安全仪表系统在氯碱装置中的应用

王万力

（天津兴辰工程技术服务有限公司，天津 300000）

中国的化工行业在规模化发展中融入了智能化技术的应用，在规模不断扩大的同时，化工工艺的技术含量得到了极大的提高。 化工行业要想解决其安全问题，降低事故的发生率，就要不断完善其自动化安全仪表措施，以提高化工工艺的安全性。

河南平煤神马东大化学有限公司 （下面简称东大化学） 搬迁项目设计规模为15 万t/a 离子膜烧碱、11 万t/a 液氯、7 万t/a 盐酸、4 万t/a 次氯酸钠、25 000 km3/a 压缩氢气。根据国家安全生产监督管理总局令40 号及《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116 号）等文件，对于“两重点一重大” 范畴的化工装置及化学品储存，需新增安全仪表系统（SIS），一期项目于2021 年1 月投入运行， 在项目设计过程中进行了安全仪表系统的设计。

1 安全仪表系统

安全仪表系统 （Safety Instrumented System，简称SIS） 又称为安全联锁系统 （Safety interlocking System）。 主要是工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作或调节或停机控制，是企业自动控制中的重要组成部分。

安全仪表系统包括传感器、 逻辑运算器和最终执行元件，即检测单元、控制单元和执行单元。 SIS系统可以监测生产过程中出现的或者潜伏的危险，发出报警信息或直接执行预定程序，立即进入操作，防止事故的发生、降低事故带来的危害及影响[1]。

安全仪表系统能够通过组建性能完全的安全体系，并通过设置相关参数达到安全需要，最终保证仪器仪表的安全使用。 安全仪表系统的使用需要解决安全整体性选择的相关问题， 在针对安全整体性的选择问题和系统所涉及到的风险问题和严重程度都有关联。使得安全仪表系统的设计中，对安全仪表系统完整性的相关等级确定变得极为复杂。

2 功能和要求

（1）安全仪表系统的基本功能和要求

保证生产的正常运转、事故安全联锁（控制系统CPU 扫描时间一定要达到ms 等级）；安全联锁报警（对于一般的工艺操作参数都会有设定的报警值和联锁值）；联锁动作和投运显示。

（2）安全联锁系统的附加功能

安全联锁的预报警功能；安全联锁延时；第一事故原因区别；安全联锁系统的投入和切换；分级安全联锁；手动紧急停车；安全联锁复位。

3 SIS 系统方案

3.1 氯碱装置概况及工艺简述

该生产系统包括一次盐水、离子膜电解、氯气处理及次氯酸钠、氢气处理及盐酸、氯气液化及包装、氢气充装、成品罐区，采用DCS 操作系统、安全仪表系统（SIS）对工艺装置、辅助生产设施等进行集中监控和安全联锁保护，对工艺流程、工艺参数进行显示和报警， 对易燃易爆和有毒气体泄漏设置可燃气体和有毒气体泄漏报警系统（GDS）。 电解为重点监管的危险化工工艺，氯气液化及包装为一级重大危险源。

（1）电解

精制盐水进入电解槽的阳极， 稀碱液进入电解槽的阴极，在直流电作用下，阳极反应后产生氯气，阴极反应产生氢气和32%碱液。 阳极液溢流到阳极液循环罐，阴极液溢流到阴极液循环罐，阴极液部分冷却后进入到阴极液高位槽， 再与水配比后进入到电解槽。 氯气送入氯气处理工序冷却干燥后加压输送至后续工序使用， 氢气送往氢气处理工序进一步处理。

（2）氯气液化及包装

将氯气处理工段送来的干氯气， 进入制冷系统的氯气液化机组，大部分氯气被冷凝为液氯，经气液分离器分离后进入液氯贮槽中缓冲储存， 部分液氯经液氯包装泵加压后包装进入钢瓶、 进入液氯槽车外售。 部分液氯经液氯输送泵通过管道供下游装置使用。未液化的尾氯通过管道输送至氯化氢合成、次氯酸钠工段合成氯化氢和生产次氯酸钠。 液氯工段设置排污处理罐定期排污处理， 防止液氯中三氯化氮含量超标发生危险。 液氯工段设置事故风机将外泄氯气送至废氯气吸收塔吸收处理。

3.2 SIS 系统设置

首先运用HAZOP 分析方法对工艺装置进行工艺过程危险分析，找出潜在的危害，结合风险矩阵，得出危害事件发生的风险等级， 风险等级高的联锁回路进入安全仪表系统， 并根据风险的等级确定联锁回路中每个仪表安全功能的安全完整性等级，最后进行安全仪表系统的设计。

危险与可操作性（HAZOP）分析是一种用于辨识设计缺陷、 工艺过程危害及操作性问题的结构化分析方法。 方法的本质是由各专业人员组成的分析组按规定的方式系统研究每一个单元 （即分析节点），分析偏离设计工艺条件的偏差所导致的危险和可操作性问题。 HAZOP 分析记录表见表1。

表1 HAZOP分析记录表

依据HAZOP 分析的结论中涉及安全联锁部分，依据保护层分析（LOPA）标准，进行保护层分析，确定安全联锁的安全完整性等级（SIL），为SIS 设计提供理论依据。

安全仪表系统的存在并不能完全消除风险，而是通过采取必要的风险降低措施将生产过程的风险降低到可接受的程度。 安全仪表系统独立于基本过程控制系统（如DCS 等），独立完成仪表安全功能。

3.3 SIS 系统控制点的确定

通过保护层分析，进行了SIL 定级，汇总见表2。

表2 SIL等级确定汇总表

根据LOPA 分析报告中SIL 定级情况， 以下联锁进入SIS 系统[2]。

（1）电解工序单台槽盐水流量低低（SIL1）6 m3/h，停对应单台电解槽整流器；

（2）电解工序单台槽循环碱液流量低低（SIL1）5 m3/h，停对应单台电解槽整流器；

（3）电解工序氯气总管压力高高2 取1（SIL2）30 kPa，联锁停所有电解槽整流器；

（4）电解工序氢气总管压力高高2 取1（SIL2）34 kPa，联锁停所有电解槽整流器；

（5）电解工序氯氢总管的压差高高2 取1（SIL2）9 kPa，联锁停所有电解槽整流器；

（6）电解工序氯氢总管的压差低低2 取1（SIL2）0 kPa，联锁停所有电解槽整流器；

（7）电解工序急停所有整流器按钮（硬）打开，联锁停所有电解槽整流器；

（8）氯气液化及包装工序液氯储槽液位高高2取1（SIL2）2 100 mm，联锁关闭液液氯储槽进氯开关阀；

（9）氯气液化及包装工序液氯储槽附近氯气报警器6 取3（SIL2）3×10-6，联锁关闭所有液氯储槽出氯开关阀和联锁启动事故风机；

（10）氯气液化及包装工序紧急关阀按钮联锁（硬）打开，联锁关闭所有液氯储槽进氯和出氯开关阀。

3.4 SIS 系统逻辑关系图

单台电解槽联锁图见图1， 电解槽整流器全停联锁图见图2，液氯储存区联锁图见图3。

图1 单台电解槽联锁图

图2 电解槽整流器全停联锁图

图3 液氯储存区联锁图

4 结语

根据国家对“两重点一重大”建设项目的安全要求，新上氯碱项目都单独设置了安全仪表系统，使得氯碱工厂的安全联锁可靠性大大增强。 将HAZOP分析与风险矩阵相结合， 进行LOPA 分析和SIL 定级，不仅能对工艺流程中的危险进行识别，并且能对危险进行定性的分析，实现分析的完整性，为安全仪表系统的设计提供依据。在化工生产中，安全仪表系统在选型、 使用与维护中必须遵循严格的安全标准及规范，综合采取多种安全可靠性措施，确保系统功能安全地实现，使企业的生产安全得到充分保障。