危险化学品“两重点一重大”的自动化控制和紧急停车系统

一、概述：

众所周知，化工生产、储存过程中的介质，多为危险化学品，有着易燃、易爆、毒性、腐蚀性的特点；并且多在高温、高压条件下操作。特别是大型化工装置，如：炼油厂、化肥厂等对自动化控制和安全联锁要求很高，一旦忽视此，即容易造成事故。例如：美国德克萨斯炼油厂“3.23”事故即为此例！

1.美国德克萨斯炼油厂火灾爆炸事故概述：

2005年3月23日中午1时20分左右，英国石油公司（BP）美国德克萨斯炼油厂的碳氢化合物车间发生了火灾和一系列爆炸事故。15名工人被当场炸死，170多人受伤。许多装置被毁，爆炸波及周围8平方公里的范围，造成重大损失。

爆炸的发生是由于操作人员向分馏塔中过量进料并过度加热分馏塔造成的，当爆炸发生时，分馏塔内的液位几乎超过正常值的20倍，分馏塔上的两套液位指示报警均失效！同时装置开车时水蒸汽或N2使塔内压力突然升高，使大量液态烃进入临近放空塔，从塔顶泄出，遇到发动着的汽车（点火源）发生燃烧和爆炸！

2.近年来国家安全生产监管总局多次发布相关文件对危险化学品“两重点一重大”自动化控制和紧急停车系统提出了严格要求，详细叙述如下： 二、法规和标准要求

1.安监总管三[2012]87号文《关于开展提升危险化学品领域本质安全水平专项行动的通知》在其工作目标中提到：“全面完成涉及重点监管危险化工工艺的化工装置、涉及重点监管危险化学品的生产储存装置和重大危险源（以下统称“两重点一重大”）的自动化控制系统改进，本质安全水平得到明显提升；对未经过正规设计的在役化工装置进行安全设计诊断，全面消除安全设计隐患……”。在其重点任务中要求加快涉及“两重点一重大”企业的自动化控制系统改进工作。

2.“第一个重点”是：重点监管的危险化工工艺。

（1）2009年安监总管三[2009]116号文《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》中列出了15种重点监管的危险化工工艺

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装置要在2012年底前全面完成自动化控制系统改造。这15种重点监管的危险化

1光气及光气化工艺；○2电解工艺（氯碱）；○3氯化项目；○4硝化工工工艺为：○

5合成氨工艺；○6裂解（裂化）工艺；○7氟化工艺；○8加氢工艺；○9重氮工艺；○

10氧化工艺；○11过氧化工艺；○12胺基化工艺；○13磺化工艺；○14聚合工艺；○15艺；○

烷基化工艺。

116号文中详细地说明了这15种的典型工艺、重点监控的工艺参数、安全控制的基本要求和宜采用的控制方式。对此，黑龙江省安监局、发改委、工信委、住建厅四单位联合发出了《关于印发黑龙江省提升危险化学品领域本质安全水平专项行动实施方案的通知》（黑安监联字[2012]9号文）。截止目前，我省59个在役重点监管危险化工工艺装置已全部完成了自动化改造工作。

（2）今年安监总管三[2013]3号文《国家安全监管总局关于公布第二批重点监管危险化工工艺目录和调整首批重点监管危险化工工艺中部分典型工艺的

1新型煤化工工艺；○2电石生产工艺；○3通知》中又补充了3个危险化工工艺：○

偶氮化工艺。调整了8个重点监管的危险化工工艺。3号文中详细地说明了这些典型工艺、重点监控的工艺参数、安全控制的基本要求和宜采用的控制方式。文中要求涉及第二批重点监管危险化工工艺的化工企业在2014年底前完成自动化改造工作。到目前需要重点监管的危险化工工艺已达18个。

3.“第二个重点”是：重点监管的危险化学品名录。

（1）2011年，安监总管三[2011]95号文《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化学品名录的通知》中列出了氯、氨等60个重点监管的危险化学品名录，同时要求相关企业装备功能完善的自动化控制系统。同年安监总管三[2011]142号文中给出了首批重点监管的危险化学品安全措施和应急处理原则。

（2）今年又公布了安监总管三[2013]12号文《第二批重点监管危险化学品名录的通知》。列出了氯酸钠、氯酸钾等14个重点监管的危险化学品名录，同时给出了安全措施和应急处置原则。文件还要求相关企业积极开展涉及重点监管危险化学品的生产、储存设施自动化监控系统改造提升工作，高度危险和大型装置要依法装备安全仪表系统（紧急停车或安全联锁）并确保2014年底前完成。

4.“一重大”是：危险化学品重大危险源。

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（1）2009年发表了《危险化学品重大危险源辨识》GB18218-2009。标准的全部技术内容为强制性的。

（2）2011年国家安监总局第40号令做出了《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》，此规定第三章第十三条要求：

（一）重大危险源配备温度、压力、液位、流量、组分等信息的不间断采集和检测系统以及可燃气体和有毒有害气体泄漏检测报警装置，并具备信息远传、连续记录、事故预警、信息存储等功能；一级或二级重大危险源，具备紧急停车功能。记录的电子数据的保存时间不少于30天。

（二）重大危险源的化工生产装置装备满足安全生产要求的自动化控制系统；一级或二级重大危险源，装备紧急停车系统（ESD）。

（三）对重大危险源中的毒性气体、剧毒液体和易燃气体等重点设施，设置紧急切断装置；毒性气体的设施，设置泄漏紧急处理装置。涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或二级重大危险源，配备独立的安全仪表系统（SIS）。

（四）重大危险源中储存剧毒物质的场所或者设施，设置视频监控系统。以上措施可以有效地保证重大危险源的安全。 三、

化工生产、储存装置中的自动化控制与紧急停车系统。

下面就以上相关文件中对于“两重点一重大”提出的自动化控制和紧急停车系统做个介绍：

（一） 概述：

1.自动化控制定义：利用自动化仪表对工艺过程中的参数，如：温度、压力、物位、流量、成分等进行监测和控制。

2.自动化是保证生产装置生产安全操作、平稳运行、提高效率（高产、低耗）的基本条件和重要保证。工业自动化仪表技术包括生产工艺过程中各种工况的检测、转换、显示和控制。

3.自动化仪表的分类：自动化仪表可简单地分为检测仪表、显示仪表、控制仪表、执行器四大类。如图所示：

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检 测 仪 表 流量 压力 物位 温度 成分分析 显 示 仪 表 控 制 仪 表 基地式调节器 气动单元组合仪表 电动单元组合仪表 集散型控制系统DCS 可编程控制器PLC 可编程调节器 工业控制机IPC 组装式仪表 计算机控制系统 安全控制系统FSC 指示仪

记录仪累计器信号报警器 屏幕显示器 4.自动化仪表的主要品质要求：

1精确度：测量值与实际值的误差大小。 ○

2灵敏度：表示仪表对被测介质的参数变化的灵敏程度。 ○

3变差等。 ○

5.工业控制仪表的发展：工业自动化仪表已从模拟仪表技术真正步入数字化和智能化技术领域。

（1）模拟仪表：包括基地式仪表，单元组合仪表（气动、电动）和组装式仪表。

1基地式仪表： ○

此仪表是把测量、显示、调节所有功能组装在一块仪表内。是工业自动化仪表早期发展的产物，现在已经很少使用。

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执行器 气动调节阀 电动调节阀

2单元组合仪表：国内生产的单元组合仪表主要为电动单元组合仪表DDZ-○

Ⅱ型（已淘汰），DDZ-Ⅲ型和气动单元组合仪表QDZ-Ⅳ。

（2）数字式控制仪表：包括智能数字化仪表、集散型控制系统（DCS），可编程控制器（PLC）及工业控制计算机（IPC）等。

1智能数字化仪表：○是利用微处理技术制成的一台数字化仪表，可以对被测

参数进行测量、显示及控制，多用于小型装置或辅助生产装置，如水处理装置、换热站等。

2集散型控制系统（DCS） ○

作为当代先进科技结晶的集散型控制系统（DCS），自1975年问世以来，经过30多年的改进、发展，已经成为一种相当成熟的控制仪表。DCS的重要特点是把过程控制、监视、信息管理有机地结合在一起，采用开放系统和标准的通讯协议，解决了不同厂家产品设备的互联问题。由于采用了功能强大的工作站和32为微处理器，增加了程控、批量控制的能力。

新一代的DCS更注重于信息网络和管控一体化，技术特点体现在： a.单元结构功能齐全； b.完善的控制功能； c.丰富的窗口技术；

d.速度＞5~10Mbps的局域网通讯；

e.采用通用化的UNIX或Windows操作系统，资源共享，信息集中管理，管控一体化；

f.采用冗余、容错技术，故障自诊断技术，可靠性高； g.组合灵活，扩展方便。

现代DCS的基本设计思想是信息集中、控制分散、配置灵活、组态方便。

3可编程控制器（PLC） ○

可编程控制器（PLC）是与DCS同期发展并取得广泛应用的数字式控制仪表。PLC早期开发的目的是为了取代继电器，实施程序（逻辑）控制。通过编程进行逻辑运算，大大地提高灵活性。PLC进行逻辑运算速度非常快，在逻辑控制上明显占有优势。随着微电子技术的发展，PLC自身也在不断提高技术性能，拓宽应

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用范围。多数PLC采用高性能处理器及实时多任务操作系统，在更快速地进行逻辑控制的同时也普遍增加回路控制功能，向DCS应用领域渗透。

现代的PLC技术特点是：

a. 功能齐全（逻辑控制，回路控制）； b. 网络通讯功能增强； c. 具有丰富的图形显示功能；

d. 编程标准化有利于PLC系统开放化。

4工业PC机： ○

近年来，工业自动化领域另一项发展很快的数字控制仪表是工业PC机控制（IPC）。

IPC采用的是通用的微处理器（CPU），可以具有很强的运算功能和速度。通讯采用标准化总线，有丰富的图形显示及多媒体技术，采用通用性强的UNIX或Windows实时多任务操作系统，可提供方便、友好的人机画面。IPC较之原来的PC机在可靠性、抗干扰能力、模板设计方面都有了很大改进。由于PC机价格低廉，所以IPC具有很好的性能价格比。

IPC采用的是模块化结构，系统构成，拓展十分灵活。由于它具备的优点及性能，且可靠性在不断提高，在过程控制中会得到进一步的推广应用。

6.工业过程安全控制仪表的发展

随着生产装置大型化、生产操作复杂化，对生产过程安全控制的要求越来越高。安全控制的目的是：

1避免人员或生产设备的损伤； ○

2避免由于事故造成的环境污染； ○

3减少事故停车的损失。 ○

安全控制一般包括两方面内容：

1信号报警：这是警告操作人员，生产操作已偏离正常工况，应引起警觉；○ 2联锁/停车系统，这是当生产将要发生事故时而采取的紧急措施，避免事○

故的放生，保障操作人员和相关设备的安全。

在早期的石油化工装置中，信号报警采用闪光报警器，联锁/停车系统则大多选用继电器或固态逻辑插卡。由于DCS、PLC的出现，信号报警和联锁、停车

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系统的实施有了新的发展，微处理器为报警信息储存、快速处理提供了良好的手段。

在考虑信号报警和联锁、停车系统设计时，应该遵循下列原则：

1系统的构成可选用有触点或无触点回路，但必须动作可靠。 ○

2信号报警节点可利用仪表内部节点也可另外设置报警接点。○重要的报警点

和联锁、停车用的接点则应单独设置。

3联锁、停车系统动作前应设置预报警信号。为确保安全，重要的联锁（停○

车）故障检出器应设置两个或三个以上经逻辑“或门”发出信号，即2取1或3取2系统。

4设置联锁（停车）投用和解除开关。 ○

对于安全性要求较高的生产装置，常常要求设置单独的紧急停车系统（ESD）。构成ESD的安全仪表系统有继电器、固态逻辑电路、PLC系统。

继电器型ESD可靠性高，不受大多数干扰影响，一次费用也较低，缺点是体积大，修改、扩展灵活性较差，在早期的ESD上使用较多。

固态逻辑电路组件型ESD克服了继电器诸多缺点，但价格偏高，程序不易修改。

PLC型ESD由于具有方便灵活的编程功能，以采用冗余、容错技术和故障自诊断技术大大提高了可靠性，已经成为近期ESD主选系统。

对于安全要求更高的生产装置，则应选择硬件、软件都可以冗余配置的专用故障安全控制系统，它能做到：

1故障发生后，系统有足够的时间进行自诊断，发出故障信息，引起警戒，○

可及时排除故障；

2采用容错技术，将被动故障转化为主动故障； ○

3采用冗余技术实施故障隔离； ○

4软件方面有充分的故障安全措施。 ○

7.安全仪表系统（SIS）：

安全仪表系统国标上通用的标准为：

IEC 61508：主要用于安全仪表系统制造和供应商。 IEC 61511：主要用于安全仪表系统设计、集成和用户。

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而我国此前有中石化行业标准：SH/T3018-2003 《石油化工安全仪表系统设计规范》，目前已上升为国标GB/T50770-2013，并在9月1日起实行。

（1）定义：安全仪表系统（SIS）是用仪表实现安全功能的系统，系统包括传感器、逻辑运算器，最终执行元件及相关软件。

安全仪表系统（SIS）也称为紧急停车系统（ESD）、安全停车系统（SSD）、安全联锁系统（SIS）或安全保护系统（SPS）。

安全仪表系统宜采用经权威机构认证的可编程控制系统（PLC）。 （2）设计原则：包括可靠性原则、可用性原则、独立型原则、故障安全原则、冗余原则、诊断与在线维护原则和联锁与复位原则。下面着重讲3个主要原则：

1可靠性原则： ○

为了保证工艺装置的生产安全，安全仪表系统必须具备与工艺过程相适应的安全度等级SIL（Safety Integrity Level）的可靠度。对此，IEC 61508等标准有详细地技术规定。对于安全仪表系统，可靠性有两个含义：一个是安全仪表系统本身的工作可靠性；另一个是安全仪表系统对工艺过程认知和联锁保护的可靠性，还应有对工艺过程测量、判断和联锁执行的高可靠性。评估安全度等级SIL的主要参数就是平均危险故障率范围（PFD），按其从高到低依次分为1~4级，在石化行业中一般涉及到的只有1、2、3级，因为SIL4级投资大，系统复杂，一般只用于核电行业。而安全度等级SIL是基于对工艺过程进行危险和可操作性研究（HAZOP）来评估的。

2独立性原则： ○

安全仪表系统应独立于基本过程控制系统（BPCS，如DCS、FCS、CCS、PLC等），独立完成安全保护功能，它的传感器、逻辑表决器和最终执行元件应单独设置。如果工艺要求同时进行联锁和控制，安全仪表系统和BPCS应设置独立的传感器和取源点（特殊情况除外，如配置3取2传感器，进行DCS信号3取中，进安全仪表系统3取2，经过信号分配器公用传感器）。安全仪表系统应能通过数据连接以只读方式与DCS通信，禁止DCS通过该通信连接向安全仪表系统写信息；还应配置独立的通信网络，包括独立的网络交换机、服务器、工程师站和顺序事件记录（SER）站等；另外应采用冗余电源，由独立的双路配电回路供电并

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避免安全仪表系统和BPCS的信号接线出现在同一接线箱、中间接线柜和控制柜内；同时阀门不应配备手轮。

SIS与基本过程控制系统的区别：基本过程控制系统（BPCS）与SIS是流程工业中广泛应用的两种类型的系统，在功能上有着明确的分工，其区别见下表所示：

表：BPCS与SIS的区别

内容 BPCS SIS 监视生产过程的状态，判断危险条件，发生危险时将生产过程自动带入安全状态 防止风险的发生或者减轻风险造成的后果 基本控制功能 执行常规正常生产调节控制功能：PID和过程顺序控制 目的 保证生产过程正常、平稳，以及产品的产量和质量 运行状态和作用方式 主动的、动态的和连续的 被动的、休眠的和瞬间的 系统状态诊断 控制系统自诊断，检测和控制回路在应用中发现故障 系统及回路通信的自诊断和安全控制回路的定期测试 3故障安全性原则 ○

当安全仪表系统的元件、设备、环节和能源发生故障或者失效时，系统设计应当使工艺过程能够趋向安全运行或者安全状态，即系统设计的故障安全性原则。能否实现“故障安全”取决于工艺过程及安全仪表系统的设计。例如：安全仪表系统的传感器、逻辑表决器和最终执行元件应为失电/非励磁联锁；用于报警/停车的接点在正常操作过程中应当处于闭合状态，在报警/停车时打开。

四、下面介绍两个自动控制和紧急停车系统（ESD）的实例：

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（一）甲醇氧化生产甲醛装置中的自动化控制与紧急停车系统（ESD），此装置为重点监管的危险化工工艺（氧化工艺）装置。

1.工艺简介：由原料泵来的甲醇进入蒸发器，被加热成甲醇气体，与罗茨风机送来的空气（O2），再与蒸汽按一定比例混合进入氧化反应器，再触媒作用下生成甲醛气体；经吸收塔由水吸收后成为甲醛水溶液产品。

2.利用集散控制系统（DCS）对生产过程进行监控：

甲醛生产中的空气质量流量、甲醇质量流量、配料蒸汽质量流量给定值与测量值差闭环调节系统；氧化温度走势与理想反应温度曲线逐点氧化过程记录和温度调控曲线记录；采用甲醇浓度法跟踪记录氧化反应温度；由热水变频泵实现蒸发器甲醇蒸发量的恒定；废热锅炉汽包液位自动调节、报警等。

3.ESD应用之一：

当氧化反应器反应超温40oC以上时，声光报警，此时采取自动降低风机变频器运行频率，达到减少进入反应器的空气量（O2量），使反应温度下降；若在一定时间内氧化反应器反应温度不能回落到正常范围，紧急联锁甲醇供料停止；风机变频器运行停止；蒸发器热水泵停止；蒸汽配料阀门关闭--实现自动停车。待消除故障后，经操作人员确认，手动恢复开车。

（二）石油库的自动监控与安全联锁系统： 此例子为对重大危险源的自动监控和安全联锁。

1.一般在石油库的罐区应设置各油罐液位指示及高低限报警；装卸车栈桥应设置流量计；还可以按具体情况设置视频监控系统及可燃气体检测报警系统。

2.2012年4月27日，安监总局、国家发改委、工业和信息部、公安部、环保部、交投运输部、国资委七部门磋合下发了《关于组织开展石油库安全专项检查的通知》（安监总厅管[2012]57号文）。通知中要求对石油库一级库及二级库（均构成重大危险源）如下要求：

1设置液位计等仪表控制系统（液位指示及报警）； ○

2超高限液位自动联锁关闭措施； ○

3超低限液位自动联锁停泵措施； ○

4油品泄漏和火灾自动检测及报警系统； ○

5自动操作阀门要有手动操作功能。 ○

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通过对若干石油库的安全检查发现：大多数油库油罐上设有液位计和高、低限报警装置。但均没有设立超高限液位自动联锁关闭措施和超低限自动联锁停泵措施。

有些小油库甚至在油罐上没有设置液位计，还在用检尺法测量油罐液位，这些油罐必须安装液位计和高、低限报警装置。但由于此类油罐正在运行中，所以无法在罐体上动火开孔安装液位计。解决方法可在人孔盖板上开孔安装液位计，并以雷达液位计为宜。

另外还有一些在役的涉及重点监管的危险化工工艺的小企业装置上仅有就地指示的压力表、温度计，不符合安全要求，必须按文件要求进行整改。

王金林 2013.4.5

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