在役石化罐区仪表安全设计诊断

李国运，赵文军，王少华

（1.浙江省天正设计工程有限公司，杭州 310000；2.巴斯夫化工有限公司，上海 200000）

0 引言

石化罐区一直是事故的高发领域，比如2013年中石油大连石化公司三苯罐区较大爆炸火灾事故；2017年山东临沂金誉石化爆炸着火事故；2021年河北常州油罐着火事故等。这些事故用血的教训警示相关人员要认识安全的重要性，要从设计、施工到日常监测监控、设备设施管理、日常运行管理等全方面提高安全意识，加强安全监管。

根据安监总管三〔2014〕68号《进一步加强化学品罐区安全管理》的通知，明确对在役的危险化学品罐区进行安全隐患排查，对隐患问题清单进行整治提升，降低安全风险等级。如果储存危险化学品设施未经过正规设计，且未经过设计诊断的，直接判定为高风险。因此，近期相关企业密集提请正规设计院进行安全设计诊断。本文重点阐述了对石化罐区如何进行安全设计诊断，自动化仪表所涉及的诊断内容以及其相关法规和规范依据，并对相关企业的自控安全改造提出了建议。

1 自动化控制系统

由于历史原因，部分企业还采用人工的方式进行石化罐区的运行操作。液位测量采用人工检尺，物料的输入输出采用手动阀门进行操作，这样不仅效率低下、人工成本高、准确性较差，更无法及时发现生产运行中存在的问题，出现事故时也无法迅速采取有效措施，隐患极大。根据安监总管三〔2012〕87号《关于开展提升危险化学品领域本质安全水平专项行动》的通知，要求涉及重点监管危险化工工艺的化工装置，涉及重点监管危险化学品的生产储存装置和危险化学品重大危险源（两重点一重大）需要进行自动化控制系统改造，明确未装备自动化控制系统的企业要补充装备，对重要的工艺参数，比如液位、压力、温度等进行实时监控预警。如果发生异常，自动控制系统可以及时发现，自动报警，操作人员可以判断发生异常的根源，及早排除事故隐患。

罐区的自动化控制系统主要采用分散控制系统DCS，一些小型、分散、远距离的罐区可能会采用SCADA、PLC等控制系统[1]。

根据储罐的容量，工艺是否要求为计量级储罐，是常压、低压储罐还是压力储罐，储罐上配置的仪表都不尽相同。一般在储罐上需要设置就地指示和可以集中显示的温度测量仪表、压力测量仪表、液位测量仪表等。在储罐的物料管道进出口设置远程操作的切断阀，正常运行时远程操作物料的进出，发生事故时及时切断物料输送，将事故源与危险源分割。

石化罐区还应该设置音视频监控报警系统。摄像头的设置数量和位置要按照罐区实际情况，选用防爆摄像机；监视范围覆盖为有可能突发危险或发生火灾的地方，比如储罐顶部、泵房、罐区根部阀等位置。

2 安全仪表系统

石化罐区存储的物料数量大，多为易燃易爆或有毒有害物质。如果发生事故，将对人民生命财产安全和自然环境造成严重危害，而安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）是对危险化学品罐区安全性的有效保障措施。根据安监总管三〔2014〕116号《加强化工安全仪表系统管理的指导意见》中，凡是涉及“两重点一重大”在役生产装置或设施的化工企业和危险化学品储存单位，要在全面开展过程危险分析（如危险与可操作性分析）基础上，通过风险分析确定安全仪表功能及其风险降低要求，并尽快评估现有安全仪表功能是否满足风险降低要求。所以，安全诊断的第一项就是明确相关企业是否进行了危险与可操作性分析（Hazard And Operability Studies，HAZOP）。如果尚未进行HAZOP分析，则要求企业委托有相应资质的正规设计单位进行相关分析；如果已经完成分析，则需要根据HAZOP分析报告和LOPA定级报告的分析建议项，诊断涉及罐区的自动化控制是否符合安全功能要求，是否需要配备安全仪表系统。安全评估后，一般会产生以下两份报告：

2.1 HAZOP分析报告

HAZOP分析是根据工艺流程图（PFD）、管道和仪表流程图（PID）、设备布置图、工艺流程描述和联锁或顺序控制说明、设备数据表等资料，对装置的危害和可操作性进行详细的审核。通过HAZOP分析，确定可能存在的偏差，以及由此导致的问题和后果，同时评估现有防护措施，必要时提出补充建议措施。

2.2 SIL定级报告

SIL定级分析一般是在HAZOP分析的基础上，基于HAZOP分析报告，管道仪表流程图（PID），联锁因果表等进行。一般采用保护层分析法（Layer Of Protection Analysis，LOPA），LOPA分析是SIL定级分析中最常用的半定量分析方法，通过初始事件频率、后果严重程度和独立保护层失效频率的乘积大小来辨识场景的风险[2]。

2.3 SIL等级选择结果

SIF是指安全仪表功能，为一个联锁回路中执行HSE相关回路的一个联锁。在SIL定级报告中一般有如下结果：

SIL-：表明这个回路可以取消，如果保留则可以通过过程控制系统BPCS实现。

SIL1～SIL3：表明这个SIF必须通过SIS实现。

SIS是一套独立于BPCS的控制系统。其设置成故障安全型，也就是当危险发生时，系统会按照事先预定的程序完成各个保护动作。一般当定级为SIL1时，测量仪表可以和过程控制系统的测量仪表共用。通常有两种做法：一种是测量仪表的信号先接入SIS，通过一进二出模块将信号再接入到过程控制系统中；另一种是测量仪表直接引出两个信号，分别接入到SIS和过程控制系统。最终元件包括调节阀、切断阀、电磁阀、动设备等，通常也有两种做法：一种是在过程控制的调节阀阀门定位器前加装电磁阀，将电磁阀信号引入SIS。当触发联锁时，电磁阀直接控制气路开闭，使调节阀迅速达到安全位置。这种做法可以减少改造内容，降低改造成本，但是由于调节阀频繁动作容易损坏，安全性并不理想。另一种是直接在过程控制的阀门前加装紧急切断阀，直接接入SIS中，安全性比较高。当定级为SIL2和SIL3时，测量仪表要独立于过程控制系统设置，即采用额外的温度、压力等检测器直接接入SIS中。控制阀也必须采用额外的阀门进入SIS。

综上所述，涉及诊断需要根据SIL定级报告的结论，确定是否需要SIS系统。如果需要，而在役罐区仅有过程控制系统并无SIS系统，则需要建议企业进行罐区的SIS改造。这可能涉及现场仪表，线路和配备SIS系统等各方面的改造升级。如果不需要，则仅需要对HAZOP中的建议措施进行复核，必要时进行相关改造。

3 可燃气体和有毒气体检测报警系统

当化学品罐区存储的物质发生泄漏时，操作人员很难及时发现。如果储存可燃物质，当泄漏达到一定浓度时，很容易发生火灾甚至爆炸等危险事故；如果储存有毒物质，当泄漏发生后，相关人员在现场极易发生中毒或窒息。可燃气体和有毒气体检测报警系统（Gas Detection System，GDS）的设置是安全设施的重要组成部分，可以很大程度地对泄漏进行预警，所以在储存可燃气体和有毒气体的罐区必须设置GDS系统。在安全设计诊断时，首先要确认罐区是否存储了可以产生可燃及有毒气体的介质。如果有，是否配备了足量的气体探测器，是否安装有GDS系统。2019年9月25日，GB/T 50493-2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》正式发布，于2020年1月1日起正式实施，与旧标准GB50493-2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》部分内容有所差异。因此，要核实可燃有毒气体检测报警系统和检测器的布置是否满足新版规范的要求。

按照新版规范需要注意以下几点：

1）气体探测器检测半径要求改变

释放源位于露天或敞开式厂房内，可燃气体探测器距其所覆盖范围内的任一释放源的水平距离更改为不宜大于10m[2]，而非旧版规范中的15m。距离减少，意味着可能需要更多的可燃气体探测器。有毒气体探测器距其所覆盖范围内的任一释放源的水平距离不宜大于4m，而在旧版规范中为2m。距离增大，可能取消一些有毒气体探测器，同时取消了全年最小频率风向上风侧的描述，增加了“水平”字样。

2）新规范明确要求了GDS系统应独立于其他系统，单独设置。这就意味着有些之前设计的可燃有毒气体探测器接入了BPCS系统中，不符合现行规范，需要整改。

3）新规范要求GDS系统需要将可燃气体二级报警信号、可燃气体和有毒气体检测报警控制单元的故障信号送至消防控制室。这点在旧版规范中是没有的，需要在设计复核时检查独立的控制系统是否与消防控制器进行通信或硬线连接。

4 控制室抗爆

控制室一般包括放置控制系统机柜的机柜室和放置操作站的操作室，需要布置在爆炸危险区域外。虽然在爆炸危险区域外，但并不意味着位于安全区域。因为一旦爆炸发生，高温高压气体急速膨胀，使空气密度和压力产生突变即产生冲击波。冲击波很有可能危害到临近布置的控制室，导致有人值守的控制室倒塌，造成操作人员的伤亡。

安委〔2020〕3号国务院安全生产委员会，关于印发《全国安全生产专项整治三年行动计划》的通知，要求涉及爆炸危险性化学品的生产装置控制室不可以布置在装置区内；甲乙类火灾危险性的生产装置控制室，原则上不得布置在装置区内。确需布置，需要按照规范进行抗爆设计、建设和加固。

控制室是否要进行抗爆结构设计，在规范中也有明确要求：在SH/T 3006-2012《石油化工控制室设计规范》中，规定对于有爆炸危险的石油化工装置，控制室建筑物的建筑、结构应根据抗爆强度计算，分析结果设计[3]。在化工规范HG/T 20508-2014《控制室设计规定》中，规定对于有爆炸危险的化工装置，控制室、现场控制室应采用抗爆结构设计[4]。

对于在役的石化罐区的安全设计诊断，需要看企业是否在罐区附近设置了控制室，如果设置了，是否进行了爆炸风险评估。按照评估结果，如果需要做抗爆结构，那么控制室就要进行相应的改造或拆除。

5 安全诊断实际案例

某公司针对其石化罐区进行了安全设计诊断。经过对施工蓝图和现场踏勘了解到：石化罐区存储的介质为汽柴油，物料性质为易燃易爆，属于重点监管危险化学品，整个石化罐区构成一级重大危险源。但是罐区内自动化控制系统陈旧，部分仪表满足不了功能要求，无安全仪表系统，如遇紧急情况，存在重大安全隐患。

5.1 安全隐患

1）该石化罐区属于“两重点一重大”，但并未进行HAZOP分析和SIL定级。

2）未设置独立的安全仪表控制系统（SIS），所有动作均在过程控制系统中完成。

3）储罐仅采用一台雷达液位计，作为远传液位仪表。

4）液位计选型不规范。就地液位计采用普通玻璃液位计，且无保护措施。

5）控制室未采用抗爆结构，且面向装置设有窗户。

6）石化罐区设置了可燃气体报警系统，但是接入了过程控制系统，只是与过程控制系统采用不同的输入卡件；同时未将二次报警信号及控制器故障报警信号接入消控室。

5.2 安全诊断依据及整改意见

1）依据安监总管三〔2014〕116号《加强化工安全仪表系统管理的指导意见》，对于涉及“两重点一重大”的在役存储设施，均需要进行安全仪表评估工作。此石化罐区需要进行HAZOP分析，确定SIL等级后，增加相应内容。

2）库区储罐属于一级重大危险源，仅有过程控制系统，很难完成安全控制任务，很有可能需要根据安全仪表评估的结果，增加相关安全仪表设备和线路。

3）根据GB 50160-2018《石油化工企业设计防火标准》，可燃液体的储罐应设液位计和高液位报警器，也就是可燃液体储罐需要设置至少两台液位计。一台液位计专门用于高液位报警，可以是连续测量的液位计，也可以是高液位开关。储罐需要增加远传液位计或者液位开关，由于是在役罐区改造，可以使用外贴式液位开关，避免储罐开孔。

4）由于玻璃管液位计采用普通玻璃制成，保养不当或者撞击磕碰都容易造成损坏，严重地会导致介质泄漏。所以对于易燃易爆和有毒介质不采用普通玻璃管液位计，可以改用磁翻板液位计。

5）根据SH/T 3006-2012《石油化工控制室设计规范》的要求，需要对控制室进行抗爆力计算，确定是否增加抗爆设计。同时面向装置的一侧外墙设有窗户，根据安监总管三〔2013〕76号《关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理》的通知，控制室面向有火灾、爆炸危险性设备侧的外墙应为无门窗洞口。根据抗爆分析结果看是否需要进行抗爆结构改造，如果不需要，则需要将面向装置侧的窗户封堵严实。

6）根据GB/T 50493-2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》中第3.0.8条的描述，可燃气体和有毒气体检测报警系统应独立于其他系统单独设置，建议设置专用可燃气体报警控制器。根据此规范第3.0.3条规定，将可燃气体二级报警信号和报警控制单元的故障信号接入消防控制系统中。

6 结束语

改革开放以来，随着中国经济的飞速发展，中国石油化工行业用几十年的时间走过了发达国家上百年的道路。在快速发展的同时，一定会积累一些矛盾与疏漏，而这些最终会以安全事故的形式表现出来。随着在役装置及罐区生命周期的流逝，安全隐患不断提高。作为工程设计人员要熟悉各种法律法规、标准规范，在进行安全设计诊断时发现问题，帮助企业排除隐患，降低事故发生的可能。