化工设计中安全装置的影响与选用研究

万 滴，曹泽俊

（1.苏州鑫晶人工智能技术研发有限公司，江苏苏州 215125；2.中城投荣欣（浙江）建设集团有限公司，浙江杭州 310020）

在开展化工生产时，人们需要识别化工生产存在的所有危险因素，然后了解安全装置的影响，优化安全装置的应用。做好这些工作，能够控制生产安全事故发生的概率，降低生产中存在的危险系数[1]。

1 化工设计中安全装置设计针对性规定和标准

1.1 系统因素控制

1.1.1 工艺系统设计

工艺系统设计需要从以下几个方面强化安全设置：对物料进行详细的评价，结合它们自身的特质和使用，列出安全因子；把握好使用过程条件的评价，比如一项物料在使用时，是否会产生危险因素，废料能否被有效利用等，把工艺系统在生产时存在的危险因子列出来；保证单元间的安全衔接，即每道工序在衔接时是否存在安全问题，这也是需要被列出来的安全因子；密封系统在密封时是否存在工艺难点，致使危险系数增加[2]；系统中是否存在其他危险介质进入系统，如果周围的环境存在危险因子，那么会引发安全问题；分析设备在使用时是否存在安全危险，当前人们应用分析参数变化的方式来评价是否存在安全隐患，而如果没有科学设定参数也会引发安全事故。建立安全系统，就是要把所有系统在运行中出现的安全因子列出来，并加以控制，这是把工艺系统安全设计量化的方法[3]。

1.1.2 仪表及自动控制设备设计

操作员需要通过监测仪表的数据来分析系统运作的情况，那么仪表的数值显示将影响着操作员的判断，它的控制设计将影响设备的操控。仪表及自动控制设备设计需要从以下几个方面做好安全控制：（a）动力系统，做好事故电源控制和气源控制，避免失去了能源驱动装置出现安全事故。（b）使用环境的控制，应用设备自动采集周围环境数据，比如有害气体浓度、生产环境的温度、湿度等数据，一旦可能存在安全隐患，能够及时预警。（c）仪表设备的精确度控制，这需要建立一套仪表设备的动态维修制度，令生产中使用的仪表功能正常且没有安全隐患。（d）特殊位置的仪表设备选用，比如易爆炸危险区域的仪表，需要具备防爆炸、防高温的功能，令它们能够在危险区域内不受外在因素的影响[4]。

1.2 装置因素控制

装置因素控制，是指在装置的过程中控制好一切的因子，令装置环节不会出现安全隐患，这是让系统安全使用的基础。可以从以下几个方面优化电气装置设计：做好备份电源设计，强化系统能源使用的衔接，出于种种因素，化工生产中可能出现能源中断的问题，此时如果做好能源衔接设计，就能避免系统使用时出现危险，比如给系统设计双电源，让能源使用无缝切换就能提高稳定性；做好能源的安全保护，避免在能源中出现火灾。比如有些设备在雷电等情形下，会出现绝缘体被击穿，导致火灾事件。在设计系统时，需要优化防雷设计。做好安全区域等级分类，对于低危险系数区域，做好相应的安全保护措施及日常的监控工作。对于高危险系数区域，则要优化报警系统，疏散装置设计，以便及时了解是否出现安全隐患及当安全事故发生后能减少安全事故带来的影响；优化变频技术使用，应用这种技术，能够让功率与设备的运作需求一致，并能智能化地处理安全事故，使设备在使用时，安全性增加。

1.3 安全因素控制

化工生产需要控制的安全因子有很多，从整体来说分为以下几类，需要对引起以下几类的安全因子进行控制：火灾爆炸安全因素，在生产中，大量的化学原料在使用时，如果浓度失去控制，则会引起火灾事故；反应性危险因素，在生产中，化工产品会发生化学反应，会在生产时拟定控制的方案，然而各种内在或外在因素，可能让反应出现安全失控；化工原料及它们在反应时会产生有毒的化学物质和气体，工作人员长期处于这一环境便会出现中毒安全事故。严重的中毒事故不仅会对人身安全造成极大的危害，而且化工生产也会受到影响。

2 标准性规定的工程选用设计

2.1 仪表自动控制选用

为了说明仪表自动控制选用的方法，现应用西门子公司的PCS7作为控制系统，CPU选择 S7-400系列的 CPU 416-2。安全仪表系统选择西门子公司 S7-400系列 PLC，CPU选择CPU 416-2FH。优化设备的选择，能够提高系统控制的水平。表1为这套设备的基础过程控制系统ET200M I/O模块选型。

表1 基础过程控制系统ET200M I/O模块选型

当前人们应用智能化的方式对仪表进行操作，并监控仪表的参数，还提出集成化控制仪表的要求。表2为安全仪表系统控制系统ET200M I/O模块选型。

表2 安全仪表系统控制系统ET200M I/O模块选型

以上系统控制系统的模块选型均能满足系统控制的要求。

2.2 供电系统设计

该次化工设备的加热炉为一级一类的负荷，为了强化供电系统的稳定性，该次的供电系统设计见图1，每级都配备了后备电源，应用了多回路配电方式。

图1 供电系统设计

2.3 危险因子的控制

为了对每个生产环境的危险因子进行控制，现应用以下的流程对危险因子进行识别和控制。

（1）前期准备

制定安全评估计划；收集法律、法规、规章、规范等文件。

（2）评价事故发生的可能性及危险程度

现场勘察、系统收集项目资料；危险和有害因素辨识、分析；事故发生的可能性及危害程度；可能受事故影响的周边场所及人员情况。

（3）重大危险源辨识及分级符合性分析

全面收集重大危险源辨识特征；对重大危险员分析

（4）提出安全管理、技术应用及监控措施

针对安全管理需求提出全管理、技术应用及监控方案，应用信息技术对危险源进行全面监控。

（5）事故应急措施

提出事故应急预案，如果发生了事故，则监制系统给出应急方案。

（6）安全评价

进行动态评价，让人们了解当下的安全情况。

（7）编制安全评价报告

相关研究表明，当辅路行车速度在30km/h以下时，主线出口的通行能力的提高与辅路速度的增长呈明显正相关性；行车速度在30km/h以上时，主线出口的通行能力和辅路速度的关系就基本保持稳定，不再随辅路行车速度提高而提高。因此，辅路行车速度宜控制在30km/h以上。根据城市道路规范规定，快速路辅路设计速度宜为主路的0.4～0.6倍。因此，主路与辅路速度差不宜过大。

排除安全因子后，要求工作人员编制安全评价报告。

（8）安全评价报告审核

应用内部审核的方式对安全事故发生进行全面审核，提取安全因子分析。

（9）优化安全评价系统

结合安全事故的发生，优化安全评价系统，定期评价这套系统实施的效果，而这套系统效果的实施需要由专人负责。

2.4 安全因子的监控

建立安全因子的监控系统见图2，应用智能化的预警系统对安全因子进行全程监制，如果发现安全危险因子，则即时给出预警并自动提出危险因子控制方案。

图2 安全因子的监控系统

2.5 冷换装置选用

2.5.1 冷换装置选用依据

2.5.2 冷换装置选用技术使用的设计

（1）冷换装置的物理保护方法

物理保护方法就是指分析物理因子的影响，提高冷换装置使用的安全系数，较为常见的保护方法为：优化环境设计，减少外部环境对冷换装置的腐蚀；优化冷换设备工作载荷设计，避免高强度的运作对材料产生腐蚀作用；优化冷换设备管理，做好动态检修，让冷换装置维持良好的工作状态。

（2）冷换装置的化学保护方法

化学保护方法就是指分析化学因子的影响，提高冷换装置使用的安全系数。较为常见的保护方法为：选择耐腐蚀材料，当前人们已经为化工生产研发了各种耐腐蚀的新型材料，比如不锈钢钛铝就是一种很好的耐腐蚀材料，人们需要结合需求把这些材料应用于冷换设备中；优化防腐涂料的应用，在设备中使用特殊的添加剂，包括缓释剂、中和剂等，做好设备的保护，过去人们就已经使用了这种方式来优化冷换装置的设计，随着科学技术的发展，人们研发了更多新技术及积累了更多应用经验。比如人们发现虽然现在已经研发出了大量防腐涂料，但是在应用时存在两个问题：①在高温环境下防腐涂料易分解，从而功能受到了影响；②它的应用对涂抹工艺存在要求，部分技术人员由于在操作时出现了技术缺陷，导致涂层不均匀，冷换装置的防腐效果存在差异性。将使用环境和工艺技术标准化、规范化，是人们继续研究的方向。

（3）冷换装置的电化学保护方法

做好电化学保护设计，应用电化学转换的原理做好安全保护，是科学技术发展的背景下，做好安全保护的新思路。当前较为常见的冷换装置的电化学保护方法分为两种：应用阳极保护的方法需要花费更多应用成本，并且需要消耗大量的能量，并且这种技术不适于应用氯离子浓度高的环境及应用存在限制；阴极保护存在耗电量多，并且各个管径深处存在阴极保护不完整的缺陷。结合我国实际应用的需求，我国现在应用牺牲阴极保护的电化学技术，然而为了提高应用效果，这项技术的应用方法还在继续研究中。

2.6 应用正交试验了解设备腐蚀速率关键因子技术使用的设计

正交试验能够根据实际炼油工艺的产出物分析冷换器是不是被腐蚀。这种实验原理为设定对设备防腐有影响的因素：温度、氯离子浓度、PH值、氯化钠浓度。通过做正交试验，对这四种试验因素进行分析，应用数学模型分析影响冷换器防腐性能的关键因素。应用这样的方式，人们可以了解冷换器的哪些零部件存在腐蚀及腐蚀后产生的危险因子是什么。比如先应用正交试验的方法对 SGBO1 型冷换器的腐蚀情况进行分析。按照实际工况条件来设定参数，先将参数设置为：氯离子浓度为 0.009～0.02mol/L、环境温度按照25～60℃进行设置、pH为5～9。将每个试验因素按照不同等级选取实验数据组成正交试验方案表。然后应用Powersuite软件对比分析将正交试验结果与3种不同材料方案进行联合对比，而在冷换器中应用了20、16Mn、304这3种不锈钢材料，通过对比的结果可以了解这三种不锈钢材料是不是被腐蚀。因为3种材料被腐蚀过后的电位数值是存在差异的，对比理论数据和实际数据就能对材料的腐蚀情况进行评估。

3 结束语

从化工安全装置设计中常见的危险因子进行分析，并说明了针对这些安全因素优化安全生产的装置选用方法，然后从不同方面和角度对安全装置设计应用的要点，通过举出具体案例的方法进行说明。对化工设计中安全装置的设计与选用进行优化的目的，是为了确保化工企业安全设计方案具有实效性，使安全设计和应用满足化工生产的需求，降低安全事故发生的机会。应用了这一研究成果，能够从提高安全系数角度出发提高经济效益，促进行业发展。