甲醇合成装置风险分析及SIL评估

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(1.郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001；2.郑州大学 力学与工程科学学院，河南 郑州 450001；3.郑州燃气发电有限公司，河南 郑州 450001)

随着IEC61508以及IEC61511标准的推广，安全仪表系统的应用更加普遍，并且在石油化工行业取得了显著的发展成果。赵亮[1]、周雁鹏[2]对甲醇项目的安全完整性等级进行计算，开展安全仪表回路误动作率STR分析；严春明[3]等对SIL评估过程中的风险控制、安全联锁功能识别、安全联锁逻辑结构的选择、DCS与SIS共用及独立保护层设置等问题进行研究；杨军[4]等对甲醇装置开展SIL评估，并提出管理煤化工行业安全仪表系统生命周期的要求。但是，其在应用过程中也存在着诸如设计不合理、结构冗余、不完善等问题。甲醇合成涉及到有毒有害物质的泄放、可燃物的燃烧爆炸、容器的超压爆炸等风险。所以，对甲醇合成工艺的安全相关系统进行研究是十分必要的。

1 安全仪表系统

1.1 安全仪表系统结构及功能

根据IEC61511中的定义，安全仪表系统[5]是由传感器、逻辑控制器和执行器组成的、能够行使一项或多项安全仪表功能的仪表系统。

安全仪表系统的功能包括：①在生产过程中监控工艺过程情况，判断工艺过程是否会发生潜在的危险；②当发生危险事件时，安全仪表系统执行其安全功能，防止危险事件发生；③当危险事件不能避免时，降低或减轻危险事件造成的后果。

1.2 安全生命周期

在IEC61508和IEC61511中所提到的关于安全生命周期的定义为：在安全仪表功能的实施中，从项目的概念设计阶段到所有安全仪表功能停止使用之间的整个时间段。安全生命周期分为3个阶段(见图1)。

图1 安全生命周期阶段

本次课题研究的内容只着重于风险分析和SIS设计，并不去研究完整的安全生命周期。

1.3 安全完整性等级

根据IEC61508，安全完整性等级[6]共有4级，SIL4最高，SIL1最低。SIL等级越高，说明其安全相关系统能实现安全功能的可能性越高。安全完整性等级的危险失效概率范围有两种划分方式：一种是要求每小时平均失效概率(对于低模式操作要求)，另一种是每小时危险失效的概率(对于高要求或连续操作模式)。表1和表2分别列出了在低要求和高要求时的目标失效概率。

表1 低要求模式操作的平均失效概率

表2 高要求操作模式的平均失效概率

低要求操作模式：对于一个安全相关系统提出操作要求的频率不大于每年1次和不大于2倍的检验测试频率。高要求操作模式：对于一个安全相关系统提出操作要求的频率大于每年1次或大于2倍的检验测试频率。

低要求操作模式在过程工业中使用最为普遍，而高要求操作模式一般用于制造加工业以及航空航天工业。

2 风险评估矩阵及LOPA分析

根据风险评估矩阵以及后果定性分级的方法来确定后果的风险水平，由此确定是否需要增加额外的保护措施[7]。风险等级矩阵见表3，风险评估矩阵见表4。首先，根据表3的后果严重程度辨认其后果等级，再根据表4的后果等级和频率等级来判断风险类型，并由此确定是否需要采取措施。

表3 风险等级矩阵

表4 风险评估矩阵

注：“低”不需要采取行动；“中”可选择性地采取行动；“高”选择合适的时机采取行动；“很高”立即采取行动。

在进行LOPA分析时，首先要选择场景，确定初始事件，然后在防护过程中明确独立保护层有哪些，再根据独立保护层确定场景发生频率，从而能够进行风险评估和决策判断。LOPA分析中场景频率计算如下[8]：

(1)

3 甲醇合成装置事故后果分析

3.1 分析概况

本次研究的甲醇合成装置采用的是管壳外冷—绝热复合型固定床反应器，其结构与立式的固定管板换热器相似。甲醇合成塔的任务是进行甲醇合成，在其顶部通入合成气，在催化剂的作用下，合成气在列管内发生反应生成甲醇。甲醇合成塔的直径为3.8m，总高为13.51m，列管共有4 309根，其管径为44mm，总长为7m，其作用是装填催化剂。在甲醇合成塔的顶部设有人孔以及相关的阀门。

3.2 危险物质的理化性质

研究中只考虑甲醇合成塔上部未接触到催化剂的合成气发生泄漏的情况，合成气中各物质体积分数如下：H2，70.64%；CO，9.68%；CH4，0.08%；CO2，2.23%；N2，16.15%。综合考虑各物质的危险性和所占的比例，只考虑H2和CO两种危险物质，即假设合成气是由H2和CO两种物质组成。

作为一种绿色能源，氢气具有来源广泛、效率高的特点。氢气是密度最小的气态物质，是第2.1类易燃气体，爆炸极限为4%～75%，点火温度较低，扩散系数较大，燃烧火焰速度比较快。在常温下，氢气的性质比较稳定，几乎不会与其他物质发生反应，但若条件发生改变，达到氢气的爆炸极限值，一旦遇到点火源即会发生爆炸。

根据泄漏形式的不同，氢气的泄漏分为连续泄漏和瞬时泄漏两种情况。瞬时泄漏会造成大量氢气瞬间释放出来，氢气云团被点燃后会发生物理爆炸和闪火，产生的爆炸超压和火焰会对人员造成伤害；在连续泄漏的过程中，气体在泄漏口被点燃时就会形成喷射火，如果泄漏发生一段时间后再被点燃就会形成闪火，最终发生蒸气云爆炸，产生的爆炸超压、热辐射都会对人员造成比较严重的伤害。

一氧化碳是一种重要的化工原料，通常作为合成气和煤气的成分。它是一种无色无味的气体，其密度比空气略小，在标准状况下的密度为1.250g/L，同时一氧化碳具有可燃性，其闪点<-50℃，爆炸极限为12%～74%。除此之外，一氧化碳有剧毒，因为一氧化碳吸进肺里很容易与血红蛋白结合，阻碍血红蛋白和氧气的结合，导致人体缺氧，急性中毒表现为恶性、呕吐、头晕、头痛等症状，中度中毒会出现昏迷等症状，重度中毒会出现休克等症状。

3.3 参数设定

3.3.1 气象参数设定

为了不过分夸大事故的后果，得到最可能造成事故的危害程度，本文采用该厂区所在位置的全年平均气象参数进行分析。气温为14.3℃，气压为101.05kPa，湿度为71%，风速为2.4m/s，大气稳定度为D。同时，为了分析风速对事故后果的影响，选取2.4m/s，3.7m/s和5.3m/s的风速进行对比研究。

3.3.2 泄漏参数设定

甲醇合成塔顶部易发生泄漏的部位包括人孔盖板和阀门，在本次研究中，甲醇合成塔总高为13.51m，假定泄漏发生在距离地面13m处的人孔位置处，采用中国安全生产科学研究院开发的CASST-QRA研究中推荐采用的典型泄漏尺寸，小孔泄漏为5mm，中孔泄漏为25mm，大孔泄漏为75mm。

在合成塔的顶部，由于合成气未接触到催化剂，在顶部发生泄漏的物质只有合成气，根据合成气的组成和各物质的体积分数，综合考虑各物质的危险性。本次以氢气和一氧化碳组成的混合物为研究对象进行事故后果模拟。

3.3.3 设备参数设定

甲醇合成塔的工作压力为7.9MPa，工作温度为225℃，估算合成塔上部合成气的量为42.27m3。

3.4 模拟结果

3.4.1 扩散后果分析

由于合成气中氢气的含量较多，一氧化碳的含量较少，合成气发生泄漏之后，混合物中一氧化碳的浓度达不到爆炸下限，因此，具有爆炸危险性的物质是混合气中的氢气。另外，由于一氧化碳的浓度较低，暂不考虑其毒性作用。

当甲醇合成塔发生25mm孔径泄漏时，为了研究风速对扩散的影响，选取2.4m/s，3.7m/s和5.3m/s的风速进行对比，大气稳定度均为D。

当监测物质为氢气时，氢气的爆炸下限为4%，爆炸上限为75%。当风速为2.4m/s时，氢气的爆炸上限在0.146 6m处，爆炸下限在27.7m处，0～0.146 6m处为准火灾爆炸危险区域，0.146 6～27.7m处为火灾爆炸的危险区域；当风速为3.7m/s时，0～0.146 8m处为准火灾爆炸危险区域，0.146 8～26.1m处为火灾爆炸的危险区域；当风速为5.3m/s时，0～0.146 9m处为准火灾爆炸危险区域，0.146 9～24.2m处为火灾爆炸的危险区域。通过对比可以得出风速越大，云团扩散的顺风距离越小。

监测物质仍然设置为氢气，当发生5mm孔径泄漏时，0～0.044m处为准火灾爆炸危险区域，0.044～6.9m处为火灾爆炸的危险区域；当发生25mm孔径泄漏时，0～0.146 6m处为准火灾爆炸危险区域，0.146 6～27.7m处为火灾爆炸的危险区域；当发生75mm孔径泄漏时，0～0.429m处为准火灾爆炸危险区域，0.429～66.5m处为火灾爆炸的危险区域。可以得出，泄漏孔径越大，火灾爆炸危险性越大。

综上所述，合成气发生泄漏之后，由于其平均密度小于空气，气体主要向上扩散，在地面上监测不到达到爆炸极限的浓度，因此，不会对地面工作的人员造成伤害，但对于登高作业的人员，还存在一定的危险性。

3.4.2 火灾爆炸后果分析

合成气泄漏之后会产生喷射火、闪火、火球和爆炸等多种火灾爆炸事故后果。

假设甲醇合成塔上部发生灾难性破裂，其产生的早期爆炸超压影响范围见图2。

图2 早期爆炸超压半径

由图2可知，发生灾难性破裂时，产生早期爆炸超压的死亡半径为17.2m，重伤半径为30.1m，轻伤半径为54.7m。

图3为发生5mm孔径泄漏产生的喷射火焰热辐射与距离的关系，从曲线的整体趋势可以看出，热辐射随着顺风距离的增大先增大后减小。在顺风距离为4m处，热辐射达到最大值0.089kW/m2。刚开始，即顺风距离为0m时的辐射强度为0.078kW/m2，存在热辐射的最远顺风距离为10.4m。

图3 孔径为5mm的喷射火焰辐射与距离关系

可以看出，发生小孔泄漏时产生的热辐射相对来说较小，存在热辐射的顺风距离也较小，对人员不会产生伤害。

图4和图5为发生中孔泄漏时产生喷射火的辐射与距离的关系及影响区域图。顺风距离为0m处的热辐射强度为2.0kW/m2；随着顺风距离的增大，热辐射强度也增大，到顺风距离为15.7m处，热辐射强度达到最大值5kW/m2；之后，随着顺风距离的增大，热辐射强度逐渐减小，直到顺风距离为42.7m处，对应的热辐射强度最小(为1.0kW/m2)。从图4可以得到，在8.3～22.6m的区间，是热辐射强度超过4kW/m2的区域，在此区间人员暴露20s以上会感觉到疼痛，但是不会危及生命。

图4 孔径为25mm的喷射火焰辐射与距离的关系

图5 孔径为25mm的喷射火焰强度半径

图6和图7为发生大孔泄漏时产生喷射火的热辐射与距离的关系及影响区域图。存在热辐射的最远顺风距离为97.2m，在顺风距离为33.7m处，热辐射达到最大值(为24.6kW/m2)。图7中绿色圆圈区域内的热辐射强度大于12.5kW/m2，为轻伤区，人员暴露10s会造成1度烧伤，蓝色曲线内的区域为感觉区，在轻伤区域内人员应做好防护措施。

图6 孔径为75mm的喷射火焰辐射与距离的关系

图7 孔径为75mm的喷射火焰强度半径

在甲醇合成塔发生75mm孔径泄漏时，除了产生喷射火外，还会形成火球。火球产生的热辐射要远远大于喷射火产生的热辐射强度，对应的影响区域也远远大于喷射火。

4 甲醇合成装置安全仪表系统改进

4.1 工艺描述

在甲醇分离器和闪蒸槽部分，有液位变送器检测液位，当液位出现高高位时连锁停车。右侧基本过程控制系统和安全仪表系统共用截止阀，并设有高低液位报警，当液位低于10%时截止阀关闭，当液位达到LL超低液位时，安全仪表系统关闭截止阀。

4.2 HAZOP分析识别危险危害因素

使用HAZOP对甲醇分离器进行分析，选取工艺参数为液位，研究偏离产生的原因、结果以及相应的安全措施等(见表5)。

表5 HAZOP分析表

4.3 LOPA分析

基本过程控制系统，其PFD为PFDi1=1×10-1/a；

报警和人员响应，其PFD为PFDi1=1×10-1/a；

取点火概率为1，人员暴露概率为0.5，人员伤亡概率为0.5。

场景发生频率为：

=1×10-1×1×10-1×1×10-1×1×0.5×0.5

=2.5×10-4/a

根据风险评估矩阵，查表得其后果等级为4，其风险等级为高风险，因此，需要选择合适的时机采取行动。经过研究后，根据风险要求将该风险概率降低到1×10-5～1×10-6之间，需要加装一个独立的SIF，该SIF应该具有SIL1的安全完整性等级，用于检测分离器低液位，并切断分离器中甲醇流向闪蒸槽。

4.4 SIL设计及验证

原有的安全仪表系统与基本过程控制系统共用了截止阀，在截止阀故障时，其因失效引起的危险事故，并没有其他有效的风险降低措施去弥补，因此，这种安全仪表系统与基本过程控制系统公用现场设备是不可取的。

因此，在原设计的基础上需要对其进行修改，再增加一个SIF，而把原来的公用设备由基本过程控制系统使用，而另加一个截止阀在干路上。根据要求加装的SIF应该具有SIL1的安全完整性等级，本次设计的SIF采用原有的液位传感器和逻辑控制器，并增加一个三通电磁阀和截止阀。其结构冗余设计见表6。

根据安全设施可靠性数据手册(EXIDA)中各元件故障率的数据，确定的部分可靠性数据见表7。

表7 部分可靠性数据

注：FIT为菲特，是故障率单位，1FIT=10-9/h。

计算压力传感器PFD：

计算逻辑控制单元PLC的PFD：

计算SOV和截止阀PFD：

如前所述，安装的SIF应当使整个系统的失效率降低到1×10-5～1×10-6，所设计的SIF的PFD为1.96×10-2，在SIL1等级的范围内，原有的失效率为2.5×10-4，安装SIF后失效率为4.9×10-6，在1×10-5～1×10-6，因此设计的SIF满足要求。

5 结语

在这次设计中,把HAZOP分析、LOPA分析、以及SIS的设计结合起来，对今后安全评估以及安全系统的设计起到引导作用。如今，不少企业在设计初期照搬以前的案例，不结合自身情况去设计。在进行评估时，评估不完整，导致一些危险、危害因素没有被辨识出来。因此，从最开始进行评估时就应该面面俱到。

从研究中发现，基本过程控制系统与安全仪表系统不能共用设备，在非公用部分，安全效能高，而当共用设备失效，又没有其他的防护措施保证共用设备达到低的失效率时，会导致基本过程控制系和安全仪表系的失效，是得不偿失的。因此，同样的投入，应把这两个系统分开，当其中一个失效时，另一个还能正常运行，从而降低系统的整体失效率。

SIS的设计、安装、调试和运行的各个阶段，不能只考虑更可靠的系统，而不考虑经济原因。应当在进行评估、计算之后选择合适的SIS，在保证安全稳定的基础上，使费用更低。