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常壓低溫乙烯儲罐的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：王冰文檔來源：南京揚子石油化工設(shè)計工程有限公司		點擊數(shù)： 200 1	更新時間： 2021年01月07日
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第5O卷第3期
2014年6月
石油化工自動化
AUT0M ATION IN PETR()_CHEM ICAL INDUSTRY
Vol_5O，No．3
Jun，2014
常壓低溫乙烯儲罐的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計
王冰
(南京揚子石油化工設(shè)計工程有限公司，南京210048)
摘要：常壓低溫乙烯儲罐運行在一104℃的低溫工況下，具有沸點低、易燃、易爆等高危特點，因而對低溫乙烯儲罐有著很高的
安全要求，它的安全系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣對整個儲運裝置的安全尤為重要。將IEC 61508／IEC 615ll引入到低溫乙烯儲罐的安全儀
表系統(tǒng)(SIS)設(shè)計中來，根據(jù)標準中的HAZOP方法對儲罐系統(tǒng)進行風(fēng)險分析，并采用定性和半定量的風(fēng)險評估方法確定風(fēng)險
的控制方案。
關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)低溫乙烯儲罐風(fēng)險
中圖分類號：X924．3 文獻標志碼：B 文章編號：1007—7324(2014)03—0009—05
Design of Safety Instrumented System for the Atm ospheric Pressure
and Cryogenic Ethylene Storage Tank
W ang Bing
(Nanjing Yangzi Petrochemical Design Engineering Co．Ltd．，Nanjing，210048，China)
Abstract：The atmospheric pressure and cryogenic ethylene storage tank is operated undor- 104 oC ，
with low boiling point，flammable and explosive and other high-risk characteristics．And high security
requirement is particularly important to the safety instrumented system (SIS)．The IEC 61508／IEC
61511 standard is introduced into the design of SIS，and risk analysis is implemented on the basis of
HAZOP of the standard，and the qualitative and semi-quantitative of risk assessment methods are used
to determine the risk eontrol scheme．
Key words：safety instrumented system；cryogenic ethylene storage tank；risk
1 概述
常壓低溫儲運是指低溫介質(zhì)在接近沸點溫度
和常壓條件下的儲存和運輸。由于具有儲存壓力
低、易于建造大容積儲罐(單臺儲罐容量可達1．6×
10 m。)，適合遠距離輸送等優(yōu)點，目前廣泛地用于
乙烯、丙烯及LNG等原料的儲存。低溫儲運技術(shù)
國外在2O世紀60 7O年代就開始應(yīng)用，德國
TGE公司、Linde公司、日本東洋公司均有成熟可
靠的工藝包技術(shù)。
典型的乙烯常壓低溫儲運裝置由乙烯儲罐、氣
相乙烯液化回收、乙烯輸出三部分組成，如圖1
所示。
由于儲存的是易燃、易爆介質(zhì)，并且儲存溫度
較低(乙烯儲罐儲存溫度為一104℃)，介質(zhì)在受到
外界溫度和操作環(huán)境作用下極易氣化升壓，對系統(tǒng)
的安全運行造成不利的影響。因此，乙烯低溫儲罐
無疑是其中最關(guān)鍵的設(shè)備，一旦發(fā)生危險，帶來的
危害將是災(zāi)難性的。
筆者以江蘇某2×10 m。乙烯常壓低溫儲罐
為例，探討常壓低溫乙烯儲罐的安全儀表設(shè)計。
2 安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計要求
根據(jù)IEC 61511的定義，典型的風(fēng)險降低方法
包含了控制、防護及減災(zāi)的各種手段，如圖2所示，
從內(nèi)到外分別是工藝層、監(jiān)控層、風(fēng)險預(yù)防層、風(fēng)險
后果減輕層、工廠應(yīng)急響應(yīng)層以及社會應(yīng)急響應(yīng)層
六個層次。在工藝層，需對存儲系統(tǒng)進行合理地工
藝設(shè)計和保冷手段，保證最基本的安全。同時，還
應(yīng)采用安全可靠的系統(tǒng)監(jiān)測、控制和保護系統(tǒng)，充
分發(fā)揮監(jiān)控層及風(fēng)險預(yù)防層的作用，從而將風(fēng)險降
至最低，保障裝置安全運行。除此之外，其他保護
層的功能應(yīng)通過一些預(yù)案、制度等措施來保障。
為了加強危險化學(xué)品重大危險源的安全監(jiān)督
管理，防止和減少危險化學(xué)品事故的發(fā)生，保障人
民群眾生命財產(chǎn)安全，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局
在2011年8月5日發(fā)布了第40號令《危險化學(xué)品
稿件收到日期：2013—12—02，修改稿收到日期：2014—03—14。
作者簡介：王冰，1995年畢業(yè)于南京化工大學(xué)生產(chǎn)過程自動化專
業(yè)，現(xiàn)工作于南京揚子石油化工設(shè)計工程有限公司電控室，任電控
室副主任、工程師。
10 石油化工自動化 第5O卷
重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》，該規(guī)定對IEC 61511
定義的保護層都有相關(guān)規(guī)定，其中涉及監(jiān)控層和風(fēng)
險預(yù)防層的規(guī)定中，要求根據(jù)重大危險源的危險程
度，配置相應(yīng)的安全儀表系統(tǒng)(SIS)。
乙烯儲罐
圖1 乙烯常壓低溫儲罐流程示意
SIS是指用儀表實現(xiàn)安全功能的系統(tǒng)，包括傳
感器、邏輯運算器、執(zhí)行機構(gòu)以及相關(guān)的設(shè)備和軟
件。對于安全部分的儀表，IEC 61508給出了全面
的電氣／電子／可編程電子系統(tǒng)功能安全管理的框
架，并用安全完整性等級(SIL)來說明安全相關(guān)系
統(tǒng)的安全目標，它的主要目標是預(yù)測安全相關(guān)系統(tǒng)
運行時的故障概率。
安全系統(tǒng)應(yīng)該具有的SIL是通過對受控系統(tǒng)
第3期 王冰．常壓低溫乙烯儲罐的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計
進行風(fēng)險分析得到的。根據(jù)IEC 61511，SIL通過定
性風(fēng)險評估技術(shù)和半定量風(fēng)險評估技術(shù)來確定。
定性的方法是使用工程判斷和個人經(jīng)驗來做出選
擇；定量的方法要求對安全功能的動作頻率和后果
都通過定量的方式給出，同時允許的風(fēng)險也是定量
的。這兩種方法各有長處，應(yīng)用時可根據(jù)實際需要
選擇合適的風(fēng)險分析方法。常見的風(fēng)險分析方法
包括危險與可操作性分析HAZOP(Hazard and
Operation Analysis)、安全檢查表分析(Safety
Checklist Analysis)、“如果一會如何”分析(What
If Analysis)、事件樹分析ETA (Event Tree
Analysis)等。
筆者利用HAZOP分析，獲得危險事件以及
其所造成的風(fēng)險后果，從而進一步通過定性和半定
量的風(fēng)險評估方法來確定風(fēng)險的控制方案。
3 風(fēng)險分析
依據(jù)IEC 61508，在設(shè)計SIS前，必須首先對
過程進行危險和風(fēng)險分析，以確定過程及相關(guān)裝置
的危險事件或可能發(fā)生的潛在危險事件，危險事件
可能導(dǎo)致的相應(yīng)后果以及危險事件可能發(fā)生的
概率。
與其他類型儲罐相比，低溫儲罐除液位、壓力
需檢測外，還有罐壁、罐底的低溫介質(zhì)多點溫度檢
測，由于單一組分的乙烯不存在罐內(nèi)不均勻分布的
問題，故溫度的變化不會對儲罐安全產(chǎn)生影響。因
此，儲罐壓力、液位控制將直接影響到儲罐的安全。
如何將壓力、液位控制在一定的范圍內(nèi)，將是大家
應(yīng)當直接面對的課題。
3．1 儲罐壓力變化
理想情況下，儲罐內(nèi)低溫乙烯的儲存溫度接近
其沸點溫度(一104℃)，此時乙烯氣液相界面處溶
解和揮發(fā)的速率相等，儲罐內(nèi)部的壓力即為乙烯在
此溫度下的飽和蒸氣壓。但無論低溫儲罐有多么良
好的絕熱性能，都存在與外部環(huán)境的熱交換；同時由
于受到工藝操作的影響，都會造成儲罐內(nèi)乙烯蒸發(fā)
氣(BOG)量的變化，從而造成儲罐的壓力變化。
1)影響儲罐壓力升高的因素。從環(huán)境吸收的
熱量，包括正常吸熱及火災(zāi)狀況；乙烯進罐操作產(chǎn)
生的翻滾效應(yīng)以及容積置換效應(yīng)；大氣壓降低導(dǎo)致
表壓升高。
2)影響儲罐壓力降低的因素。乙烯出罐操作
產(chǎn)生的容積置換；BOG壓縮機運行；大氣壓升高導(dǎo)
致表壓降低。
如果儲罐壓力變化超過了正常的范圍，就會產(chǎn)
生超壓或負壓情況。無論超壓或負壓，都將嚴重威
脅儲罐的安全，甚至?xí)霈F(xiàn)儲罐破裂從而導(dǎo)致乙烯
外泄的可能。
3．2 儲罐液位的變化
儲罐液位變化相對單一，即隨著液態(tài)乙烯的進
出罐操作，儲罐液位也相應(yīng)地升高或降低。如果液
位過高，將發(fā)生冒罐事故，乙烯將泄漏到環(huán)境中，成
為爆炸危險源，嚴重威脅人員財產(chǎn)安全；同時過高
的液位也可能出現(xiàn)BOG壓縮機吸人口帶液的問
題，可能損壞機械設(shè)備。反之，如果液位過低，將發(fā)
生儲罐抽空的現(xiàn)象，同樣危及儲罐的安全。
4 風(fēng)險控制
經(jīng)過以上風(fēng)險分析，確定必須對過程危險事件
采取必要的措施進行風(fēng)險降低，即從監(jiān)控層、風(fēng)險
預(yù)防層以及風(fēng)險后果減輕層出發(fā)，確定相應(yīng)的安全
功能來達到必要的風(fēng)險降低要求，同時根據(jù)風(fēng)險降
低要求來確定相應(yīng)安全功能的SIL。
IEC 61508中用于確定SIL的方法有兩種，文
中將采用定性方法和半定量方法分別對儲罐壓力
和液位進行分析，確定風(fēng)險控制的方案。
4．1 儲罐壓力控制
南京揚子石油化工設(shè)計工程有限公司多年來
一直從事低溫儲運裝置的設(shè)計和建設(shè)工作，積累了
豐富的工程設(shè)計經(jīng)驗，通過不斷地升級改進，對于
罐壓的控制，有了較為成熟的控制方案，包括常規(guī)
控制和聯(lián)鎖控制。
4．1．1 常規(guī)控制
1)設(shè)儲罐壓力調(diào)節(jié)回路，調(diào)節(jié)進罐乙烯流量。
在乙烯進料操作工況下，將儲罐壓力控制在
24 kPa。當儲罐壓力高于24 kPa時，減小進罐管線
調(diào)節(jié)閥開度直至全關(guān)，減少進罐乙烯流量，從而減
少容置效應(yīng)，降低儲罐壓力。
2)設(shè)儲罐壓力調(diào)節(jié)回路，調(diào)節(jié)乙烯BOG至尾
氣焚燒系統(tǒng)流量，將儲罐壓力控制在27 kPa。當
儲罐壓力高于27 kPa時，增加至尾氣焚燒系統(tǒng)調(diào)
節(jié)閥開度直至全開，將部分氣相乙烯排入尾氣焚燒
系統(tǒng)，達到降低儲罐壓力的目的。
3)設(shè)操作聯(lián)鎖控制，用于常規(guī)儲運時的壓力
控制。當儲罐壓力高于20 kPa時，啟動BoG壓縮
機，將罐內(nèi)的部分BOG抽走，經(jīng)過加壓、冷卻、液
化后再返回儲罐內(nèi)，以降低罐內(nèi)壓力；當儲罐壓力
低于17 kPa時，停止BOG壓縮機，以防止儲罐壓
力的繼續(xù)下降。
4．1．2 聯(lián)鎖控制
當常規(guī)控制無法滿足儲罐正常運行的需要，以
至于出現(xiàn)較為極端的工藝狀況時，就必須利用儀表
安全聯(lián)鎖以及機械保護設(shè)備來保證儲罐的安全運
行，方案如下：
12 石油化工自動化 第5O卷
1)設(shè)儲罐進料聯(lián)鎖切斷閥。在乙烯進料操作
工況下，如果儲罐壓力無法通過PID控制在安全
運行范圍內(nèi)，當儲罐壓力高于28 kPa時，關(guān)閉進料
切斷閥，切斷儲罐進料，以降低儲罐乙烯進料對罐
壓升高產(chǎn)生的影響。
2)設(shè)BOG壓縮機入口管線切斷閥，用于儲罐
壓力降低時的保護。當儲罐壓力低于5 kPa時，關(guān)
閉切斷閥，切斷儲罐與BOG壓縮機間的管路連接。
3)設(shè)補充氮氣管線切斷閥。當儲罐壓力低于
4 kPa時，打開切斷閥，向儲罐中充入氮氣以防止
儲罐壓力進一步降低。
4)設(shè)一級安全閥。當罐壓升高至29 kPa時，
打開安全閥，將BOG排入尾氣焚燒系統(tǒng)，達到降
低儲罐壓力的目的。
5)設(shè)二級安全閥。當罐壓升高至30 kPa時，
打開安全閥，將B()G排人大氣。
6)設(shè)破真空閥。當罐壓下降至～5 kPa時，真空
閥打開，向罐內(nèi)補充空氣，以保護儲罐結(jié)構(gòu)不受破壞。
4．2 儲罐液位控制
儲罐液位主要是防止溢流，通過研究國際和國
家標準、工程實踐經(jīng)驗、社會和環(huán)境等因素后，選定
該系統(tǒng)的安全目標為溢流概率小于10 次／年。
以下將采用半定量分析方法中的ETA方法
對系統(tǒng)進行分析，ETA是建立從初始事件到可能
引發(fā)的結(jié)果的邏輯描述圖。
在該系統(tǒng)中初始事件為罐液位過高，根據(jù)可靠
數(shù)據(jù)可以確定罐液位過高的可能性為0．1次／年，
造成溢流事故的原因有：液位檢測故障、液位高報
失效、操作員未響應(yīng)、進料切斷閥失效。表1列出
了各個部分的失效概率(PFD)。
表1 系統(tǒng)各部分PFD
失效原因 PFD
液位檢測故障
液位高報失效
操作員未響應(yīng)
進料切斷閥失效
PFD 一0．15
PFD 2— 0．10
PFD 一0．10
PFD 一0．O5
在現(xiàn)有安全措施下儲罐過液位的事件樹如圖
3所示。
圖3 儲罐過液位的事件樹示意
圖3中事件樹的結(jié)果給出了溢流危險的后果
及其發(fā)生的可能性，從圖3中可以看出，溢流事故
的概率為事件3，5，7發(fā)生概率的總和，即：
PFD l===3．83× 10 + 4．25× 10_4+
7．5O× 10 —
1．58× 10。> 10一 (1)
由式(1)的計算結(jié)果可知現(xiàn)有的安全措施，不
能滿足系統(tǒng)安全目標的要求，因而必須對儲罐液位
事件I
6．89E—O2
事件5
增加新的安全措施，以達到安全目標的要求。要使
溢流概率小于10 次／年，則對應(yīng)的風(fēng)險降低估算
如下：
PFDb1— 10_4／(1．58×10-3)一
6．41× 10 (2)
根據(jù)SIL的分類描述，設(shè)計的SIS應(yīng)至少為
SILl。為了達到該安全等級，可以在系統(tǒng)中增設(shè)
液位檢測儀表，提高檢測的準確性，并使用1套完
事踮事
7 3 8
}講 件 船 件
第3期 王冰．常壓低溫乙烯儲罐的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計
整性等級至少為SILl的SIS。
根據(jù)IEC 61508要求，在SIS設(shè)計完成后必須
對系統(tǒng)進行驗證，確定其是否滿足安全功能要求。
如果沒有達到要求，則必須對SIS進行改進，直到
所設(shè)計的SIS完全能夠滿足安全功能的要求。在
該系統(tǒng)中，增加SIS后溢流的事件樹如圖4所示。
圖4 增設(shè)安全措施后儲罐過液位的事件樹示意
通過對改進后系統(tǒng)的事件樹模型進行分析可
知，增加SIS后溢流事故的概率為事件4，7，1O發(fā)
生概率的總和，即：
PFD 2— 4．46× 1O + 4．95× 1O +
5．0O× 10一一
9．91× 10 < 10 (3)
因此，新增的SIS降低了溢流事故率，提升了
原有系統(tǒng)的安全水平，達到了預(yù)期安全目標。
5 安全儀表策略
通過以上討論，考慮到乙烯罐儲存大量易
燃、易爆的烴類介質(zhì)，危險性極大，設(shè)計上應(yīng)保證
儲罐壓力、溫度檢測的準確性和控制的安全性。
從檢測的準確性角度考慮，在罐頂設(shè)置5個壓力
檢測點，并設(shè)置3套獨立的液位測量儀表，分別
為1套伺服液位計、1套雷達液位計、1套高高報
警液位開關(guān)。從安全性來看，設(shè)置1套專用的安
全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，用于壓力及液位的安全聯(lián)鎖控
制，同時進一步考慮到系統(tǒng)發(fā)生事故時，應(yīng)使儲
罐處于安全狀態(tài)，在現(xiàn)場和控制室還設(shè)置了緊急
停車按鈕。
值得注意的是，在國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理
總局第40號令實施之前(自2O1 1年12月1日
起施行)，筆者所在單位設(shè)計的項目中，安全聯(lián)
鎖控制系統(tǒng)由DCS實現(xiàn)；該規(guī)定實施后，根據(jù)規(guī)
定中危險化學(xué)品重大危險源分級方法，計算得
出分級指標R為337．8，屬于一級，根據(jù)要求應(yīng)
設(shè)置獨立的SIS，故安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)應(yīng)由SIS
實現(xiàn)。
6 結(jié)束語
目前，國內(nèi)低溫儲存裝置呈現(xiàn)出大型化和多樣
性趨勢，并且由于存儲大量的低溫?zé)N類介質(zhì)，裝置
的安全、穩(wěn)定運行是該類裝置設(shè)計和操作的最重要
問題之一。作為維護低溫儲存各系統(tǒng)安全運行的
控制技術(shù)，必須與低溫儲存技術(shù)的發(fā)展相匹配，不
僅要求技術(shù)先進，而且要求成熟和安全可靠。筆者
通過對典型的低溫乙烯儲罐的控制要點和控制方
法進行說明，力求幫助設(shè)計者充分了解工藝特點，
進一步優(yōu)化和完善儲罐的安全控制技術(shù)，從而促進低
(下轉(zhuǎn)第45頁)
● 2 3加 4 c) 5 事 事 8哪 事 8啡 事似 4 事 8c) 6事 9 7事 4c) 8事 9c∞) 事9 9如 m 5∞
第3期 王明虎．異構(gòu)控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的新方法 45
中心控制室與火炬頭排放部分相距較遠(兩者間距
4 km左右)。如果采用普通I／O卡和屏蔽電纜進
行點對點連接顯然不可行，必須采用遠程站的方
式，遠程站再和DCS進行數(shù)字通信(光纖)。筆者
采用在火炬排放區(qū)域放置1臺S7—200遠程站(置
于現(xiàn)場隔爆箱內(nèi))，這樣S7—200應(yīng)用Profibus作
為MACS系統(tǒng)1個DP接點，通過光纖接人DCS，
很好地解決了遠程通信的問題，使得信號傳輸變得
方便可靠、無干擾。
4 結(jié)束語
文中論述2個實例，充分考慮了系統(tǒng)所具有的
特點，合理地選擇了Profibus通信。其合理性主
要表現(xiàn)在兩方面：
1)通信暢通、可靠且使用簡單，PLC是作為
DCS中1個節(jié)點進入DCS內(nèi)，與DCS已融合為一
體，真正實現(xiàn)了無縫嵌入。
2)鏈接簡潔，投資節(jié)省，只把PLC作為DCS
的DP接點，直接掛在DP總線上，而DCS的
Profibus通信是對Modbus通信方式的補充，為異
構(gòu)系統(tǒng)之間的通信提供了一種新方案，當選擇的系
統(tǒng)支持Profibus時，可以考慮應(yīng)用該方案，為系統(tǒng)
之間的通信提供一條捷徑，不需要任何硬件(普通
Modbus通信，DCS需配置Modbus卡)。
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(2-接第13頁)
溫儲運技術(shù)的整體水平有所提高。
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