化工工艺过程安全控制技术

第5章化工工艺过程安全控制技术张明广南京工业大学城市建设与安全工程学院联系电话：[phone]Email:[e-mail]1主要内容5.1化工安全装置工作原理5.2化工工艺过程检测、监测技术5.3化工工艺过程本质安全化设计技术5.4化工工艺过程安全控制应用实例（以危险工艺模式点评为准）25.1化工安全装置工作原理1、旁通管（阀）。在石油化工的自动化装置中生产进料、出料管上都设有旁通道，一是满足集控操作需要，二是最大限度地满足安全要求；三是满足装置连续生产的需要。旁通管通常设置在自动调节阀的上部，装置运行中当仪表自动调节阀正常使用时处于常关状态。当自动调节阀失灵或检修时关闭两侧的检修阀，开启旁通阀，可以连续生产。当设备故障成反应失控时，也可以通过旁道管阀，导流，控制事态，降低危险性。判断旁道阀是否开关要看阀杆螺丝的长短，即螺丝长则开启，螺丝短则关闭。形状速度要依据管道直径和流速等要素确定，通常是管径粗、流速快，开关速度慢，防止瞬间高压。完全断料需要同时关闭主、旁道两个阀门。2021/1/2532、紧急切断阀。在生产异常或发生事故等情况，装置控制室可以通过远程控制，直接切断进料阀门。紧急切断阀一般设置在较危险的装置进料管上，其两侧设有检修阀。2021/1/2543、安全阀、放空管、回收管、火矩。当反应或装置内压力超过一定值时，安全阀会自行开启泄压或放空。为确保放空物料的污染，安全阀上加装放空加上回收管，将放空物料回收到物料槽（罐）中储存或放空至火炬焚烧。但也有一些生产技术较落后或生产条件较差的企业不设回收管，发生事故时直接放空。放空物料（喷料）不回收会导致燃烧爆炸或扩大事故灾害。直接防空的管路应安装阻火器。4、防爆膜（爆破片）。在压力装置泄压孔上设置的金属薄片称为防爆膜，也称爆破片。当装置压力超过一定值时，金属薄片瀑破，达到泄压保护装置的目的。由于防火膜爆破后会发生大量冲料（喷料），对装置构成更大的危险。因此一般在放爆膜上加装放空回收管，将防爆模爆破后冲出的物料回收到槽（罐）或放空至火炬焚烧。但有些生产条件较差的装置不加装放空回收管。有些装置设双层防爆膜，并在防爆膜之间安装数据采集装置以装置以增加反应的安全性。2021/1/2555、数据资料采集装置。为了控制工艺参数，提高石油化工生产质量和效率，也为了生产安全，一般石油化生产设备在装置的不同部位装有温度，压力、物料（产品）等数据采集和采样装置，这些装置为操作、控制人员提供第一线真实资料，数据采集装置失灵，对生产安全将会构成极大威胁。2021/1/2566、氮气、蒸汽吹扫系统。多数石油化工装置安装有氮气和蒸汽吹扫系统，这些系统的管网与装置紧密相连，当生产工艺需要时，自动或手动开启氮气或蒸汽系统可以为生产工艺的服务；当设备抢修时可以对装置进行吹扫置换，为抢修提供安全保障；当装置发生故障或意外事故时，可以吹扫管路，加速气化，增加流速、防止物料沉积和堵塞，可以稀释物料、降低浓度、减缓反应或加压保护物料，也可以作为处置泄漏及火灾事故的稀释剂和灭火剂。7、报警装置、灭火装置。温度、压力、流速等工艺参数发生异常时在控制室发生的报警，生产装置及附近安装的可燃气体、有毒气体浓度检测、报警装置，都是石油化工生产中重要的安全装置。为了确保装置事故后能快速有效处置，许多化工装置设置了水喷淋系统、泡沫喷淋系统、高压消火栓系统和固定消防炮冷却、灭火系统，这些灭火设施在一定条件下会发挥重要的控制事态发展的作用。2021/1/2578、管线标识，石油化工生产管线纵横交错，错综复杂，为了便于管理，在行业中规定了管线的基本标识，不仅便于生产工人操作，也有利于灭火救援中的操作。通常情况下，易腐蚀的物料管线用不锈钢作材料，不涂颜色；循环水管线涂墨绿颜色；酸（碱）液管线涂粉经颜色；氮气吹扫管线涂淡黄色；放空管线（紧急出料管线）涂黄色；消防供水、灭火剂输送管线涂红色；水蒸汽管线设保温层外包白铁皮；主物料管线不涂色。85.2化工工艺过程检测、监测技术化工生产过程自动化的主要内容自动控制系统的组成工业仪表的类型过程检测及控制系统的设计符号检测点及控制点的标注方法主要内容2021/1/2510§1.自动检测系统利用各种化工测量仪表对各种工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。图1热交换器自动检测系统示意图生产过程自动化系统一般包括四种自动化系统，即自动检测系统、自动保护系统、自动操纵和开停车系统、自动控制系统。化工生产过程自动化的主要内容2021/1/2511化工生产过程自动化的主要内容•检测元件对被测参数作出响应，把它转换为适合测量的物理量。如图1所示系统中，用孔板将流量转换为差压信号，用热电阻将温度转换为电(电阻)信号。•传感器对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换，并对信号进行远传（远距离传送）。当传感器输出的信号为统一的标准信号（例0～10mA、4～20mA、0.02～0.1MPa等)时，传感器就称为变送器。•显示仪表是将检测结果以指针位移、数字、图象等形式，准确地指示、记录或储存，使操作人员能正确了解工艺操作情况和状态。如图1所示系统中的平衡电桥就属于显示记录仪表。自动检测系统的主要自动化装置为检测元件、传感器与显示仪表。下面分别介绍一下自动检测系统的三个组成部分：2021/1/2512化工生产过程自动化的主要内容§2.自动信号和联锁保护系统当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。2021/1/2513化工生产过程自动化的主要内容§2.自动信号和联锁保护系统从生产安全的角度，火灾和爆炸的危险程度可划分两种，即：★一次危险：指设备或系统内潜在着发生火灾或爆炸的危险。在正常操作状况下，该危险不会危害到人身安全或设备完好。★次生危险：指由于一次危险而引起的危险，会直接危害到人身安全、设备毁坏和建筑物的倒塌等。装置布置设计中的三重安全措施：①预防一次危险引起的次生危险；②一旦发生次生危险则尽可能限制其危害程度和范围；③次生危险发生以后，能为及时抢救和安全疏散提供方便条件。2021/1/2514化工生产过程自动化的主要内容§3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。2021/1/2515化工生产过程自动化的主要内容§4.自动控制系统在被控变量受到外界干扰(扰动)的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而使被控变量回到规定的数值范围内。2021/1/2516自动控制系统的组成人工操作与自动控制的比较眼手脑水位测量与变送执行器控制器设定操作人员所做的工作如下：①用眼睛观察玻璃管液位计的指示值；②将指示值与工艺中需要保持的液位值在大脑中比较并算出两者的差值；③当指示值偏高（低）时，用手去开大（关小）阀门。测量仪表相当于人的眼睛，控制器相当于人的大脑，执行器相当于人的手脚。一个自动控制系统就是对人工调节过程的模拟。2021/1/2517自动控制系统的组成组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器自动控制系统的组成工业仪表的分类检测仪表作用是获取信息，并对获取的信息进行适当的转换。显示仪表作用是将检测仪表获得的信息显示出来。集中控制装置包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。控制仪表可以根据需要对输入信号进行各种运算。执行器可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。对于上述各类仪表，其相互间的关系可以用下图来描述。1.按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类图3-3各类仪表的作用工业仪表的分类2.按仪表所使用的能源分类气动仪表、电动仪表、液动仪表以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中显示与控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。优点缺点常用工业仪表的分类3.按仪表的组成形式分类基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。分为基地式仪表和单元组合仪表单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表(简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等)。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。注意工业仪表的分类225.3化工工艺过程本质安全化设计技术•5.3.1化工工艺过程开发的步骤（1）立项；（2）实验室基础研究；（3）小试；（4）概念设计；（5）模型实验；（6）中试；（7）技术经济评价；（8）基础设计；（9）工程设计；（10）建立生产装置。23•5.3.2化工过程安全保护层次（1）化工过程本质安全设计技术；（2）基本工艺参数监测与控制；（3）关键参数报警；（4）工艺连锁系统或紧急停车程序；（5）冗余系统设置；（6）物理保护措施；（7）事故应急状态。245.3.3本质安全化设计技术概述本质安全：作为长久的和不可分割的元素存在的系统固有或内在的安全性。影响因素本质安全化：为使设备、系统达到本质安全而进行的研究、设计和改造。25•5.3.4化工开发过程中实现本质安全的机会（1）工艺研究阶段原料路线：减少和限制过程危害。如不燃物代替可燃物，无毒或低毒代替有毒和高毒物质等。反应路线：降低过程条件的苛刻程度。反应条件：缓和反应条件。如降低压力和温度，降低反应介质浓度。26（2）概念设计阶段库存设置：限制或减少库存，如减少中间粗存设施或限制储存量。能量释放：降低热危害性，如采用稀释；采用气相进料代替液相进料；采用连续过程等。流程安全性：简化和优化流程。如合理安排工艺流程，注意流程中各工艺步骤间的配合；避免可能造成泄漏的无用连接等。27（3）基础设计阶段生产装置型式：减少设备内储存的能量，如用连续代替间歇，提高单程转化率。设备腐蚀：预防设备腐蚀失效，i如选择合理的设备材料，设备防腐设计。单元操作：改善操作条件，如减少操作环节，选择可靠、成熟的单元操作方式。28（4）工程设计阶段设备安全：设备的本质安全化，如选用安全装置，将危险区完全屏蔽、隔离，实现机械化和自动化等。测控系统；准确测量和控制操作参数。设备平面布置：全面规划，布局合理。如将功能相同和互相联系的设备组合在一起；缩短转运路线。29化工物料安全控制•物料信息概况（1）物料的分布：生产原料、辅助材料，产品、中间产品、副产品，生产过程中产物与废物的数量和分布状况；（2）物料的变更：生产原料、辅助材料、中间产物、产品、副产品、废物的变更情况；（3）危险性物料的危险特性；（4）物料的状态参量：确定生产、加工和储存各个阶段的物料量和物理状态，并将其与危险性关联；（5）物料运输状况：确定产品运输中对仓储人员、承运员、铁路工人、公众等的危险。30•化工过程物料安全控制措施1.取代和控制用量；2.加强密闭；3.通气排风；4.惰性化；5.气体浓度监测、报警；6.特殊化学物质的处理31点火源的控制1.明火2.高温表面3.摩擦与撞击4.绝热压缩5.自燃发热及化学反应热的控制6.防止电火花7.雷电的控制8.光线和放射线的控制波长小于380nm的紫外线和波长大于770nm的红外线。32化工工艺参数的安全控制1化学反应温度的安全控制1.移出反应热（1）传热介质的流动；（2）加入其他介质，带