本發(fā)明涉及一種防止管式加熱爐爐管燒穿的安全控制方法。
背景技術(shù)：
：在煉油化工生產(chǎn)中常見的加熱爐是管式加熱爐。對(duì)于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫的同時(shí)進(jìn)行汽化，其溫度的高低會(huì)直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)加熱爐爐管流量過低時(shí)，可能造成爐管干燒而損壞，物料泄漏到爐膛內(nèi)，可能發(fā)生燃爆，造成加熱爐損壞，人員傷亡等。加熱爐爐管一般設(shè)置了流量低報(bào)警和流量低低聯(lián)鎖。但是，存在兩方面的問題：一是安全控制方案不合理。常用的安全聯(lián)鎖的控制方案是：在各支路上安裝各自的流量變送器，當(dāng)任意兩根爐管流量低于聯(lián)鎖設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉燃料氣。這樣的安全聯(lián)鎖方法根本沒有考慮由于結(jié)焦、調(diào)節(jié)閥誤關(guān)閉等情況造成單支爐管流量低/無，爐管燒穿，物料泄漏的工況，加熱爐存在潛在的危險(xiǎn)，安全控制方案不合理。二是安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。設(shè)計(jì)一個(gè)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該使該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)具有正確的安全功能。此外，必須考慮安全儀表功能能夠多好的被執(zhí)行，安全完整性等級(jí)(sil)關(guān)心的就是安全功能能夠多好的得到執(zhí)行。目前，設(shè)計(jì)人員通常憑經(jīng)驗(yàn)配置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的傳感單元、邏輯控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，未經(jīng)過充分的危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析，造成安全聯(lián)鎖系統(tǒng)存在“過度聯(lián)鎖”和“聯(lián)鎖不足”的問題。cn201010577606涉及一種安全儀表系統(tǒng)的功能安全評(píng)估方法，為對(duì)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行可靠模擬、監(jiān)控以及功能安全評(píng)估，并研究安全儀表系統(tǒng)共因失效的變化情況，方法包括：安全儀表系統(tǒng)對(duì)受控系統(tǒng)進(jìn)行功能安全控制；對(duì)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行初始風(fēng)險(xiǎn)分析，確定安全完整性等級(jí)；驗(yàn)證安全儀表系統(tǒng)是否達(dá)到所確定的安全完整性等級(jí)；改變安全儀表系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)或組成設(shè)備。因此，有必要開發(fā)一種防止管式加熱爐爐管燒穿的安全控制方法，研究爐管流量低時(shí)，將加熱爐導(dǎo)入預(yù)定安全狀態(tài)，防止?fàn)t管燒穿，保護(hù)加熱爐安全運(yùn)行。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中安全性較差的問題，提供一種新的防止管式加熱爐爐管燒穿的安全控制方法。該方法具有安全性較好的優(yōu)點(diǎn)。為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種防止管式加熱爐爐管燒穿的安全控制方法，包括如下步驟：(1)加熱爐爐管流量低危險(xiǎn)性分析，采用過程危險(xiǎn)分析或危險(xiǎn)與可操作性分析方法，根據(jù)加熱爐工藝技術(shù)規(guī)程和管道及儀表流程圖，識(shí)別與分析爐管流量低發(fā)生的原因及這種偏差產(chǎn)生的后果，找出現(xiàn)有的保護(hù)措施并判定獨(dú)立保護(hù)層是否滿足風(fēng)險(xiǎn)降低要求，梳理現(xiàn)有的或建議增加的安全儀表功能回路；(2)確定安全儀表功能的sil等級(jí)，在危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上辨識(shí)了安全儀表功能，采用半定量的保護(hù)層分析方法確定爐管流量低低聯(lián)鎖回路的安全完整性等級(jí)，具體包括：1)確定初始事件頻率；2)確定事故后果和目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，主要包括人員傷害風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)方面；3)場(chǎng)景頻率計(jì)算，使用初始事件頻率、ipls的pfd值，計(jì)算減緩后的場(chǎng)景頻率；(3)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所述安全聯(lián)鎖系統(tǒng)由傳感單元、邏輯控制器和最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，所述傳感單元能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按規(guī)律變換成為電信號(hào)傳送給邏輯控制器，所述邏輯控制器判斷達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行預(yù)定的動(dòng)作，使裝置進(jìn)入預(yù)定安全狀態(tài)。上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，lopa的每一場(chǎng)景都有單一的初始事件，初始事件頻率通常以每年發(fā)生的次數(shù)表示，初始事件分為三個(gè)類型：外部事件、設(shè)備故障、人的失效；為確定一致的初始事件頻率，失效數(shù)據(jù)來源主要包括：1)行業(yè)數(shù)據(jù)；2)公司的經(jīng)驗(yàn)，公司具有充足的歷史數(shù)據(jù)用來進(jìn)行有意義的統(tǒng)計(jì)分析；3)供應(yīng)商的數(shù)據(jù)。上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，在lopa中，對(duì)于后果，將評(píng)估其嚴(yán)重性的數(shù)量級(jí)大??；lopa分析過程中，分析團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該確定每個(gè)事故場(chǎng)景在安全、環(huán)境和財(cái)產(chǎn)方面減緩事件的可能性，依據(jù)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，確定風(fēng)險(xiǎn)降低目標(biāo)。上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，進(jìn)行場(chǎng)景頻率計(jì)算，還應(yīng)考慮使能事件對(duì)后果頻率的影響，將釋放場(chǎng)景的頻率乘以關(guān)注結(jié)果的概率，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行修正。上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，按照iec61511要求，對(duì)于安全儀表功能而言，傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有最低的硬件故障裕度。上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，配置安全儀表功能回路，應(yīng)兼顧可靠性和可用性，在保障安全的同時(shí)，減少安全聯(lián)鎖系統(tǒng)誤動(dòng)作的概率。上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，傳感器結(jié)構(gòu)安全性：1oo2＞2oo3＞1oo1＞2oo2，傳感器結(jié)構(gòu)過程可用性：2oo2＞2oo3＞1oo1＞1oo2；閥門結(jié)構(gòu)安全性：1oo2＞2oo4＞1oo1＞2oo2，閥門結(jié)構(gòu)過程可用性：2oo2＞2oo4＞1oo1＞1oo2。本專利能避免加熱爐單爐管流量低的工況，有助于避免爐管爐管流量低安全控制方案不合理導(dǎo)致安全聯(lián)鎖系統(tǒng)無法正確完成其安全功能；有助于合理配置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)傳感單元、邏輯單元和最終元件的冗余結(jié)構(gòu)，滿足sil等級(jí)要求，并具有良好的可靠性和可用性，避免由于加熱爐爐管流量低可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)后果，保障加熱爐安全運(yùn)行，取得了較好的技術(shù)效果。附圖說明圖1為本發(fā)明所述方法的流程示意圖。圖2為加熱爐聯(lián)鎖方案圖。圖3爐管流量低低聯(lián)鎖安全儀表功能回路圖圖2中，1加熱爐爐體；2加熱爐爐管；3流量變送器；4安全聯(lián)鎖回路；5調(diào)節(jié)閥。下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，但不僅限于本實(shí)施例。具體實(shí)施方式【實(shí)施例1】一種防止管式加熱爐爐管燒穿的安全控制方法，如圖1所示，包括如下步驟：1、加熱爐爐管流量低危險(xiǎn)性分析采用過程危險(xiǎn)分析(pha)或危險(xiǎn)與可操作性分析(hazop)方法，根據(jù)加熱爐工藝技術(shù)規(guī)程和管道及儀表流程圖，識(shí)別與分析爐管流量低發(fā)生的原因及這種偏差產(chǎn)生的后果，找出現(xiàn)有的保護(hù)措施并判定獨(dú)立保護(hù)層(ipl)是否滿足風(fēng)險(xiǎn)降低要求，梳理現(xiàn)有的或建議增加的安全儀表功能回路。2、確定安全儀表功能的sil等級(jí)在危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上辨識(shí)了安全儀表功能，采用半定量的保護(hù)層分析(lopa)方法確定爐管流量低低聯(lián)鎖回路的安全完整性等級(jí)。1)確定初始事件頻率lopa的每一場(chǎng)景都有單一的初始事件，初始事件頻率通常以每年發(fā)生的次數(shù)表示。初始事件一般分為三個(gè)類型：外部事件、設(shè)備故障、人的失效。為確定一致的初始事件頻率，有許多的失效數(shù)據(jù)來源，主要包括：1)行業(yè)數(shù)據(jù)，如《化工過程定量風(fēng)險(xiǎn)分析指南，第二版》(ccps，2000)等；2)公司的經(jīng)驗(yàn)，公司具有充足的歷史數(shù)據(jù)可用來進(jìn)行有意義的統(tǒng)計(jì)分析；3)供應(yīng)商的數(shù)據(jù)。2)確定事故后果和目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)主要包括人員傷害風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)方面。在lopa中，對(duì)于后果，將評(píng)估其嚴(yán)重性的數(shù)量級(jí)大小。lopa分析過程中，分析團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該確定每個(gè)事故場(chǎng)景在安全、環(huán)境和財(cái)產(chǎn)方面減緩事件的可能性。依據(jù)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，確定風(fēng)險(xiǎn)降低目標(biāo)(tmel)。3)場(chǎng)景頻率計(jì)算使用初始事件頻率、ipls的pfd值，計(jì)算減緩后的場(chǎng)景頻率。以下為特定后果終點(diǎn)釋放場(chǎng)景頻率計(jì)算的常用方法，見公式1。式中：——初始事件i造成c后果的頻率；——初始事件i的初始事件頻率；pfdij——初始事件i中第j個(gè)阻止后果c的獨(dú)立保護(hù)層要求時(shí)的失效概率(pfd)。進(jìn)行場(chǎng)景頻率計(jì)算，還應(yīng)考慮使能事件(點(diǎn)火概率、人員暴露概率等)對(duì)后果頻率的影響，將釋放場(chǎng)景的頻率乘以關(guān)注結(jié)果的概率，對(duì)方程1進(jìn)行修正。以人員傷害后果為例，將得出的后果發(fā)生的頻率與風(fēng)險(xiǎn)降低目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，便可得出sifs的pfd值，進(jìn)而確定sifs的目標(biāo)sil。式中：pig——點(diǎn)火概率；pex——人員出現(xiàn)在影響區(qū)的概率；ps——傷害發(fā)生的概率。pfd、rrf和sil等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1安全完整性等級(jí)劃分表3、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)所述安全聯(lián)鎖系統(tǒng)由傳感單元、邏輯控制器和最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，所述傳感單元能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按規(guī)律變換成為電信號(hào)傳送給邏輯控制器，所述邏輯控制器判斷達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行預(yù)定的動(dòng)作，使裝置進(jìn)入預(yù)定安全狀態(tài)。按照iec61511要求，對(duì)于安全儀表功能而言，傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有最低的硬件故障裕度，如表2和表3所示。表2pe邏輯解算器的最低硬件故障裕度表3傳感器、最終元件和非pe邏輯解算器最低硬件故障裕度sil最低硬件故障裕度1021324應(yīng)用特殊要求(見iec61508-2010)配置安全儀表功能回路，應(yīng)兼顧可靠性和可用性，在保障安全的同時(shí)，減少安全聯(lián)鎖系統(tǒng)誤動(dòng)作的概率，對(duì)于傳感器可按表4選取冗余結(jié)構(gòu)。表4某差壓變送器不同冗余結(jié)構(gòu)對(duì)比注：以某差壓變送器為例，計(jì)算λdu、λsu、ti、mttr等相同參數(shù)情況下的要求時(shí)的失效概率(pfd)和誤停車率(str)，為sif回路設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。因此，傳感器結(jié)構(gòu)安全性：1oo2＞2oo3＞1oo1＞2oo2，傳感器結(jié)構(gòu)過程可用性：2oo2＞2oo3＞1oo1＞1oo2采用相同的方法，對(duì)比閥門不同冗余結(jié)構(gòu)的安全性和可用性，結(jié)論如下，閥門結(jié)構(gòu)安全性：1oo2＞2oo4＞1oo1＞2oo2，閥門結(jié)構(gòu)過程可用性：2oo2＞2oo4＞1oo1＞1oo2。下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)行說明：如圖2所示，以由總管在爐前分為6路支管進(jìn)入加熱爐加熱為例，每支爐管設(shè)有流量控制回路，加熱爐設(shè)有流量低報(bào)警和流量低低聯(lián)鎖。1、加熱爐爐管流量低危險(xiǎn)性分析由于爐管結(jié)焦、調(diào)節(jié)閥故障關(guān)等原因，出現(xiàn)加熱爐爐管流量低時(shí)，可能導(dǎo)致爐管干燒，爐管燒穿，物料泄漏到爐膛內(nèi)，可能導(dǎo)致燃爆，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。六支爐管分別設(shè)有流量變送器，轉(zhuǎn)換成4-20ma電信號(hào)通過ai卡傳送給邏輯控制器，邏輯控制器判定任意兩個(gè)達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)(2oo6)，最終執(zhí)行結(jié)構(gòu)執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作。這種控制方案無法避免單支爐管由于調(diào)節(jié)閥誤關(guān)閉造成流量低的工況，因此采用單支爐管流量低低聯(lián)鎖的控制方案更加合理。2、確定安全儀表功能的sil等級(jí)采用保護(hù)層分析方法，確定是否需要設(shè)置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，lopa記錄表格見表5.表5lopa分析表1、初始事件：1a.控制回路故障導(dǎo)致fv1a關(guān)小或關(guān)閉，1b.發(fā)生頻率f＝0.1；2、后果：爐管燒穿，物料泄漏，可能導(dǎo)致加熱爐爆炸，1-2人死亡，根據(jù)《中國石化風(fēng)險(xiǎn)矩陣》(q/sh0560-2013)，可以確定后果等級(jí)為d；3、目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)：按照風(fēng)險(xiǎn)矩陣要求，需要將目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)降低到tmel＝10-6；4、促成后果的條件：人員暴露在危險(xiǎn)環(huán)境的概率p＝0.1；5、獨(dú)立保護(hù)層：設(shè)置有流量低報(bào)警，pfd1＝0.1,；除此之外無其他獨(dú)立保護(hù)層；6、中間事件可能性：fi＝f×p×pfd1＝0.1×0.1×0.1＝10-3；7、pfdsif：由公式(2)，pfdsif＝目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)降低/中間事件可能性＝10-6/10-3＝10-3；8、目標(biāo)等級(jí)：由表1可以得出，pfdsif對(duì)應(yīng)sil2等級(jí)。3、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)符合sil2等級(jí)要求安全儀表功能回路。傳感器：按照表3要求，硬件故障裕度為1；依據(jù)表4，權(quán)衡pfd和str，應(yīng)該選擇2oo3結(jié)構(gòu)。即設(shè)置3臺(tái)流量變送器檢測(cè)流量大小并轉(zhuǎn)換成4～20ma電信號(hào)通過ai卡送給邏輯控制器。邏輯控制器：邏輯控制器按照三取二邏輯判斷達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，將動(dòng)作信號(hào)通過do卡送給執(zhí)行元件。執(zhí)行元件：按照表3要求，硬件故障裕度為1；按照最低合理可行原則，應(yīng)該選擇1oo2結(jié)構(gòu)。即設(shè)置2臺(tái)切斷閥，執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作，時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)定安全狀態(tài)。加熱爐爐管流量低低聯(lián)鎖安全儀表功能回路圖見圖3。按照此方法，管式加熱爐爐管流量低安全控制方案合理，能夠保證安全儀表功能回路的可靠性和可用性，對(duì)于保障裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。當(dāng)前第1頁12