氯乙烯气柜的工艺危害分析

2021-09-23王小军朱在洪郑尚涛

石油化工自动化 2021年5期

王小军，朱在洪，郑尚涛

(1. 韩华化学(宁波)有限公司,浙江宁波 315812; 2. 浙江中一检测研究院股份有限公司,浙江宁波 315040)

2018年11月28日，河北张家口盛华化工有限公司氯乙烯气柜泄漏扩散至厂外区域，遇火源发生爆燃，造成24人死亡、21人受伤，直接经济损失约人民币4 148 万元。无独有偶，2019年4月24日内蒙古东兴化工有限责任公司氯乙烯气柜泄漏扩散至电石冷却车间，遇火源发生燃爆，造成4人死亡、3人重伤、33人轻伤，直接经济损失约人民币4 154万元。

两起事故都是由于氯乙烯气柜发生泄漏引起，可见该设备的本质安全性并不可靠，然而氯乙烯气柜却是聚氯乙烯生产工艺中不可或缺的关键设备。一般来说，氯乙烯气柜是一种具有储存、缓冲、稳压、混合作用的容器，有些企业是作为转化工段与氯乙烯(VCM)压缩工段之间的缓冲器用于平衡VCM的压力，有的企业是作为聚合工段VCM尾气回收使用，有的企业是同时兼顾转化缓冲和尾气回收的功用。通过分析两起事故，发现根本原因是工艺安全设计不充分引起，因此唯有从工艺路线设计上全面考虑，采用HAZOP分析方法，在很大程度上可以降低氯乙烯气柜泄漏事故的发生概率。

1 氯乙烯气柜工艺危害分析

下面以某公司氯乙烯气柜为例，通过HAZOP分析，全面辨识潜在的工艺危害并量化评估风险。

1.1 氯乙烯气柜工艺流程简述

该氯乙烯气柜主要用于回收聚合釜中未参与反应的氯乙烷单体，工艺流程描述如下：聚氯乙烯(PVC)生产工艺是间歇式批次反应，原料VCM在聚合釜发生聚合反应生成PVC，在反应釜卸料过程中，聚合釜内未反应的VCM气体会经过浆料罐后进入氯乙烯气柜，继而通过压缩机压缩回收，冷却液化后回流到聚合釜中。氯乙烯气柜是湿式单节式常压容器，其工作原理是VCM管道穿过水槽底板和水槽中的水进入钟罩，当向氯乙烯气柜输送气体时钟罩上升，抽取气体时钟罩下降，钟罩依靠导轨和导轮实现升降平衡。因为是利用水封实现VCM的密封，在工艺安全控制环节需特别关注氯乙烯气柜的液位和压力，所以在氯乙烯气柜上设置了多个液位计及液位开关。

1.2 氯乙烯气柜节点HAZOP分析

在对氯乙烯气柜进行HAZOP分析时，选取该气柜进出相关管线作为节点，该气柜的进料管线主要来自上游浆料罐、聚合釜尾气、汽提塔的排气以及回收VCM储罐的排气等，通过分析结果进行筛选，液位过高是初始高风险场景，具体分析结果见表1所列。

表1 氯乙烯气柜液位分析

1.3 SIL定级分析

经过分析和统计，在一定初始事件的情况下，氯乙烯气柜的液位过高、压力快速升高会导致钟罩快速上升，可能造成VCM泄漏，遇到火源可能引发火灾甚至爆炸，造成人员伤亡。由此可见后果的严重性，考虑到设备的失效概率，所以运用保护层分析(LOPA)的分析方法评估紧急切断阀XV01的液位高高报警联锁回路保护层是否能满足可接受风险标准。现有的保护措施为液位计LT01设有液位高报警、高高报警联锁切断XV01阀，气柜顶部设置有紧急排放管。液位高高报警联锁切断XV01回路SIL定级分析见表2所列。

表2 氯乙烯气柜液位高高报警联锁切断XV01回路SIL定级分析

根据表2可以看出氯乙烯气柜后段压缩机故障的情景假设下，液位高高报警回路需要进入安全仪表系统(SIS)且安全完整性等级为SIL1级，在设计中需按SIL1等级来设计。根据GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表设计规范》，符合SIL1等级回路的检测元件可与基本控制系统共用，最终是否满足要求仍需进行SIL验证。

2 自控仪表回路的SIL验证

结合日常的实际运行经验，为削减或控制氯乙烯气柜的运行风险，可以从氯乙烯气柜运行参数监测、工艺联锁、环境监测和软管理四方面采取安全保护措施。根据化工装置连续运行的特点，自控仪表承担了安全运行的重要使命，因此降低自控回路的故障率，可以有效提升氯乙烯气柜的安全运行水平。以下对液位高高，联锁切断紧急切断阀回路的SIL等级进行验算。

2.1 方法概述

SIL等级验证旨在通过对安全功能回路各组成部分要求时失效概率的计算分析，验证企业现有安全仪表功能(SIF)的SIL等级，以确认其是否满足最低 SIL 等级要求，若未满足则提出相关的意见与建议。本次SIL等级验证采用马尔科夫模型分析方法。

2.2 马尔科夫模型分析

该模型分析采用状态转换图形化的方式表示系统可靠性及可用性能。该模型的转换是指系统从一个状态改变到另一个状态，模型中圆圈表示系统的状态，可以是正常、失效或中间状态，设备的失效和维修过程通过一条带箭头的弧线来表示。随着失效和维修，系统从一个状态转移到另一个状态。马尔科夫模型建模流程如图1所示。

图1 马尔科夫模型建模流程示意

通过该模型，可实现多失效模式建模，使得SIS可靠性及可用性分析更具灵活性，同时反映多种失效模型，体现整个SIS的故障容忍能力。该模型可分析多个影响SIS可靠性及可用性因素，包括结构冗余、共因失效、自诊断、在线或离线测试维修，非理想的维修测试、周期性功能测试等。该模型可以动态地反映系统从启动到失效再到经过修复恢复正常运行的一连串的事件序列，既能反映系统设备之间静态关系，又能反映动态变化，定量化可靠性分析精度高。

在计算SIS可靠性及安全完整性等级时，该模型方法可以覆盖最多的影响可靠性的因素，不受设备间依赖关系的影响，且能反映系统可靠性的动态变化。以“1oo1”表决方式为例，其马尔科夫模型构建如图2所示。

图2 “1oo1”表决方式的马尔科夫模型构建示意

针对“1oo1”表决方式，该回路系统状态概率可通过状态转化矩阵进行求解，“1oo1”表决方式状态转化矩阵如式(1)所示：

(1)

式中：λSD——可检测到的安全失效率；λSU——未检测到的安全失效率；λDD——可检测到的危险失效率；λDU——未检测到的危险失效率。

2.3 SIL验算

该次SIL验证分析基于以下考虑及假设：

1)设计使用年限为15 a。

2)各安全功能回路平均修复时间(MTTR)假设为24 h。

3)SIS各安全功能回路组件传感器、逻辑控制器及相关执行机构统一进行检测，检验测试周期TI=8 760 h。其中，传感器部分根据相应的检验测试周期每1年校准1次，检测内容包括：电气测试，量程，零位，上行程、下行程，误差范围等；逻辑控制器选用通用逻辑运算器数据，检验测试周期为1年校准1次，检测内容包括：冗余测试、功能测试、和现场表的联调等；阀门每1年检测1次，检测内容包括：阀门的动作测试，功能测试等。

4)每年会对现场仪表、阀门等设备进行检测维护，包括外观检测、功能测试、电气性能测试等，检验测试覆盖率采用软件推荐数值。

5)根据经验统计，传感部分及执行部分多重冗余通道的共因失效因子β值取0.1；逻辑控制部分β值取0.05。

6)操作模式为低要求操作模式。

7)为了方便分析验证，将各安全功能回路划分为传感器、安全栅、逻辑控制器、执行器、电磁阀、继电器及电涌保护器等部分。其中传感器、安全栅划归传感单元，且传感器包括引压管、信号转换和变送单元以及隔离阀等相关部分；逻辑控制器考虑了AI，AO，DI，DO，CPU及电源模块；执行单元包括电磁阀、执行机构等。

液位传感器失效数据计算的失效概率(PFD)曲线如图3所示。SIL验算结果见表3所列。根据计算结果表明，该仪表回路的SIL等级满足要求。

表3 液位高高报警联锁回路SIL验算结果

图3 液位传感器失效数据计算的失效概率曲线

SIS主要承担紧急情况下运行参数的超限保护功能，一旦保护不足可能会导致设备损毁、人员伤亡、环境污染等后果。对于因其随机失效概率限制了安全功能回路SIL等级的设备，应根据SIL验证计算结果缩短其功能检验测试周期，或采用冗余机制，或更换为失效概率更低的高可靠性设备降低该部分失效概率，以确保回路能实现要求的SIL等级。