常压低温乙烯储罐的安全仪表系统设计

王冰

（南京扬子石油化工设计工程有限公司，南京210048）

1 概 述

常压低温储运是指低温介质在接近沸点温度和常压条件下的储存和运输。由于具有储存压力低、易于建造大容积储罐（单台储罐容量可达1.6×105m3），适合远距离输送等优点，目前广泛地用于乙烯、丙烯及LNG等原料的储存。低温储运技术国外在20世纪60—70年代就开始应用，德国TGE公司、Linde公司、日本东洋公司均有成熟可靠的工艺包技术。

典型的乙烯常压低温储运装置由乙烯储罐、气相乙烯液化回收、乙烯输出三部分组成，如图1所示。

由于储存的是易燃、易爆介质，并且储存温度较低（乙烯储罐储存温度为－104℃），介质在受到外界温度和操作环境作用下极易气化升压，对系统的安全运行造成不利的影响。因此，乙烯低温储罐无疑是其中最关键的设备，一旦发生危险，带来的危害将是灾难性的。

笔者以江苏某2×104m3乙烯常压低温储罐为例，探讨常压低温乙烯储罐的安全仪表设计。

2 安全仪表系统的设计要求

根据IEC 61511的定义，典型的风险降低方法包含了控制、防护及减灾的各种手段，如图2所示，从内到外分别是工艺层、监控层、风险预防层、风险后果减轻层、工厂应急响应层以及社会应急响应层六个层次。在工艺层，需对存储系统进行合理地工艺设计和保冷手段，保证最基本的安全。同时，还应采用安全可靠的系统监测、控制和保护系统，充分发挥监控层及风险预防层的作用，从而将风险降至最低，保障装置安全运行。除此之外，其他保护层的功能应通过一些预案、制度等措施来保障。

为了加强危险化学品重大危险源的安全监督管理，防止和减少危险化学品事故的发生，保障人民群众生命财产安全，国家安全生产监督管理总局在2011年8月5日发布了第40号令《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》，该规定对IEC 61511定义的保护层都有相关规定，其中涉及监控层和风险预防层的规定中，要求根据重大危险源的危险程度，配置相应的安全仪表系统（SIS）。

图1 乙烯常压低温储罐流程示意

图2 典型的风险降低方法示意

SIS是指用仪表实现安全功能的系统，包括传感器、逻辑运算器、执行机构以及相关的设备和软件。对于安全部分的仪表，IEC 61508给出了全面的电气／电子／可编程电子系统功能安全管理的框架，并用安全完整性等级（SIL）来说明安全相关系统的安全目标，它的主要目标是预测安全相关系统运行时的故障概率。

安全系统应该具有的SIL是通过对受控系统进行风险分析得到的。根据IEC 61511，SIL通过定性风险评估技术和半定量风险评估技术来确定。定性的方法是使用工程判断和个人经验来做出选择；定量的方法要求对安全功能的动作频率和后果都通过定量的方式给出，同时允许的风险也是定量的。这两种方法各有长处，应用时可根据实际需要选择合适的风险分析方法。常见的风险分析方法包括危险与可操作性分析HAZOP（Hazard and Operation Analysis）、安全检查表分析（Safety Checklist Analysis）、“如果—会如何”分析（What If Analysis）、事 件 树 分 析 ETA（Event Tree Analysis）等。

笔者利用HAZOP分析，获得危险事件以及其所造成的风险后果，从而进一步通过定性和半定量的风险评估方法来确定风险的控制方案。

3 风险分析

依据IEC 61508，在设计SIS前，必须首先对过程进行危险和风险分析，以确定过程及相关装置的危险事件或可能发生的潜在危险事件，危险事件可能导致的相应后果以及危险事件可能发生的概率。

与其他类型储罐相比，低温储罐除液位、压力需检测外，还有罐壁、罐底的低温介质多点温度检测，由于单一组分的乙烯不存在罐内不均匀分布的问题，故温度的变化不会对储罐安全产生影响。因此，储罐压力、液位控制将直接影响到储罐的安全。如何将压力、液位控制在一定的范围内，将是大家应当直接面对的课题。

3.1 储罐压力变化

理想情况下，储罐内低温乙烯的储存温度接近其沸点温度（－104℃），此时乙烯气液相界面处溶解和挥发的速率相等，储罐内部的压力即为乙烯在此温度下的饱和蒸气压。但无论低温储罐有多么良好的绝热性能，都存在与外部环境的热交换；同时由于受到工艺操作的影响，都会造成储罐内乙烯蒸发气（BOG）量的变化，从而造成储罐的压力变化。

1）影响储罐压力升高的因素。从环境吸收的热量，包括正常吸热及火灾状况；乙烯进罐操作产生的翻滚效应以及容积置换效应；大气压降低导致表压升高。

2）影响储罐压力降低的因素。乙烯出罐操作产生的容积置换；BOG压缩机运行；大气压升高导致表压降低。

如果储罐压力变化超过了正常的范围，就会产生超压或负压情况。无论超压或负压，都将严重威胁储罐的安全，甚至会出现储罐破裂从而导致乙烯外泄的可能。

3.2 储罐液位的变化

储罐液位变化相对单一，即随着液态乙烯的进出罐操作，储罐液位也相应地升高或降低。如果液位过高，将发生冒罐事故，乙烯将泄漏到环境中，成为爆炸危险源，严重威胁人员财产安全；同时过高的液位也可能出现BOG压缩机吸入口带液的问题，可能损坏机械设备。反之，如果液位过低，将发生储罐抽空的现象，同样危及储罐的安全。

4 风险控制

经过以上风险分析，确定必须对过程危险事件采取必要的措施进行风险降低，即从监控层、风险预防层以及风险后果减轻层出发，确定相应的安全功能来达到必要的风险降低要求，同时根据风险降低要求来确定相应安全功能的SIL。

IEC 61508中用于确定SIL的方法有两种，文中将采用定性方法和半定量方法分别对储罐压力和液位进行分析，确定风险控制的方案。

4.1 储罐压力控制

南京扬子石油化工设计工程有限公司多年来一直从事低温储运装置的设计和建设工作，积累了丰富的工程设计经验，通过不断地升级改进，对于罐压的控制，有了较为成熟的控制方案，包括常规控制和联锁控制。

4.1.1 常规控制

1）设储罐压力调节回路，调节进罐乙烯流量。在乙烯进料操作工况下，将储罐压力控制在24kPa。当储罐压力高于24kPa时，减小进罐管线调节阀开度直至全关，减少进罐乙烯流量，从而减少容置效应，降低储罐压力。

2）设储罐压力调节回路，调节乙烯BOG至尾气焚烧系统流量，将储罐压力控制在27kPa。当储罐压力高于27kPa时，增加至尾气焚烧系统调节阀开度直至全开，将部分气相乙烯排入尾气焚烧系统，达到降低储罐压力的目的。

3）设操作联锁控制，用于常规储运时的压力控制。当储罐压力高于20kPa时，启动BOG压缩机，将罐内的部分BOG抽走，经过加压、冷却、液化后再返回储罐内，以降低罐内压力；当储罐压力低于17kPa时，停止BOG压缩机，以防止储罐压力的继续下降。

4.1.2 联锁控制

当常规控制无法满足储罐正常运行的需要，以至于出现较为极端的工艺状况时，就必须利用仪表安全联锁以及机械保护设备来保证储罐的安全运行，方案如下：

1）设储罐进料联锁切断阀。在乙烯进料操作工况下，如果储罐压力无法通过PID控制在安全运行范围内，当储罐压力高于28kPa时，关闭进料切断阀，切断储罐进料，以降低储罐乙烯进料对罐压升高产生的影响。

2）设BOG压缩机入口管线切断阀，用于储罐压力降低时的保护。当储罐压力低于5kPa时，关闭切断阀，切断储罐与BOG压缩机间的管路连接。

3）设补充氮气管线切断阀。当储罐压力低于4kPa时，打开切断阀，向储罐中充入氮气以防止储罐压力进一步降低。

4）设一级安全阀。当罐压升高至29kPa时，打开安全阀，将BOG排入尾气焚烧系统，达到降低储罐压力的目的。

5）设二级安全阀。当罐压升高至30kPa时，打开安全阀，将BOG排入大气。

6）设破真空阀。当罐压下降至－5kPa时，真空阀打开，向罐内补充空气，以保护储罐结构不受破坏。

4.2 储罐液位控制

储罐液位主要是防止溢流，通过研究国际和国家标准、工程实践经验、社会和环境等因素后，选定该系统的安全目标为溢流概率小于10－4次／年。

以下将采用半定量分析方法中的ETA方法对系统进行分析，ETA是建立从初始事件到可能引发的结果的逻辑描述图。

在该系统中初始事件为罐液位过高，根据可靠数据可以确定罐液位过高的可能性为0.1次／年，造成溢流事故的原因有：液位检测故障、液位高报失效、操作员未响应、进料切断阀失效。表1列出了各个部分的失效概率（PFD）。

表1 系统各部分PFD

在现有安全措施下储罐过液位的事件树如图3所示。

图3 储罐过液位的事件树示意

图3中事件树的结果给出了溢流危险的后果及其发生的可能性，从图3中可以看出，溢流事故的概率为事件3，5，7发生概率的总和，即：

由式（1）的计算结果可知现有的安全措施，不能满足系统安全目标的要求，因而必须对储罐液位增加新的安全措施，以达到安全目标的要求。要使溢流概率小于10－4次／年，则对应的风险降低估算如下：

根据SIL的分类描述，设计的SIS应至少为SIL1。为了达到该安全等级，可以在系统中增设液位检测仪表，提高检测的准确性，并使用1套完整性等级至少为SIL1的SIS。

根据IEC 61508要求，在SIS设计完成后必须对系统进行验证，确定其是否满足安全功能要求。如果没有达到要求，则必须对SIS进行改进，直到所设计的SIS完全能够满足安全功能的要求。在该系统中，增加SIS后溢流的事件树如图4所示。

图4 增设安全措施后储罐过液位的事件树示意

通过对改进后系统的事件树模型进行分析可知，增加SIS后溢流事故的概率为事件4，7，10发生概率的总和，即：

因此，新增的SIS降低了溢流事故率，提升了原有系统的安全水平，达到了预期安全目标。

5 安全仪表策略

通过以上讨论，考虑到乙烯罐储存大量易燃、易爆的烃类介质，危险性极大，设计上应保证储罐压力、温度检测的准确性和控制的安全性。从检测的准确性角度考虑，在罐顶设置5个压力检测点，并设置3套独立的液位测量仪表，分别为1套伺服液位计、1套雷达液位计、1套高高报警液位开关。从安全性来看，设置1套专用的安全联锁控制系统，用于压力及液位的安全联锁控制，同时进一步考虑到系统发生事故时，应使储罐处于安全状态，在现场和控制室还设置了紧急停车按钮。

值得注意的是，在国家安全生产监督管理总局第40号令实施之前（自2011年12月1日起施行），笔者所在单位设计的项目中，安全联锁控制系统由DCS实现；该规定实施后，根据规定中危险化学品重大危险源分级方法，计算得出分级指标R为337.8，属于一级，根据要求应设置独立的SIS，故安全联锁控制系统应由SIS实现。

6 结束语

目前，国内低温储存装置呈现出大型化和多样性趋势，并且由于存储大量的低温烃类介质，装置的安全、稳定运行是该类装置设计和操作的最重要问题之一。作为维护低温储存各系统安全运行的控制技术，必须与低温储存技术的发展相匹配，不仅要求技术先进，而且要求成熟和安全可靠。笔者通过对典型的低温乙烯储罐的控制要点和控制方法进行说明，力求帮助设计者充分了解工艺特点，进一步优化和完善储罐的安全控制技术，从而促进低温储运技术的整体水平有所提高。

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