氯碱生产装置中安全仪表系统的设计

张春严,王冰亚，张东东

(河南神马氯碱化工股份有限公司，河南 平顶山 467200)

河南神马氯碱化工股份有限公司(以下简称“神马氯碱化工”)实施异地搬迁建设，将生产厂区从平顶山市区搬迁到了叶县产业集聚区。搬迁后，根据目前国家安全生产法规：“两重点一重大”范畴的危险化学品，必须纳入安全仪表系统进行监控管理。神马氯碱化工生产装置中涉及的烧碱生产工艺[危险化工工艺中的电解工艺(氯碱)]属于首批重点监管的危险化工工艺；液氯为重点监管的危险化学品，且其储存量已构成危险化学品一级重大危险源。依据安监总局第40号令，神马氯碱化工原有的设备控制系统已经不能符合现行的安全生产国家强制性条文规定。根据国家相关规范和法律规定，神马氯碱化工对现有的控制系统进行完善和改造，增加安全仪表系统(以下简称“SIS”)，将烧碱生产工艺及液氯罐区纳入SIS进行监控和管理[1]。

1 氯碱生产装置重大危险源的辨识与分级

1.1 辨识方法

危险化学品重大危险源辨识的依据为GB 18218—2009 《危险化学品重大危险源辨识》[2]和《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》(安监总局令第40号，2015年修正)。标准及规定中把危险化学品重大危险源辨识按照单元划分。危险化学品重大危险源辨识的依据是危险化学品的危险特性、数量及校正系数。

1.2 危险化学品的确定

神马氯碱化工所涉及的危险化学品主要有：液氯、硫酸、氢氧化钠和次氯酸钠。依据文献[2]，列入《危险化学品重大危险源辨识》的危险物质为液氯。

1.3 重大危险源单元

神马氯碱化工拟定危险化学品重大危险源辨识评价单元为异地搬迁建设项目，根据文献 [2]，液氯储槽构成危险化学品重大危险源物质单元。

1.4 辨识结果

表1中物质类别、临界量等数据均来源于文献[2]，现场实际存量按厂区内的最大储存量进行计算。

表1 危险化学品重大危险源辨识表Table 1 Major hazards identification of hazardous chemicals

依据文献[2]，当单元内存在的危险化学品为多品种时，则按式(1)计算，如满足式(1)，则判定为重大危险源。

q1/Q1+q2/Q2+ … +qn/Qn≥1

(1)

式(1)中:q1、q2……qn为每种物质的实际存在量，t；Q1、Q2……Qn为与各种物质相对应的生产或存储区域的临界量，t。

即使没有其他危险品，液氯的q/Q=60.7,远大于1，因此，该项目已构成危险化学品重大危险源。

1.5 重大危险源分级

采用单元内各种危险化学品实际存量与其在文献[2]中规定的临界量比值，经校正系数比值之和R作为分级指标。R的计算公式如下：

R=α(β1q1/Q1+β2q2/Q2+ …+βnqn/Qn)。

(2)

式(2)中：q1,q2,…,qn为每种危险化学品实际存在(在线)量,t；Q1,Q2,…,Qn为与各危险化学品相对应的临界量,t；β1,β2,…,βn为与各危险化学品相对应的校正系数；α为该危险化学品重大危险源厂区外暴露人员的校正系数。

①校正系数β的取值。

根据单元内危险化学品的不同类别，设定校正系数β值，见表2和表3。

表2 校正系数β取值表Table 2 Value of correction coefficient β

表3 常见毒性气体校正系数β取值表Table 3 Value of correction coefficient β of common toxic gas

②校正系数α的取值。

根据重大危险源的厂区边界向外扩展500 m范围内常住人口数量，设定厂外暴露人员校正系数α值(见表4)。

表4 校正系数α取值表Table 4 Value of correction coefficient α

③根据计算出来的R值，按表5确定危险化学品重大危险源的级别。

该项目500 m内厂外可能暴露人员约100人以上，α取值2.0；氯为毒性气体，β取值4.0。校正后，R=2×(4×60.7)=485.6。

根据计算结果，该项目属于一级重大危险源。

2 氯碱生产装置SIS的联锁逻辑

通过对神马氯碱化工生产装置“两重点一重大”的分析、辨识、计算，并对整个生产过程保护层进行分析(LOPA)，须接入SIS的联锁逻辑程序如下。

2.1 电解槽公用联锁

联锁动作条件：氢气总管压力的两个压力测量值均高于设定值；或氯气总管压力两个压力测量值均高于设定值；或两总管压差高于设定值；或操作人员操作紧急停车按钮。

联锁动作设备：DCS发出声光报警信号；向6台电解槽、3台氢气压缩机、3台氯气压缩机发出停车联锁信号；氢气放空阀、事故氯阀打开，高位碱液槽切断阀打开，事故处理系统启动。

电解槽公用安全停车程序如图1所示。

图1 电解槽公用安全停车程序Fig.1 Common procedure of safe shutdown of electrolyzers

2.2 电解槽单槽联锁程序

以A槽为例介绍电解槽单槽联锁程序。

联锁动作条件：A电解槽阴极液流量测量值低于设定值；或A电解槽进槽盐水流量测量值低于设定值；或操作人员操作紧急停车按钮。

联锁动作设备：DCS发出声光报警信号，向A电解槽发出停车信号。

A电解槽安全停车程序如图2所示。

图2 A电解槽安全停车程序Fig.2 Procedure of safe shutdown of electrolyzers A

2.3 液氯储槽单槽联锁程序

以A槽为例介绍液氯储槽单槽联锁程序。

联锁动作条件：A液氯储槽两个液位测量值高于设定值；或操作人员操作紧急停车按钮。

联锁动作设备：DCS发出声光报警信号，向A液氯储槽进料切断阀发出关闭信号。

液氯储槽单槽泄漏安全联锁程序如图3所示。

图3 液氯储槽单槽泄漏安全联锁程序Fig.3 Safe interlocking procedure in the case of a liquid chlorine tank leaking

2.4 液氯储槽厂房泄漏联锁程序

联锁动作条件：液氯储槽厂房内每个液氯储槽设1个氯气泄漏检测报警器，共6处，设6个报警器，至少有3个报警器检测值高于设定值；或操作人员操作紧急停车按钮。

联锁动作设备：DCS发出声光报警信号，事故氯风机联锁启动，事故氯负压抽风蝶阀打开。

液氯储槽厂房泄漏安全联锁程序如图4所示。

图4 液氯厂房多点泄漏安全联锁程序Fig.4 Safe interlocking procedure in the case of several leaks in liquid chlorine workshop

3 SIS配置须注意的问题[3]

3.1 现场仪表的选型和配置原则

(1)所选仪表的性能和设置应符合分析报告规定的安全等级要求，阴极液流量仪表、进槽盐水流量仪表应符合SIL1要求，氯氢总管压力、氯氢总管压差、液氯储槽液位检测仪表应符合SIL2要求。

(2)现场仪表应采用模拟量测量仪表，信号一般应采用4～20 mA信号。

(3)测量仪表取源点要独立设置。

(4)不能采用现场总线或其他通信方式作为SIS的输入信号。

(5)传感器要冗余设置，不能采用信号分配器将模拟信号分别接到SIS和其他系统中。

(6)紧急停车用的开关量测量仪表，正常情况下触点应处于闭合状态，异常情况下应处于断开状态。

(7)SIS和其他系统共用一个传感器时，应用SIS供电，传感器反馈信号应直接接入SIS,通过系统间通信或其他方式将信号送至过程控制系统。

3.2 SIS的系统机柜配置原则

(1)SIS应取得国家权威部门的认证证书，硬件、软件版本应是正式版本且具备诊断和测试功能。

(2)SIS控制器、输入单元、输出单元、电源单元、通信单元均应采取冗余配置，一般应采用三重化的冗余结构。

(3)SIS控制器、输入单元、输出单元、电源单元、通信单元应有一定余量，处理器、电源、软件负荷不得超过50%，控制器内部通信负荷不得超过50%，采用以太网的通信负荷不得超过20%。控制器备用点数、卡件插槽预留20以上。

(4)多个仪表共用的逻辑控制器应按安全完整性最高的等级配置。

(5)输入输出卡件信号通道配置隔离措施，同一个过程变量的多台检测仪表应接到不同的卡件。

(6)SIS与过程控制系统之外的其他系统之间不应设置通信接口，SIS与过程系统之间的连接应采用硬接线方式。

(7)SIS与过程控制系统之间的通信接口应冗余配置。SIS与DCS串口通信时，DCS为主站，SIS为从站。

4 结语

SIS在神马氯碱化工“两重点一重大”生产装置投用几年来，不断地进行完善和优化，目前该系统操作方便，稳定可靠，达到了预期的设计效果，在更加注重安全环保要求的今天，更具有推广和借鉴意义。神马氯碱化工还要进一步优化和完善系统的软硬件配置，继续加强SIS的管理和维护，有效保障生产装置的本质安全，控制事故风险，减少经济损失，为生产装置的长满优运行打下坚实基础。