防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法

摘要

本发明涉及一种防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法，主要解决现有技术中安全性较差的问题。本发明通过采用一种防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法，包括如下步骤：(1)加热炉炉管流量低危险性分析；(2)确定安全仪表功能的SIL等级，在危险性分析的基础上辨识了安全仪表功能，采用半定量的保护层分析方法确定炉管流量低低联锁回路的安全完整性等级；(3)安全联锁系统设计的技术方案较好地解决了上述问题，可用于管式加热炉安全控制中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法。

背景技术

在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。对于加热炉，工艺介质受热升温的同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。当加热炉炉管流量过低时，可能造成炉管干烧而损坏，物料泄漏到炉膛内，可能发生燃爆，造成加热炉损坏，人员伤亡等。

加热炉炉管一般设置了流量低报警和流量低低联锁。但是，存在两方面的问题：一是安全控制方案不合理。常用的安全联锁的控制方案是：在各支路上安装各自的流量变送器，当任意两根炉管流量低于联锁设定值时，关闭燃料气。这样的安全联锁方法根本没有考虑由于结焦、调节阀误关闭等情况造成单支炉管流量低/无，炉管烧穿，物料泄漏的工况，加热炉存在潜在的危险，安全控制方案不合理。二是安全联锁系统设计不合理。设计一个安全联锁系统时，应该使该安全联锁系统具有正确的安全功能。此外，必须考虑安全仪表功能能够多好的被执行，安全完整性等级(SIL)关心的就是安全功能能够多好的得到执行。目前，设计人员通常凭经验配置安全联锁系统的传感单元、逻辑控制器和执行机构，未经过充分的危险与风险分析，造成安全联锁系统存在“过度联锁”和“联锁不足”的问题。

CN201010577606涉及一种安全仪表系统的功能安全评估方法，为对安全仪表系统进行可靠模拟、监控以及功能安全评估，并研究安全仪表系统共因失效的变化情况，方法包括：安全仪表系统对受控系统进行功能安全控制；对安全仪表系统进行初始风险分析，确定安全完整性等级；验证安全仪表系统是否达到所确定的安全完整性等级；改变安全仪表系统的组成结构或组成设备。

因此，有必要开发一种防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法，研究炉管流量低时，将加热炉导入预定安全状态，防止炉管烧穿，保护加热炉安全运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中安全性较差的问题，提供一种新的防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法。该方法具有安全性较好的优点。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法，包括如下步骤：

(1)加热炉炉管流量低危险性分析，采用过程危险分析或危险与可操作性分析方法，根据加热炉工艺技术规程和管道及仪表流程图，识别与分析炉管流量低发生的原因及这种偏差产生的后果，找出现有的保护措施并判定独立保护层是否满足风险降低要求，梳理现有的或建议增加的安全仪表功能回路；

(2)确定安全仪表功能的SIL等级，在危险性分析的基础上辨识了安全仪表功能，采用半定量的保护层分析方法确定炉管流量低低联锁回路的安全完整性等级，具体包括：1)确定初始事件频率；2)确定事故后果和目标风险，主要包括人员伤害风险、环境影响风险和财产损失风险三个方面；3)场景频率计算，使用初始事件频率、IPLs的PFD值，计算减缓后的场景频率；

(3)安全联锁系统设计，所述安全联锁系统由传感单元、逻辑控制器和最终执行机构组成，所述传感单元能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按规律变换成为电信号传送给逻辑控制器，所述逻辑控制器判断达到联锁值时，最终执行机构执行预定的动作，使装置进入预定安全状态。

上述技术方案中，优选地，LOPA的每一场景都有单一的初始事件，初始事件频率通常以每年发生的次数表示，初始事件分为三个类型：外部事件、设备故障、人的失效；为确定一致的初始事件频率，失效数据来源主要包括：1)行业数据；2)公司的经验，公司具有充足的历史数据用来进行有意义的统计分析；3)供应商的数据。

上述技术方案中，优选地，在LOPA中，对于后果，将评估其严重性的数量级大小；LOPA分析过程中，分析团队应该确定每个事故场景在安全、环境和财产方面减缓事件的可能性，依据企业风险矩阵，确定风险降低目标。

上述技术方案中，优选地，进行场景频率计算，还应考虑使能事件对后果频率的影响，将释放场景的频率乘以关注结果的概率，对计算公式进行修正。

上述技术方案中，优选地，按照IEC61511要求，对于安全仪表功能而言，传感器、逻辑控制器和执行机构应具有最低的硬件故障裕度。

上述技术方案中，优选地，配置安全仪表功能回路，应兼顾可靠性和可用性，在保障安全的同时，减少安全联锁系统误动作的概率。

上述技术方案中，优选地，传感器结构安全性：1oo2＞2oo3＞1oo1＞2oo2，传感器结构过程可用性：2oo2＞2oo3＞1oo1＞1oo2；阀门结构安全性：1oo2＞2oo4＞1oo1＞2oo2，阀门结构过程可用性：2oo2＞2oo4＞1oo1＞1oo2。

本专利能避免加热炉单炉管流量低的工况，有助于避免炉管炉管流量低安全控制方案不合理导致安全联锁系统无法正确完成其安全功能；有助于合理配置安全联锁系统传感单元、逻辑单元和最终元件的冗余结构，满足SIL等级要求，并具有良好的可靠性和可用性，避免由于加热炉炉管流量低可能产生的危险后果，保障加热炉安全运行，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程示意图。

图2为加热炉联锁方案图。

图3炉管流量低低联锁安全仪表功能回路图

图2中，1加热炉炉体；2加热炉炉管；3流量变送器；4安全联锁回路；5调节阀。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

一种防止管式加热炉炉管烧穿的安全控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

1、加热炉炉管流量低危险性分析

采用过程危险分析(PHA)或危险与可操作性分析(HAZOP)方法，根据加热炉工艺技术规程和管道及仪表流程图，识别与分析炉管流量低发生的原因及这种偏差产生的后果，找出现有的保护措施并判定独立保护层(IPL)是否满足风险降低要求，梳理现有的或建议增加的安全仪表功能回路。

2、确定安全仪表功能的SIL等级

在危险性分析的基础上辨识了安全仪表功能，采用半定量的保护层分析(LOPA)方法确定炉管流量低低联锁回路的安全完整性等级。

1)确定初始事件频率

LOPA的每一场景都有单一的初始事件，初始事件频率通常以每年发生的次数表示。初始事件一般分为三个类型：外部事件、设备故障、人的失效。

为确定一致的初始事件频率，有许多的失效数据来源，主要包括：1)行业数据，如《化工过程定量风险分析指南，第二版》(CCPS，2000)等；2)公司的经验，公司具有充足的历史数据可用来进行有意义的统计分析；3)供应商的数据。

2)确定事故后果和目标风险

主要包括人员伤害风险、环境影响风险和财产损失风险三个方面。在LOPA中，对于后果，将评估其严重性的数量级大小。LOPA分析过程中，分析团队应该确定每个事故场景在安全、环境和财产方面减缓事件的可能性。依据企业风险矩阵，确定风险降低目标(TMEL)。

3)场景频率计算

使用初始事件频率、IPLs的PFD值，计算减缓后的场景频率。以下为特定后果终点释放场景频率计算的常用方法，见公式1。

式中：——初始事件i造成C后果的频率；

——初始事件i的初始事件频率；

PFD_ij——初始事件i中第j个阻止后果C的独立保护层要求时的失效概率(PFD)。

进行场景频率计算，还应考虑使能事件(点火概率、人员暴露概率等)对后果频率的影响，将释放场景的频率乘以关注结果的概率，对方程1进行修正。以人员伤害后果为例，将得出的后果发生的频率与风险降低目标进行对比，便可得出SIFs的PFD值，进而确定SIFs的目标SIL。

式中：P_ig——点火概率；

P_ex——人员出现在影响区的概率；

P_s——伤害发生的概率。

PFD、RRF和SIL等级对应关系如表1所示。

表1安全完整性等级划分表

3、安全联锁系统设计

所述安全联锁系统由传感单元、逻辑控制器和最终执行机构组成，所述传感单元能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按规律变换成为电信号传送给逻辑控制器，所述逻辑控制器判断达到联锁值时，最终执行机构执行预定的动作，使装置进入预定安全状态。

按照IEC61511要求，对于安全仪表功能而言，传感器、逻辑控制器和执行机构应具有最低的硬件故障裕度，如表2和表3所示。

表2PE逻辑解算器的最低硬件故障裕度

表3传感器、最终元件和非PE逻辑解算器最低硬件故障裕度

SIL最低硬件故障裕度1021324应用特殊要求(见IEC61508-2010)

配置安全仪表功能回路，应兼顾可靠性和可用性，在保障安全的同时，减少安全联锁系统误动作的概率，对于传感器可按表4选取冗余结构。

表4某差压变送器不同冗余结构对比

注：以某差压变送器为例，计算λ_DU、λ_SU、TI、MTTR等相同参数情况下的要求时的失效概率(PFD)和误停车率(STR)，为SIF回路设计提供理论依据。

因此，传感器结构安全性：1oo2＞2oo3＞1oo1＞2oo2，传感器结构过程可用性：2oo2＞2oo3＞1oo1＞1oo2

采用相同的方法，对比阀门不同冗余结构的安全性和可用性，结论如下，阀门结构安全性：1oo2＞2oo4＞1oo1＞2oo2，阀门结构过程可用性：2oo2＞2oo4＞1oo1＞1oo2。

下面结合实例进行说明：

如图2所示，以由总管在炉前分为6路支管进入加热炉加热为例，每支炉管设有流量控制回路，加热炉设有流量低报警和流量低低联锁。

1、加热炉炉管流量低危险性分析

由于炉管结焦、调节阀故障关等原因，出现加热炉炉管流量低时，可能导致炉管干烧，炉管烧穿，物料泄漏到炉膛内，可能导致燃爆，造成人员伤亡、财产损失。

六支炉管分别设有流量变送器，转换成4-20mA电信号通过AI卡传送给逻辑控制器，逻辑控制器判定任意两个达到联锁值时(2oo6)，最终执行结构执行预定动作。这种控制方案无法避免单支炉管由于调节阀误关闭造成流量低的工况，因此采用单支炉管流量低低联锁的控制方案更加合理。

2、确定安全仪表功能的SIL等级

采用保护层分析方法，确定是否需要设置安全联锁系统，LOPA记录表格见表5.

表5LOPA分析表

1、初始事件：1a.控制回路故障导致FV1A关小或关闭，1b.发生频率f＝0.1；

2、后果：炉管烧穿，物料泄漏，可能导致加热炉爆炸，1-2人死亡，根据《中国石化风险矩阵》(Q/SH0560-2013)，可以确定后果等级为D；

3、目标风险：按照风险矩阵要求，需要将目标风险降低到TMEL＝10^-6；

4、促成后果的条件：人员暴露在危险环境的概率P＝0.1；

5、独立保护层：设置有流量低报警，PFD₁＝0.1,；除此之外无其他独立保护层；

6、中间事件可能性：f_i＝f×P×PFD₁＝0.1×0.1×0.1＝10^-3；

7、PFD_SIF：由公式(2)，PFD_SIF＝目标风险降低/中间事件可能性＝10^-6/10^-3＝10^-3；

8、目标等级：由表1可以得出，PFD_SIF对应SIL2等级。

3、安全联锁系统设计

设计符合SIL2等级要求安全仪表功能回路。

传感器：按照表3要求，硬件故障裕度为1；依据表4，权衡PFD和STR，应该选择2oo3结构。即设置3台流量变送器检测流量大小并转换成4～20mA电信号通过AI卡送给逻辑控制器。

逻辑控制器：逻辑控制器按照三取二逻辑判断达到联锁值时，将动作信号通过DO卡送给执行元件。

执行元件：按照表3要求，硬件故障裕度为1；按照最低合理可行原则，应该选择1oo2结构。即设置2台切断阀，执行预定动作，时系统进入预定安全状态。

加热炉炉管流量低低联锁安全仪表功能回路图见图3。

按照此方法，管式加热炉炉管流量低安全控制方案合理，能够保证安全仪表功能回路的可靠性和可用性，对于保障装置安全平稳运行具有重要意义。