石油化工装置控制室安全设计浅析

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石油化工装置的物料大多具有可燃、易爆、有毒或腐蚀等特性，生产又往往伴有高温、高压、深冷等现象，容易引发火灾、爆炸或泄露等事故。石油化工企业一旦发生生产事故，不仅会导致设备损坏、生产停歇等经济损失，而且经常造成人员伤亡，甚至影响公共安全。控制室作为石油化工生产装置的“指挥中心”，聚集大量操作人员，承担装置的控制和安全联锁，是石油化工企业的控制中枢[1]，其安全性尤为重要。

近年来，鉴于国内石化企业安全事故频发，政府及相关部门为了健全风险防范机制，制定了一系列法规和条例，严格规范控制室安全设计。因此,对控制室的安全要求不断升级，就迫切要求设计单位和生产单位及时适应新规范，配合完成对已建控制室自查自纠，对违规控制室尽快拆除、搬迁、整改或加固，从源头上防范化解重大风险。

1 控制室简介

控制室集监测、控制和管理为一体，根据房间功能区分，石油化工装置控制室由功能房间和辅助房间组成，其中功能房间包括操作室、机柜间、工程师室和不间断电源(UPS)室，辅助房间包括交接班室、资料室和休息室等。另外，从控制室的所处位置或区域范围上划分，石油化工装置控制室分为现场控制室(装置控制室)和中央控制室(中心控制室)。除此之外，控制室可以合并功能组成综合性多功能建筑单体，比如集中控制楼；或单独以某一功能房间存在，如现场机柜室、操作室，其中机柜室还可分为有人值守的机柜室和无人值守的机柜室。

控制室为石油化工装置安全运行保驾护航，既要在正常状态下实现控制系统可靠执行安全指令，又要在事故发生时实现装置有序安全停车。目前，石油化工装置控制的安全设计除符合《石油化工企业设计防火标准》GB50160、《石油化工工厂布置设计规范》GB50984、《石油化工控制室设计规范》SH/T3006、《控制室设计规范》HG/T20508和《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779等现行标准规范外，尚应满足《危险化学品安全专项整治三年行动实施方案》(安委[2020]3号文附件3)、《化工和危险化学品生产经营单位重大生产安全事故隐患判定标准(试行)》(安监总管三[2017]121号)等政府部门的规范性文件[2-6]。

2 总图位置选择

为了使控制室安全、可靠、有效地发挥作用，控制室的总图位置设置是进行安全防护的重点，根据最新最严要求，表1主要罗列了现行标准、规范中对石油化工装置控制室总图布局的要求。

从表1可看出，中央控制室宜远离装置区，布置在生产及行政管理区，装置控制室的布置分成以下两种情况：①涉及到爆炸危险性化学品的生产装置控制室(有人员操作)，一律不得设置在装置区；②涉及到甲乙类火灾危险的生产装置，控制室原则上应布置在装置区外，现场不具备条件的，在进行抗爆加固设计等前提下允许布置在装置区，且位于装置区一侧，一般建议距离甲乙类生产装置不少于30米。对于无人值守的机柜室，如果现场条件特殊，如操作室(或控制室)距离装置区较远，可以布置在装置区，但需要设置防火墙等方式进行加固设计，且不应位于爆炸危险区域(0区、1区或2区)内。

表1 石油化工控制室总图位置规范条文摘录

3 防护设计

3.1 抗爆设计简析

爆炸为石油化工装置最为常见的重大灾难性事故之一，石油化工工艺过程中引发的爆炸方式主要包括：超压引起的设备爆炸、蒸气云爆炸(又称可燃云爆炸)和沸腾液体扩展引起的蒸汽爆炸，其中蒸气云爆炸最为常见。控制室为人员集中建筑物，本着“以人为本”的原则，设计人员优先考虑将控制室搬离出装置区到相对安全区域，即控制室总图位置位于安全防护距离范围之外。同时应当根据抗爆风险，评估确定控制室是否需要抗爆设计。控制室抗爆设计指外立面能抵抗爆炸冲击，新建建筑物爆炸后可修、改扩建建筑物爆炸后不倒，减少爆炸事故对生产运行的影响，保证室内人员和设施安全。

控制室的抗爆设计应兼顾安全性和经济性。按《石油化工企业设计防火标准》GB50160等规范要求，石油化工装置控制室是否需要设置抗爆结构依据如下：中央控制室距离装置区较远，应根据爆炸风险评估确定是否需要抗爆设计，若已达到安全防护要求，则无需设置抗爆结构，否则应采取抗爆等结构加固设计；由于装置区的控制室、有人值守的机柜间等建筑物是人员集中场所和重要设施，涉及到爆炸危险性化学品的生产装置控制室不允许设置在装置区，若生产装置的火灾危险性为甲乙类，则必须进行抗爆设计，其余情况宜进行抗爆设计。至于无人值守的机柜室，虽然规范未明确是否需要进行抗爆设计，但由于仪表设备及控制系统价格昂贵，一旦损坏直接造成装置停工且恢复时间较长，故布置在上述生产装置区内的机柜间，也应考虑进行抗爆设计。

石油化工生产装置产生的冲击波超压性质和破坏力具有难以量化的特征，《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779新版规范意见征求稿针对控制室抗爆荷载计算有较大变化，爆炸冲击波值从给出特定值调整为通过安全评估确定。评估结果需结合石油化工装置性质、泄漏点布置和风向等因素，运用安全模拟分析软件，模拟计算建筑物所处位置的爆炸冲击波参数。目前蒸汽云爆炸的模拟研究方法主要采用TNT当量法、TNO多能模型、Baker-Strehlow-Tang模型和流体力学模型[7]。

抗爆控制室多为单层整体钢筋混凝土箱型建筑，建筑物外围抗爆墙体为钢筋混凝土剪力墙，围墙结构和屋面板直接承受爆炸荷载作用，而与外墙脱开的柱及内墙等一般不考虑爆炸动力作用，仅做适度加强。抗爆控制室的爆炸荷载属于偶然荷载，动力分析宜采用有限元模拟计算，也可近似采用单自由度体系动力分析或等效静态分析法。抗爆控制室结构设计时还应注意：①所有外墙、屋面开洞必须进行密封并保证可靠性;②抗爆门窗、抗爆阀和隔离前室应满足抗爆要求;③外墙不应设置室外楼梯及装配式雨蓬等。

3.2 安全防护距离

引起石油化工厂人员伤亡的主要原因为蒸汽云爆炸和毒气泄漏，为了预防和减缓石油化工装置潜在事故的影响，在人员风险可接受风险范围内，确定防护目标与生产、储存装置的安全距离为安全防护距离。对人员集中的控制室，《石油化工工厂布置设计规范》GB50984给出了最小安全防护距离建议值[8]，见表2。

表2的防护距离来源于工程公司根据工程实践经验得出的建议值，未体现与爆炸物、有毒气体或易燃气体等有关的工艺参数或过程，当如果有足够的输入条件，可采用实际计算结果确定安全防护距离。《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》GZB/T37243提供了两种针对外部安全防护距离的计算方法，可供参照执行[9]。

表2 控制室最小安全防护距离建议值 (m)

(1)对于VCE存在爆炸危险源的防护距离，采用事故后果法确定生产装置与控制室的安全防护距离，计算公式如下：

式中，ΔP为空气冲击波超压值，单位为105帕斯卡(Pa)；Q为一次爆炸的梯恩梯(TNT)炸药当量，根据计算药量折算，单位为千克(kg)；R为爆炸点距防护目标的距离，单位为米(m)。

从人体防护角度出发，安全防护距离一般指空气冲击波超压阙值为2000～7000Pa，低于该值范围内窗户通常会遭破坏，房屋主体结构不会破坏。

(2)对于有毒气体或易燃气体，采用定量风险评价方法确定安全防护距离。通过危险识别和场景辨识，分析事故概率和事故后果，绘制生产装置的风险等值线，判断不同类型防护目标防护距离是否满足风险基准。由于控制室为企业重要设施，建议其防护目标的主要性质参照《危险化学品生产装置和储存设施风险基准 》GB36894中的其它非危险化学品工业企业来做要求，即当班人数在100人及以上的控制室为二类防护目标，当班人数在100人以下的控制室为三类防护目标。在石油化工新建、改建、扩建生产装置设置防护目标时，二类防护目标的个人基准为3×10-6次/年，三类防护目标的个人基准为1×10-5；在为已建生产装置设置防护目标时，二类防护目标的个人基准为1×10-5次/年，三类防护目标的个人基准为3×10-5。

3.3 其它防护措施

(1)石油化工厂中的中央控制室属于特殊重要设备室，火灾会严重影响生产，应采用自动灭火系统和自动火灾报警系统，并宜采用气体灭火系统。装置控制室、机柜室应设置自动火灾报警系统，视情况设置自动灭火系统，并宜设置气体型灭火器。

(2)处理可燃、有毒，有粉尘或有腐蚀性介质的装置，控制室宜设在本地区全年最小频率风向的下风侧。控制室室内不得安装液化烃、可燃气体、可燃液体的在线分析仪器。装置的控制室与其它建筑物合建时，应设置独立的防火分区。

(3)控制室或机柜间应远离振动大或噪声大的设备，将操作室与机柜室分开房间布置，对建筑物采用隔声处理，使控制室操作台处测得的噪声量应不大于55dB。

(4)控制室内分别设置工作接地汇流排和保护接地汇流排，汇流排装与防静电活动地板下，然后将工作接地和保护接地汇流排接至电气预留的接地系统汇流点。

4 结语

石油化工在中国能源领域具有重要地位，石油化工装置的安全对社会及经济发展产生巨大影响。控制室的安全防护是保障装置安全的关键因素之一，随着化工技术、控制技术和建筑技术日新月异的发展，安全防护的内涵不断丰富。尤其是涉及到现有控制室的改造升级，需要设计人员和生产人员深刻领会安全规范的最新要求，运用安全模拟仿真技术，根据评估风险结果合理进行整改。