特种设备安全防护技术在煤化工行业的应用

＊宋耀武 李强 张昱 刘俞辰*

（1.内蒙古工业大学 化工学院 内蒙古 010051 2.内蒙古天润化肥股份有限公司 内蒙古 017100）

内蒙古西部地区因得天独厚的煤炭资源优势，成为国家“十三五”规划重点发展的新型煤化工基地。内蒙古重点发展的14个煤化工园区，鄂尔多斯就占了4个。仅鄂尔多斯地区就有47家煤化工企业，占内蒙古西部同类企业的61.8%[1]。该地区的主要产品有煤制油、煤制天然气，煤制烯烃、甲醇、乙二醇以及以煤为主要原料生产的尿素、合成氨等产品。上述产品多属于危险化学品（以下简称危化品）。生产危化品的成套装置中，普遍使用着锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道等承压类特种设备，因而构建一整套全面的安全防护系统，对煤化工企业的安全平稳运行，保护生命财产不受损失，具有重要的意义。本文依托“特种设备安全防护系统功能安全保障关键技术研究”项目（2018YFC080 8900）课题一“特种设备安全防护系统故障模式及预防关键技术研究（2018YFC0808901）”，借鉴近年来国内外工业领域研究热点之一——功能安全管理思想[2-3]，结合气化炉、反应器等一些煤化工行业关键设备实例，针对防护对象（受控设备），分析其存在的危险源，识别防护对象的危险有害因素，从安全层级的角度，建立了承压式特种设备安全防护系统。下面从功能安全及相关标准、特种设备安全防护体系的建立以及该系统在煤化工领域的应用实例等方面进行阐述。

1.功能安全及相关标准简介

功能安全是一种基于风险的安全技术和管理模式。风险评估是实施功能安全管理的前提，安全完整性等级是功能安全技术的体现，安全生命周期是功能安全管理的方法。关于功能安全的国际标准有IEC61508和用于石油、化工等过程工业的IEC61511等，我国等同采用的标准是GB/T20438-2017《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》和GB/T21109-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》两个推荐性标准[3]。虽然这些标准是针对安全仪表系统（安全相关系统）的，但其基本原理可用于其他安全系统[4]。

2.气化炉装置安全防护体系建立示例

(1)安全防护对象的风险辨识

首先，确定受控设备，即安全防护对象；其次，辨识其危险源，并划分危险源种类。目前，关于危险源分类，并没有明确的国家标准，大多数参考GB 13861-2009《生产过程危险和有害因素分类与代码》及GB 6441-1986《企业职工伤亡事故分类》的内容。根据GB/T 45001-2020《职业健康安全管理体系要求及使用指南》，其对危险源的定义是：可能导致伤害和健康损害（对人的生理、心理或认知状况的不利影响）的来源。作者尝试把各种带有能量的物质（如压力能、化学能、热能等等）均划为一类，即含能物质，则危险源总体分为含能物质、毒性物质、窒息物质和其它四大类；然后，由不同类别的危险源，参照事件树评价法，分析其可能导致的伤害。

以核心装置气化炉为例，其介质有煤浆、CO、O2、H2、H2S等，工作压力属中压等级（按压力容器压力等级划分），工作温度1000℃以上，因而存在压力能、化学能、热能等含能物质危险源；同时又有毒性物质、窒息物质和其它类别，如粉尘等。

图1是气化炉的含能物质危险源可能导致的事故危害类别示例。其反应压力较高，故气体的压力能存在设备超压（物理性）爆炸危险；化学能危险源则存在化学性爆炸、着火危险；热能危险分析见图。以上能量均可能导致人员伤害、设备损坏（或停运）、环境污染等事故危害。

图1 气化炉的含能物质危险源可能导致的事故伤害类别

(2)不同层级安全防护措施的采用

根据上述方法，抽丝剥茧地分析了各类危险源可能存在的危险情况种类和对应事故危害类别。我们的最终目的，是要明确对应于不同的事故危害类别，需要采取哪些安全防护措施，这样才能从根本上杜绝安全生产事故的发生。

本文提到的安全防护措施，是指除了设备设计、制造和成熟工艺流程及工艺参数状态监控等基本保障之外为预防事故发生采取的防护措施，包括防止（主动）措施、减缓（被动）措施，以及必要的程序安全措施和个体防护措施，这是按照安全防护层级逐级升高的思路进行特种设备系统分析的方法[6-7]。

上述安全防护措施，不仅是紧急停车系统、燃烧器管理系统、火灾和气体安全系统、高完整性压力保护系统等以安全保护和抑制减灾为目的的安全仪表系统（SIS）[8]，还需要完善各项安全管理制度和日常安全操作规程，把人为的因素综合考虑进去，才能真正实现安全生产。要构建一套完整的特种设备安全防护体系，需要明确防护对象（特种设备），分析危险源，并辨别其危险、有害因素，识别危险、危害种类及其危害程度，最终确定应采取何种安全防护措施。这是基于功能安全理念、贯穿于安全生产全生命周期的系统分析方法[5]。

以气化炉为例，压力能危险源，因能量的意外释放即爆炸导致的人员伤害类型属于压力容器爆炸伤害，其原因可能为设备、设施、工具附件缺陷，优先采取的对应防止措施包括：设置温度、压力、液位、流量等报警设施；设置紧急停车、仪表联锁、可燃有毒报警器、视频监控系统等设施。这些均属于信号响应型的防止措施。

当防止措施不能避免危害发生时，则采取减缓（被动）措施，如安全阀等泄压保护装置；现场配备灭火器、消火栓、消防水炮、消防沙等消气防物资。这些从类别上，属于机械液压型的减缓措施。

为避免安全生产事故的发生，还须在日常作业中制定操作和维护保养等规范，如建立安全生产责任制，定期培训；操作和管理技术人员定期巡回检查；定期对照检查各类仪表、阀门；定期检验设备本体、安全附件；每日进行工艺气介质法兰检测；现场设置安全警示、职业危害标识；建立事故应急预案，企业定期组织培训等等。这些均属于程序安全措施。

此外，针对气化炉，还需加强个体防护措施，包括防爆工具、器具和劳动保护用品；设置事故应急柜等应急物资。上述措施，保障作业人员在危险发生后，最大可能地降低伤害。

综上所述，以气化炉为例，详细地分析了承压类特种设备安全防护技术对应措施，这些措施按优先级别排序，分别是防止措施、减缓措施、必要的程序安全措施和个体防护措施。这是承压类特种设备安全防护系统的关键组成部分。依此方法分析煤化工企业安全防护系统，可以对照其现有安全状况进行自查，发现问题及时修正，防止事故隐患发生，有效保障企业的安全平稳运行。

3.结论

（1）本文认为，特种设备应有自己的事故类型分类方法，并按照物质蕴含的不同能量，将危险源划分为含能物质、毒性物质、窒息物质和其它四大类；并由不同类别的危险源，参照事件树评价法，分析其可能导致的伤害。最终建立了基于功能安全原理的特种设备安全防护系统，并以煤化工行业核心设备气化炉为例，分析了该安全防护系统的层级构成；（2）该系统对于煤化工企业的安全管理自查，以及特种设备安全防护技术理论体系建设，具有积极的参考价值和借鉴作用；（3）接下来，还将结合基于频率的定量分析方法，对气化炉等核心设备进行“安全完整性等级的验证”，为安全防护系统理论研究和故障模型的建立提供定量依据。