化工企业危险工艺自动化控制及安全联锁改造研究

＊王拥军

（中石油乌鲁木齐石化公司计控部 新疆 830019）

化工工业在我国国民经济中占据着十分重要的地位，化工工业涉及能源、冶金、医药、石化和煤化工等众多分支，其产品涉及人民、社会的各个方面，在国家经济中起到举足轻重的地位。自“十三五”以来，我国的化工工业保持着高速增长，其行业收入和经济效益也在快速增加，据国家统计局公布的数据显示，截止2020年年底，我国化工规模以上企业实现主营业务收入超过7.58万亿元，实现经济利润超过4385.4亿元。尤其2020年以来化工工业经济收入和利润率不断增加，促进我国化工行业结构日趋完善，企业经济效益持续改善，其盈利能力也不断增强。

随着化工工业规模、效益和科技水平的不断增加，企业的自动化水平也在不断增强，但是各个企业之间的自动化水平在一定程度上还有着很大的差距，尤其是小规模企业自动化水平的应用程度相对不高。而且化工工业一般生产过程复杂，所接触的物料一般为易燃、易爆、具有腐蚀性和污染环境、对人体有害的特点，其工艺一般伴随着放热的化工反应，需要特定的高温、高压环境，生产过程伴随着各种不确定的因素、变化范围过大的问题。随着生产装置规模化和自动化科技水平不断增加，生产科技自动化控制水平在保障生产安全运行、在线检测、自动化控制和节能降耗和风险预警等各个方面都起到重要的作用。

1.我国化工行业事故统计分析

我国属于化工工业大国，其中化工行业产值占到全球化工总产值的40%左右，中小企业占比80%以上，小企业的安全自动化和自控率较低，在高速发展的同时也伴随着高隐患、高风险的系统性风险。根据国家统计局公布的数据显示，化工行业自2015年以来一共发生10起特别重大安全化工事故，尤其是2017年至2019年以来一共发生7起特别重大化工安全事故，平均下来每年都会发生2-3起大的安全事故。其中以2018年度化工行业安全事故类型进行统计分析，如图1所示。

图1 2018年化工各类安全事故类型统计分析图

从图1可以看出各类化工事故类型和所占比例，从事故类型的分布情况看，中毒和窒息事故起数最多，其次是爆炸和高处坠落。从事故死亡人数看，爆炸事故死亡人数最多，其次是中毒和窒息、高处坠落事故，三类事故共计占到全年总事故起数和死亡总人数的48.9%、66%。因此，中毒和窒息、爆炸、高处坠落是化工事故的防范重点，要着力防范化学爆炸事故。

2.我国化工行业常用自动控制和安全联锁简介

目前我国化工行业生产过程自动化控制和安全联锁主要可以分为三类，一是从开关顺序控制开始，从头到尾进行的可编程化控制器；二是由生产过程和监控设备构成的，以网络通讯为纽带的计算机为代表的DCS系统集成联锁控制系统；三是以安全仪表系统、安全联锁保护系统、安全停车系统和安全保护系统为基础的ESD紧急停车系统（如图2）。

图2 安全联锁

3.化工自动化控制及安全连锁技术分析

(1)化工行业危险工艺危险性辨识分析

化工行业中的危险工艺一般是指能够导致中毒和窒息、爆炸和火灾等安全事故的生产工艺，包括：氧化、烷基化、氯化、加氢、聚合、氟化、硝化、磺化、氨化、催化裂解、重氮化和过氧化的化学反应。其生产过程需要特定的高温、高压或者特定条件下才能发生化学反应。危险工艺其生产涉及易燃、易爆和高腐蚀性的危化品，需要对易燃易爆、低闪点的危化品进行储存、生产经营，主要发生的安全生产事故包括：中毒和窒息、火灾、爆炸。

(2)人工操作控制危险性辨识分析

根据化工行业生产过程的特点，可以根据化工生产装置的危险性大小将化工风险分为低中高三级危险性，生产过程中的操作、压力、温度、介质、流量（容量）五个基本危险要素。主要是根据安全系统工程原理，人的不安全行为排在第一位风险，在生产过程中人工手动操作中，因人的误操作而导致人员伤害的安全事故。由于人受到思想意识、外界环境、精神状态等因素的影响，精神状态无法专注，无法严格按照生产的操作规程对生产过程进行工艺指标控制，稍有不慎就会发生温度、压力、进料量、液位操作失误，发生超温、超压和溢油进而发生火灾、爆炸和中毒等安全事故。在化工生产过程中因所受工作环境的影响，易发生职业健康危害，增加了化工生产中人工操作的危险性。

(3)自动化控制在化工行业中的应用

化工反应器属于化工行业中具有较高风险的化工设备（如图3），其对生产过程工艺存在着对液位、压力、温度和流量的严格要求，其工艺过程复杂而反应步骤紧扣，在其工艺过程中采用自动化控制进行安全风险预警和检测报警系统及其安全生产运行联锁设备对其进行安全防护。一是，自动化控制系统在化工工艺生产过程中对其温度进行实时检测和控制，在化工反应器、蒸馏塔、换热器等反应设备中利用自动化控制技术对其温度进行自动调节和控制，在其温度与系统设置的标准不相符时，进而触发自动化控制系统进行紧急切断联锁，避免因控制指标不符合标准而发生化工安全事故。二是，自动化控制系统对化工工艺流量进行严格控制，严格控制反应过程中对介质流量，通过计算机和自动化控制系统对反应物质进行科学和客观的控制，避免人为操作失误，提高科学、标准化的严格控制过程。

图3 化工反应器

自动化控制系统可以对化工反应器进行实时检测，依据前期自动化控制系统中人工设置的参数为标准对化工反应器中的压力进行实时的检测和调节、控制，保证其处于特定的稳定所需状态。如化工反应器发生超压情况下，通过自动化控制系统采取及时的安全措施，采取安全联锁系统关闭化工反应器的进料、开启相应的泄压系统，保持化工反应器所处的压力保持在特定条件下，可以有效的保证化工反应器处于安全状态，避免人为误操作和不安全状态，提高其化工反应器安全运行效率。

4.化工工艺中安全连锁改造分析

(1)化工工艺危险因素分析

化工行业中所接触的各类物料、产品以及中间品一般都具有一定的危险特定，需要对其进行全面而系统的风险辨识，对其物理、化学和生物的特性进行学习，辨识出其可能发生的危害类型、危害程度，利用计算机和自动化控制系统根据其化工工艺过程中的风险系数为标准进行安全联锁设计。对化工工艺过程中所涉及的反应器、泵、塔、槽等主要设备根据其设备的新旧程度、物料在其反应状态进行安全风险分析；根据化工工艺过程中所涉的风险系数为依据进行安全风险辨识分析，对其所涉及的反应流程、反应步骤进行一一辨识和分析，确定化工工艺过程中所涉及的主要化工反应以及其中包含的风险因素。

(2)制定危险化工工艺安全联锁改造方案

图4 安全联锁改造

对危险化工工艺中的自动化控制，一是，可以与计算机和自动化控制系统专业技术人员合作，根据化工工艺的特点和工艺流程，以及化工工艺过程中工艺重点控制点和安全联锁点，对其采用DCS集成控制系统、PLC可编程控制器以及ESD紧急停车控制系统。二是，根据化工工艺联锁控制点、设备工艺参数点对其装置中所涉及的控制点采用SIS安全仪表控制系统。三是，依据易燃易爆介质的储罐参数设计和储量、介质，进行安全联锁控制设计，确定安全设施的安装数量和位置。四是，安全设施、自动化控制系统和安全联锁的设计、安装和调试必须由具有其资质设计单位和专业人员进行设计、安装和调试，并对日常操作人员和安全管理人员进行安全培训，培养其属于自己的安全技术人员，保证其安全技术人员数量和素质。

5.结论

根据当前化工行业安全生产活动，以及重特大化工安全事故，造成了人员伤亡、财产损失、环境污染，对和谐发展和稳定的社会秩序造成了严重的影响，不利于实现中国梦和人人共同富裕的目标。化工工艺过程实现自动化控制可以使化工工艺过程更加安全、便捷和精细化，实现特定控制点温度、压力、液位、流量的实时检测。生产过程中需要对其温度、压力、流量和液位进行严格的控制，而设备的不安全状态、人员误操作的不安全行为和安全管理水平的限制都为危险化工工艺过程增加了不确定性，对化工危险工艺过程进行自动化控制设计，实现其科学、合理的安全联锁控制，保证其化工工艺过程处于可控安全安全状态，降低其过程中的风险，避免发生化工安全事故，保证安全生产状态进而提升安全生产效率和经济效益。