定期對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電磁閥、限位開關(guān))、閘閥、液位開關(guān)、外貼式液位開關(guān)的耦合性、液位計(jì)等進(jìn)行檢維修,保證安全儀表系統(tǒng)的完整、完好,避免故障-關(guān)閉行為導(dǎo)致憋壓等安全隱患。

2)定期對(duì)氣動(dòng)閘閥進(jìn)行開閉操作,避免緊急閘閥長(zhǎng)期處于開啟狀態(tài),造成復(fù)位彈簧過疲勞,進(jìn)而造成閥門關(guān)閉不嚴(yán)。

3)加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)和演練,提高操作人員的故障維修和應(yīng)急處置能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過改造,該公司罐區(qū)29座儲(chǔ)罐分別安裝了SIL2級(jí)的氣動(dòng)閘閥和液位開關(guān),并設(shè)置獨(dú)立的SIS。同時(shí),在系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯中針對(duì)常壓罐系統(tǒng)和球罐系統(tǒng)分別采用“1oo1”和“1oo2”的方式,在保證SIS聯(lián)鎖的準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟(jì)性,解決了成品油/化工品罐區(qū)重大危險(xiǎn)源的重大生產(chǎn)安全隱患,確保儲(chǔ)罐安全平穩(wěn)運(yùn)行。