CN106896833A - 原油罐区液位防护安全控制方法 - Google Patents

原油罐区液位防护安全控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种原油罐区液位防护安全控制方法，主要解决现有技术中可靠性较差的问题。本发明通过采用一种原油罐区液位防护安全控制方法，主要包括基本过程控制系统和安全联锁系统，基本过程控制系统负责正常操作范围的调节以及液位高低报警，安全联锁系统负责将系统导入预定的安全状态的技术方案较好地解决了上述问题，可用于原油罐区液位防护安全控制中。

Description

原油罐区液位防护安全控制方法
技术领域
本发明涉及一种原油罐区液位防护安全控制方法。
背景技术
原油储罐收发作业过程中，需要对一些参数进行有效的测量和控制。近年来国内外储罐安全事故频发，各级监管部门对油库安全保障要求不断提高，并出台相关的制度，其中对储罐高低液位控制提出了严格的要求。当前原油罐区的储罐一般设置了液位高/低报警、液位高高/低低联锁，但是存在以下四个方面的问题：一是报警值、联锁值不合理，无法保证操作员有充足的响应时间进行处理；二是基本过程控制系统和安全联锁系统不独立，不满足功能安全标准IEC61508/61511要求；三是虽然独立设置了安全联锁系统，测量信号需要远传中控制，造成投资浪费；四是未经过充分的危险与风险分析，安全联锁系统安全仪表功能不满足安全完整性等级(SIL)的要求。
为了解决上述问题，防止储罐液位高低超限造成严重的事故，有必要开发一种储罐液位安全防护方案，研究合理设置储罐液位高低报警和联锁值，开发一套基于危险与风险分析技术的现场储罐液位安全联锁系统，保障罐区安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中可靠性较差的问题，提供一种新的原油罐区液位防护安全控制方法。该方法具有可靠性较好的优点。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种原油罐区液位防护安全控制方法，主要包括基本过程控制系统和安全联锁系统，基本过程控制系统负责正常操作范围的调节以及液位高低报警，安全联锁系统负责将系统导入预定的安全状态，主要内容包括：
(1)储罐液位基本过程控制
储罐基本过程控制系统由液位检测单元、核心控制单元和设备调节单元组成；其中，液位监测主要是安装在储罐上的液位计，用以实时监测液位状态，并将信号传输至控制室内的核心控制单元；核心控制单元安装至控制室内，其由数据采集与监视控制系统和计算机构成，可以对储罐的液位进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能；设备执行单元主要是油库的输油泵和安装在工艺管线上的电动阀门，按照SCADA系统发出的指令进行动作；
(2)危险与风险分析，确定SIL等级
采用过程危险分析或危险与可操作性分析方法，识别与分析储罐液位高/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；在危险性分析的基础上辨识安全仪表功能，采用半定量的保护层分析方法确定液位高高/低低联锁回路的安全完整性等级；包括：
1)确定初始事件频率；2)确定事故后果和目标风险；3)场景频率计算；
(3)安全联锁系统设计
储罐安全联锁系统由液位检测单元、逻辑控制单元和执行单元组成；其中，液位检测单元主要是安装在储罐上的液位开关，用以实时监测液位高/低超限状态，并将信号传输至控制控制单元；逻辑控制单元安装在现场的安全PLC，根据内部集成的逻辑控制程序，以数字量的方式向阀门和机泵发布动作指令；最终执行单元主要是油库输油泵和安装在工艺管线上的电动阀门，按照安全PLC发出的指令执行联锁动作。
上述技术方案中，优选地，保护层分析方法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；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。
上述技术方案中，优选地，确定事故后果和目标风险过程中，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。在保护层分析方法中，对于后果，将评估其严重性的数量级大小；保护层分析方法分析过程中，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，对方程进行修正。
上述技术方案中，优选地，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，储罐液位控制系统，在收发油作业过程中，能够监测储罐液位高度，当液位达到设定的报警值时，报警显示箱发出声光报警，同时输出开关量控制信号，能有效防止液位过高或过低带来的安全后果，确保收发油作业安全进行。
上述技术方案中，优选地，根据不同的工艺管网，选取满足相应要求的电动阀门，但是阀门需满足IEC61508要求的SIL2等级
本发明提供一种安全控制方案，通过合理设置液位高/低报警、高高/低低联锁值，确保操作工有充分的时间进行人员干预；2)开发的安全联锁系统，能够满足国际功能安全标准要求，具有很强的可靠性和可用性，有利于保障储罐的安全，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保护层分析步骤。
图3基本工程控制系统和安全联锁系统配置图。
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】
储罐液位控制方案如图1所示，主要包括基本过程控制系统和安全联锁系统，基本控制系统负责正常操作范围的调节以及液位高低报警，安全联锁系统负责将系统导入预定的安全状态。
1.储罐液位基本过程控制
储罐基本过程控制系统由液位检测单元、核心控制单元和设备调节单元组成。其中，液位监测主要是安装在储罐上的液位计，用以实时监测液位状态，并将信号传输至控制室内的核心控制单元；核心控制单元安装至控制室内，其由数据采集与监视控制系统(SCADA)和计算机构成，可以对储罐的液位进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能；设备执行单元主要是油库的输油泵和安装在工艺管线上的电动阀门，按照SCADA系统发出的指令进行动作。
2.危险与风险分析，确定SIL等级
采用过程危险分析(PHA)或危险与可操作性分析(HAZOP)方法，识别与分析储罐液位高/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。
在危险性分析的基础上辨识安全仪表功能，采用半定量的保护层分析(LOPA)方法确定液位高高/低低联锁回路的安全完整性等级(如图2所示)。
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；
PFDij——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：Pig——点火概率；
Pex——人员出现在影响区的概率；
Ps——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
储罐安全联锁系统由液位检测单元、逻辑控制单元和执行单元组成。其中，液位检测单元主要是安装在储罐上的液位开关，用以实时监测液位高/低超限状态，并将信号传输至控制控制单元；逻辑控制单元主要是安装在现场的安全PLC，根据内部集成的逻辑控制程序，以数字量的方式向阀门和机泵发布动作指令；最终执行单元主要是油库输油泵和安装在工艺管线上的电动阀门，按照安全PLC发出的指令执行联锁动作。
更为具体的：
1、储罐基本控制系统
储罐液位控制系统，在收发油作业过程中，能够监测储罐液位高度，当液位达到设定的报警值时，报警显示箱发出声光报警，同时输出开关量控制信号，能有效防止液位过高或过低带来的安全后果，确保收发油作业安全进行。
检测元件：由于浮子液位计故障率较高，选用雷达式液位计。在储罐上正确安全雷达液位计，实时监测液位状态。从安装在罐顶的雷达液位计接线盒里把引出的电源线与数据线汇总到现场总线电源梳理器和接口单元，以4-20mA信号传输到SCADA系统。
正常工作范围：2.20m-19.5m；
液位高报警值：19.5m，确保操作工有15分钟的时间进行人员干预；
液位低报警值：2.20m，确保操作工有15分钟的时间进行人员干预；
SCADA系统：完成软件组态和罐区参数的初始化设置，如果需要对现场信号线进行本安隔离，必须先通过安全栅再连到SCADA的I/O端子。这样，就可以通过SCADA系统实时观察罐区介质液位的变化情况了，再辅以罐区进/出口阀门的自动控制，使介质液位自动维持在所需的位置，实现罐区液位的远程自/手动控制、即时掌握实时/历史数据，并能从雷达液位计自带的组态软件中分析液位的曲线图，查看生产和设备的历史/实时运行情况，消除人为干预造成低精度计量的现象。
设备执行：雷达液位计监测检测罐区液位达到19.50m时，SCADA系统进行声光报警，提醒操作员按照操作规程进行切断进料；雷达液位计监测检测罐区液位达到2.20m时，SCADA系统进行声光报警，提醒操作员按照操作规程切断出料。
电动阀门应考虑防火要求以及备用电源。
2.危险与风险分析确定SIL等级
储罐液位高高联锁：储罐液位高，可能导致满罐溢流，原油泄漏到环境中，可能导致火灾爆炸、环境污染和财产损失的风险。采用保护层分析方法，结合企业风险矩阵，高高液位联锁应满足SIL2等级要求；
储罐液位低低联锁：储罐液位低，可能导致输油泵抽空损坏，严重时会发生原油泄漏，造成火灾爆炸、环境污染和财产损失的风险。采用保护层分析方法，结合企业风险矩阵，高高液位联锁应满足SIL1等级要求。
3.安全联锁系统设计
安全联锁系统由传感单元、逻辑控制单元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。
传感单元：采用音叉液位开关，直接插入罐内，检测原件直接与介质接触，灵敏度高。
技术指标：
满足IEC61508要求的SIL2等级
供电电压220V AV/24VDC
响应速度完全被覆盖≤0.5s，不完全覆盖≤1.0s
测量频率标准叉约140Hz，短叉约350Hz
工作温度-40～70℃
逻辑控制单元：选用安全PLC，采用现场安装的方式。PLC(可编程逻辑控制器)应经过安全认证，至少满足SIL2等级要求。一台PLC可以控制一台或多台储罐，根据输入输出点数选取接口。
逻辑控制单元实时采集音叉液位开关的状态，当液位开关检测到液位高到20m时，逻辑控制单元控制关闭相关入口电动阀门，给油泵停止工作；当液位开关检测到液位低到2m时，逻辑控制单元控制关闭相关出口阀门，输油泵停止工作。
技术指标：
满足IEC61508要求的SIL2等级；
低成本、独立、非PE逻辑解算器；
工作温度-30℃-75℃；
能够接收处理模拟或数字信号；
5Amp数字信号输出，控制电动阀门和机泵；
供电电压24VDC，110VAC，和240VAC，具有冗余电源或UPS。
最终执行机构：储罐进出口阀门选用电动阀，电动阀门应考虑防火要求和备用电源。
根据不同的工艺管网，选取满足相应要求的电动阀门，但是阀门需满足IEC61508要求的SIL2等级。
由音叉液位开关、安全PLC和电动阀门规程的安全仪表功能回路，能够满足功能安全相关标准及SIL2级要求，具有良好的可靠性和可用性，保障储罐安全。
基本过程控制系统和安全联锁系统配置图如图3所示。
设计的安全联锁系统要满足SIL等级要求，能够正确行使安全仪表功能，具有良好的可靠性和可用性。

Claims (7)

1.一种原油罐区液位防护安全控制方法，主要包括基本过程控制系统和安全联锁系统，基本过程控制系统负责正常操作范围的调节以及液位高低报警，安全联锁系统负责将系统导入预定的安全状态，主要内容包括：
(1)储罐液位基本过程控制
储罐基本过程控制系统由液位检测单元、核心控制单元和设备调节单元组成；其中，液位监测主要是安装在储罐上的液位计，用以实时监测液位状态，并将信号传输至控制室内的核心控制单元；核心控制单元安装至控制室内，其由数据采集与监视控制系统和计算机构成，可以对储罐的液位进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能；设备执行单元主要是油库的输油泵和安装在工艺管线上的电动阀门，按照SCADA系统发出的指令进行动作；
(2)危险与风险分析，确定SIL等级
采用过程危险分析或危险与可操作性分析方法，识别与分析储罐液位高/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；在危险性分析的基础上辨识安全仪表功能，采用半定量的保护层分析方法确定液位高高/低低联锁回路的安全完整性等级；包括：
1)确定初始事件频率；2)确定事故后果和目标风险；3)场景频率计算；
(3)安全联锁系统设计
储罐安全联锁系统由液位检测单元、逻辑控制单元和执行单元组成；其中，液位检测单元主要是安装在储罐上的液位开关，用以实时监测液位高/低超限状态，并将信号传输至控制控制单元；逻辑控制单元安装在现场的安全PLC，根据内部集成的逻辑控制程序，以数字量的方式向阀门和机泵发布动作指令；最终执行单元主要是油库输油泵和安装在工艺管线上的电动阀门，按照安全PLC发出的指令执行联锁动作。
2.根据权利要求1所述原油罐区液位防护安全控制方法，其特征在于保护层分析方法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；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。
3.根据权利要求1所述原油罐区液位防护安全控制方法，其特征在于确定事故后果和目标风险过程中，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。在保护层分析方法中，对于后果，将评估其严重性的数量级大小；保护层分析方法分析过程中，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。
4.根据权利要求1所述原油罐区液位防护安全控制方法，其特征在于进行场景频率计算，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，对方程进行修正。
5.根据权利要求1所述原油罐区液位防护安全控制方法，其特征在于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。
6.根据权利要求1所述原油罐区液位防护安全控制方法，其特征在于储罐液位控制系统，在收发油作业过程中，能够监测储罐液位高度，当液位达到设定的报警值时，报警显示箱发出声光报警，同时输出开关量控制信号，能有效防止液位过高或过低带来的安全后果，确保收发油作业安全进行。
7.根据权利要求1所述原油罐区液位防护安全控制方法，其特征在于根据不同的工艺管网，选取满足相应要求的电动阀门，但是阀门需满足IEC61508要求的SIL2等级。
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