化工安全技术的发展

化工安全技术的发展

摘要：化工生产有很大的危险性，生产物料具有易燃、易爆、有毒性等特点，防患于未然是必然选择。本文就化工安全技术的几个领域做简要分析。安全仪表系统可以应用于所有的现代化工厂，技术成熟，保障性高。安全栅对于化工生产防爆的意义十分重大。自动化控制的发展前景被很多人看好，有望实现很大突破。

关键词：化工安全技术；安全仪表系统；安全栅；自动化控制

1引言

化工行业是国民经济的基工业，中国进入20世纪以来化工行业的发展十分迅猛。随着化工行业的发展，涉及化学物质的种类和数量大幅增加。很多化工物料具有易燃性、易爆性、反应性和毒性，这就决定了化工生产事故的多发性和严重性。反应器、压力容器的爆炸以及燃烧传播速度超过声速的爆轰，都会产生破坏力极强的冲击波，冲击波将导致周围厂房的倒塌，生产装置、储运设备的破坏以及人员的伤亡、如果是室内的爆炸，易引起二次或二次以上的爆炸，爆炸压力叠加可能会造成更为严重的后果。多数化工物料对人体有害，设备密封不严，特备是在间歇操作中容易发生泄漏的情况下很容易造成人体中毒。化工厂常有的一氧化碳、硫化氢、氮氧化物、氨、苯、二氧化碳、二氧化硫、光气、氯化钡、砷等物料对于人来说都是致命的。

随着科技的进步，化工生产的效率越来越高，产量越来越大伴随着的是危险性也越来越大。为了将这种危害降到最低，相应的化工安全技术的发展也越来越快速。人们从检测、控制、设备优化等方面的研究已经卓有成效，其中安全仪表系统、安全栅、自动化控制已经被大量化工生产企业应用。随着生产的需要，这三项技术还在不断地被优化，以适应更为复杂的环境，提高化工生产的安全系数。

2安全仪表系统在化工安全生产中的应用

2.1安全仪表系统的基本组成

安全仪表系统即SIS系统，主要为工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作或调节或停机控制，是工厂企业自动控制中的重要组成部分。安全仪表系统包括传感器、逻辑运算器和最终执行元件，即检测单元、控制单元和执行单元。SIS系统可以监测生产过程中出现的或者潜伏的危险，发出告警信息或直接执行预定程序，立即进入操作，防止事故的发生、降低事故带来的危害及其影响。

2.2安全仪表系统的结构

SIS的主流系统结构主要有TMR（三重化）、2004D（四重化）2种。

（1）TMR结构：它将三路隔离、并行的控制系统（每路称为一个分电路）和广泛的诊断集成在一个系统中，用三取二表决提供高度完善、无差错，不会中断的控制，如图2 所示。TRICON、ICS均是采用TMR结构的系统。

（2）2004D结构：2004D系统是有2套独立并行运行的系统组成，通讯模块负责其同步运行，当系统自诊断发现一个模块发生故障时，CPU将强制其失效，确保其输出的正确性。同时，安全输出模块中SMOD功能（辅助去磁方法），确保在两套系统同时故障或电源故障时，系统输出一个故障安全信号。一个输出电路实际上是通过四个输出电路及自诊断功能实现的。这样确保了系统的高可靠性，高安全性及高可用性。HONEYWELL、HIMA的SIS均采用了2004D结构。

2.3安全仪表系统的特点

（1）以IEC61508作为基础标准，符合国际安全协会规定的仪表的安全标准规定。

（2）具有覆盖面广、安全性高、有自诊断功能，能够检测并预防潜在的危险。

（3）容错性的多重冗余系统，SIS一般采用多重冗余结构以提高系统的硬件故障裕度，单一故障不会导致SIS安全功能丧失。

（4）应用程序容易修改，可根据实际需要对软件进行修改。

（5）自诊断覆盖率大，工人维修时需要检查的点数比较少。

（6）响应速度快，从输入变化到输出变化的响应时间一般在10—50ms左右，一些小型SIS的响应时间更短。

（7）可实现从传感器到执行元件所组成的整个回路的安全性设计，具有I/O短路、断线等监测功能。

3安全栅技术在化工安全生产中的应用

3.1防爆采用的一般措施

我们都知道化工行业最危险的事故就是爆炸事故，事故危害是无法预估的，所以目前已经存在了针对不同设备、构件的防爆措施。要防止爆炸发生一般会采取的措施有：（1）在容易发生超压爆炸的设备上设置安全阀等防爆卸压装置；（2）在容易造成火焰传播的设备上设置水封、砂封、阻火器或防火阀；（3）在高压和低压系统之间的接点处和容易发生倒流的管道上，设置止回阀和切断阀；（4）在泵和阀门的进口装设过滤器，防止由于杂质或夹杂物造成事故；（5）具有着火爆危险的设备，配备惰性介质管线保护；（6）火灾危险性大的设备系统可设置可燃气体浓度检测报警装置，以及时发现火险隐患，设置水喷淋等灭火设施，以便及时扑救初期火灾。

由此可以看出一般的防爆措施都是以保护为基础，防止压力、温度等达到爆炸条件。事实上很多爆炸是由微小的电火花引爆的，无法从根本上解决由电流电压引起的爆炸。

3.2安全栅的工作原理

安全栅技术是针对控制引爆源的原理而产生的。所谓控制引爆源就是人为地消除引爆源，

即消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的仪表表面温升，即利用安全栅技术，将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升。

安全栅从工作原理上可分为齐纳式安全栅、变压器隔离式安全栅、光电隔离式安全栅。其中齐纳式安全栅是最早出现的安全栅，最初的安全栅的理论基础便是建立在齐纳式二极管的工作特性上的。齐纳管用于限制电压。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管导通放电，使齐纳管两端电压始终保持在安全限压值以下。电阻用于限制电流，当电压被限制后，适当选择电阻值，即可将回路电流限制在安全限流值以下。保险丝可防止因齐纳管被长时间流过的大电流烧断而导致回路限压失败。当超过安全限压值的电压加在回路上时，齐纳管导通。如果没有保险丝，流经齐纳管的电流会无限上升，最终烧断齐纳管，使回路失去限压。同时为确保回路安全，保险丝必须选用高速熔断型，其熔断速度应比齐纳管可能被烧断的速度快10 倍。为保障安全性，可采用三冗余的齐纳管结构，从而满足A 级本质安全的要求。

目前应用最多的安全栅为变压器隔离式安全栅。应用变压器隔离原理使安全栅输向危险区域电流始终控制一个允许范围内，达到了本质安全的目的。变压器隔离式安全栅的本安回路和非本安回路之间没有直接联系，而是通过变压器耦合。通向本安回路端隔离式安全栅还需要有相当齐纳式或晶体管式安全栅的限压、限流电路，保证本安端的安全性。另外，工业过程控制系统一般都是采用直流电流传输信号。因此，通过隔离变压器进行信号传递，必须在电流信号进入隔离变压器之前，将直流信号换成交流信号，而通过变压器后，再把交流信号转换成直流电流输出。

3.3安全栅的应用

工厂在生产过程中要应用大量的现场仪表，进行液位、温度、压力等状态的测量工作，对于仪表检测和控制回路而言，要保证现场安全就要限制现场能量。安全栅有效的控制了流向危险区的电流电压，对稳定生产起到了保障作用。

4 PCS系统和DCS系统在化工安全生产中的应用

4.1与SIS系统的区别

（1）DCS系统与PCS系统用于生产过程的常规控制（连续、顺序、间歇等）、连续测量、操作控制管理等，保证生产装置的平稳运行。 SIS系统用于监测生产装置的运行情况，对出现的异常情况立即进行处理，用以避免事故的发生或者减少事故发生后给设备、人员和环境造成危害，从而使危险降低到最低程度的一种专用仪表系统；

（2）DCS和PCS系统属于“动态”系统，连续对过程变量进行检测、运算和控制，对生产过程进行动态的控制，确保最终产品的产量和质量；SIS系统属于“静态”系统，在正常工况下，始终监测生产装置的运行，系统输出不变，不对生产过程产生影响；在非正常工况下，将按预先的设计进行逻辑运算，使生产装置安全联锁或停车。

4.2 DCS和PCS系统在仪表监控中的应用