【南京】2025精细化工项目工艺管道及仪表流程图设计提升暨本质安全设计与连续化改造实操培训班（3月6日-9日）
1 概述
1.1 合成氨工艺
氮和氢两种组分按一定比例（1:3）组成的气体（合成气），在高温、高压下（一般为400-450℃，15-30MPa）经催化反应生成氨的工艺过程。
1.2 合成氨反应类型
本工艺只有一种反应类型。
1.3合成氨工艺关键设备和重点监控单元
1.3.1 合成氨工艺的关键设备
合成氨工艺的关键设备是合成塔、压缩机、废热锅炉和氨分离器。
1.3.2 合成氨工艺的重点监控单元
合成氨工艺的重点监控单元为合成塔、压缩机和氨储存系统单元。合成塔、压缩机、氨储存系统的运行基本控制参数，包括温度、压力、液位、物料流量计比例等。
1.4合成氨工艺涉及的主要危险介质
1.4.1合成氨原料
合成氨生产过程中涉及原料氮气和氢气。氮气具有窒息性，如果生产、储存设备及管道出现泄漏，作业人员无防护、防护不当或处理不当，易引起人员窒息，甚至会引起人员伤亡。氢气是甲类可燃气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源或明火有燃烧爆炸危险。氢气与氟、氯和溴等卤素会剧烈反应。
1.4.2产品和中间产品
合成氨产品主要是液氨，液氨容易挥发成氨气，氨气是一种无色透明的带刺激性气味的气体，氨气与空气混合到一定比例时遇明火能爆炸，爆炸极限为15.7-27.4%。氨气可导致中毒，对眼、肺部黏膜、皮肤有刺激性，有化学性冷灼伤危险。
1.5山东省主要合成氨工艺产品目录
山东省合成氨工艺主要以煤为原料，主要合成氨工艺产品目录详见附表1。
2 危险性分析
合成氨反应是一个放热过程，反应剧烈，速度快，放热量较大，所用的原料大多具有易燃易爆、窒息性，一旦泄漏危险性较大。
2.1 固有危险性
固有危险性是指合成氨反应中的原料、产品、中间产品等本身具有的危险有害特性。
2.1.1 火灾危险性
合成氨反应涉及的原料、产品、中间产品等具有易燃性，如氢气和氨都是可燃气体，这些物质与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源或明火有燃烧爆炸危险。
2.1.2 爆炸危险性
合成氨反应涉及的原料、产品、中间产品等具有燃爆性，如氢气、氨与空气混合后遇明火可能发生爆炸。
2.1.3 中毒危险性
合成氨反应涉及到的原料、产品、中间产品等具有毒性，如氨气能侵袭湿皮肤、粘膜和眼睛，可引起严重咳嗽、支气管痉挛、急性肺水肿，甚至会造成失明和窒息死亡。
2.1.4 腐蚀及其他危险性
合成氨反应涉及到的氨具有腐蚀性，对人的皮肤和眼睛有腐蚀刺激危害。
2.2 工艺过程的危险性
合成氨反应所用原料多为易燃易爆、窒息性，因此在合成氨工艺中存在诸多不安全因素。
2.2.1 反应过程的危险性
高温、高压使可燃气体爆炸极限扩宽，气体物料一旦过氧（亦称透氧），极易在设备和管道内发生爆炸；高温、高压气体物料从设备管线泄漏时会迅速膨胀与空气混合形成爆炸性混合物，遇到明火或因高流速物料与裂（喷）口处摩擦产生静电火花引起着火和空间爆炸；气体压缩机等转动设备在高温下运行会使润滑油挥发裂解，在附近管道内造成积炭，可导致积炭燃烧或爆炸；高温、高压可加速设备金属材料发生蠕变、改变金相组织，还会加剧氢气、氮气对钢材的氢蚀及渗氮，加剧设备的疲劳腐蚀，使其机械强度减弱，引发物理爆炸；液氨大规模事故性泄漏会形成低温云团引起大范围人群中毒，遇明火还会发生空间爆炸；工艺路线中高压、中压、低压管路并存，且有个别管路相互连接，操作不当可能出现高压串低压，进而引发管道、容器爆炸等。
2.2.2 危险和可操作性分析
针对具体的合成氨工艺，应在基础设计阶段开展危险和可操作性分析（HAZOP），及预先危险分析（PHA）或事故树分析（ETA）等风险评价方法，对整个工艺过程的危险性进行分析。
3 重点监控的工艺参数和控制要求
3.1 温度
合成氨反应是一个放热反应，反应放出的热量如果不能及时的移出，会造成反应器内物料温度升高，引起压力升高、甚至着火爆炸等严重后果。合成氨反应速度随温度的升高而显著加快，但是如果温度过高，会使催化剂过早失活，因此需要使合成氨反应在最佳反应温度下进行，以获得较大的生产能力和较高的氨合成率，所以需要监控合成塔的温度。
3.2 压力
合成氨反应是在一定压力下进行，一般压力为15-30MPa，如果压力失控，会造成泄漏或爆炸的危险，所以需要监控合成塔的压力。
3.3 液位（或重量）
储罐应根据储罐内物料性质和储存条件，设置储罐的储存上下限，防止由于温度、压力等的变化造成泄漏。
3.4 反应投料速度与物料配比
合成氨反应是一个放热反应，合成氨反应投料速度决定反应放热速度，如果投料速度过快，反应热不能及时移出，就有可能造成超温超压，发生泄漏或爆炸事故，所以需要监控原料的投料速度。
合成氨反应在一定的配比下进行，一方面考虑产品质量，另一方面为了操作的安全，所以需要监控物料的配比。
3.5 其他
合成氨系统中还需要监控压缩机的温度、压力和入口分离器液位。
4 推荐的安全控制方案
4.1 各工艺参数的控制方式
合成塔、压缩机、氨储存系统的运行基本控制参数，包括温度、压力、液位、物料流量及比例等重点监控工艺参数的控制方式见附表2。
4.2 工艺系统控制方式
4.2.1 基本监控要求
合成氨工艺的生产装置设置的自动控制系统应达到重点监管危险化工工艺目录中有关安全控制的基本要求，重点监控工艺参数应传送至控制室集中显示，并按照宜采用的控制方式设置相应的联锁。自动控制系统应具备远程调节、信息存储、连续记录、超限报警、联锁切断、紧急停车等功能。记录的电子数据的保存时间不少于30天。
4.2.2 基本控制要求
4.2.2.1合成氨工艺安全控制基本要求中涉及反应温度、压力报警及联锁的自动控制方式至少满足下列要求：
压缩机监控温度、压力和入口分离器液位，通过压缩机自带系统进行控制。
合成塔通过改变进料流量调节反应压力或（和）温度，合成塔应设温度、压力远传、报警，压力或（和）温度高高报警联锁，合成塔应设塔压差远传、报警，合成塔入口管线应设温度远传、报警和调节，合成塔入口管线应设组分在线检测仪表。
废热锅炉设置温度、压力和液位远传、报警，液位低低报警联锁，废热锅炉压力通过调节阀控制，废热锅炉液位通过入口调节阀控制，氨分离器设置液位远传、报警，氨分离器液位通过出口调节阀控制。
4.2.2.2其他
（1）反应过程中需要通过调节冷却系统控制或者辅助控制反应温度的，应当设置自动控制回路，实现反应温度升高时自动提高冷却剂流量；调节精度要求较高的冷却剂应当设流量控制回路。
（2）合成氨化工工艺安全控制基本要求的涉及反应物料配比、液位、进出物料流量等报警及联锁的安全控制方式，应同时满足《重点监管危险化工工艺目录》中的要求，并根据设计方案或HAZOP分析报告设置相应联锁系统。
（3）在组分测量仪表条件满足时，宜加装原料、反应尾气在线分析仪表，并将其分析结果远传至操作室。
（4）设计时，应结合具体的工艺机理，合理的设置控制方案，避免出现因控制回路间密切相关、互相影响导致工艺参数无法控制的情况，控制措施中相互关联不允许发生耦合控制。
（5）在可能出现泄漏可燃气体及有毒气体的区域，设置可燃气体及有毒气体报警仪，火灾报警器，并将信号引至控制室。
4.3 根据反应安全风险评估结果，制定相应的控制措施
所有涉及硝化、氯化、氟化、重氮化、过氧化工艺的化工生产装置按照《关于加强精细化工反应安全风险评估工作的指导意见》（安监总管三〔2017〕1号）要求必须完成反应安全风险评估，并综合反应安全风险评估结果，考虑不同的工艺危险程度，设置相应的控制措施，合成氨工艺宜参照执行。
4.4 仪表系统选用原则
4.4.1 基本过程控制系统（BPCS）选用原则
（1）基本过程控制系统（BPCS）宜首选DCS系统；
（2）基本过程控制系统的CPU、通信、电源等模块应冗余设置。
（3）生产过程中的重点工艺参数监控回路的AI、AO、DI、DO点应冗余配置，且相同仪表位号的AI、AO、DI、DO点应配置在不同的卡件上。
（4）在控制室内加装紧急停车按钮，确保现场出现紧急情况（如重要设备损坏等）时，操作人员可在控制室内切断原料进料、紧急泄放系统等。
BPCS的报警及联锁的设计应满足《信号报警及联锁系统设计规范》（HG/T 20511）之要求。
4.4.2 安全仪表系统选用原则
针对具体的合成氨工艺，危险和可操作性分析（HAZOP）、LOPA分析确定相关各安全仪表功能（SIF）的安全完整性等级（SIL）。通过LOPA分析，安全仪表功能（SIF）的安全完整性等级（SIL）＞1时，应配置独立于DCS系统之外的安全仪表系统（SIS），≤1的可以与DCS合并设置。根据仪表的安全性和可用性，测量仪表宜三取二。
安全仪表系统的逻辑控制器硬件要求、测量仪表独立性和冗余性、最终元件独立性和冗余性等技术要求，须符合《石油化工安全仪表系统设计规范》（GB/T 50770）规范要求。
安全仪表系统在投入运行之前，应进行SIL等级的验证，验证合格方能投入运行。
4.4.3 气体检测报警系统（GDS）选用原则
工艺的原料、中间产品及产品大多为有毒、易燃易爆物品，装置应按《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》（GB/T50493）设置独立的气体检测报警系统，并保证装置停车或工艺控制监控系统失效后，仍能有效地进行监测、报警。
4.5 其他安全设施
对于具体的装置，考虑安全设施时不应孤立的看待具体的设备或工序，还应考虑相关的原料准备、产品储存、公用工程等相关设施和工序，任何一个工序出现故障都可能影响到整套装置的安全，在设置监控或联锁、报警时一并考虑进去。
对于装置中因工艺参数失控而引起的过压、危及设备或管道时，除了设置自控、联锁系统外，还应设置相应的安全阀、紧急切断装置等安全设施。
5 通用设计要求
对于新建或改、扩建装置，在制定设计方案时，应根据工艺、自控及安全要求，结合本指导方案，进行优化设计。
对于在役合成氨工艺装置进行自控与安全联锁改造，增加或者完善安全控制系统，其设计工作应遵循以下原则要求：
5.1 收集产品工艺资料
企业产品简介、使用工艺简介、合成氨工艺管道与仪表流程图，涉及的设备简图和工艺物性参数，特殊检测工艺操作状态下的物性、危险和可操作性分析（HAZOP）报告和保护层分析（LOPA）报告。
改造企业需提交的设计资料清单见附表3。
5.2 确定改造范围
（1）与企业协商，根据《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》（安监总管三〔2009〕116号）、《国家安全监管总局关于公布第二批重点监管危险化工工艺目录和调整首批重点监管危险化工工艺中部分典型工艺的通知》（安监总管三〔2013〕3号）、《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116号）文要求，确定需要改造的装置范围，实现合成氨工艺过程的自控联锁。
（2）核实合成氨工艺过程所涉及的上下游工艺过程对自身的影响（如原料储罐及输送、冷媒的规格数量、惰性保护气体的规格数量等）。
（3）将合成氨工艺以及对该工艺过程产生影响的上下游的工艺过程和对工艺安全产生影响的相关公用工程，一并纳入自动化控制与安全联锁技术改造范围，确定控制方案，绘制PID图。
5.3 仪表设备选型
（1）确定相关检测仪表型号；
（2）计算并选定执行机构型号；
（3）根据工艺过程复杂程度、检修能力等确定自动化和安全联锁的实现载体（如SIS、DCS；检测仪表、自控调节阀、紧急切断阀等）。
5.4 提交方案
（1）工艺管道与仪表流程图（PID）；
（2）顺序控制逻辑图（需要时）；
（3）控制、报警、联锁一览表；
（4）自控设备表；
（5）检测取源和执行器改造图（说明或标注标准号）；
（6）自控、联锁能源供应方案。
5.5 与建设方技术交底，提交改造图纸，签署设计变更
6 典型工艺安全控制系统设计方案
某厂合成氨工段工艺为例，简述其安全控制设计要点。
6.1 工艺简述
合成气作为原料通过热交换器加热以后进入合成塔，在合成塔内进行催化反应生成氨。反应气进入废热锅炉换热以后，经过冷凝器冷凝后，在氨分离器中分离，得到液氨。反应方程式为：
3H2 + N2→ 2NH3+Q
6.2 装置合成氨工艺危险性分析
6.2.1 固有危险性
装置的原料氢气火灾危险性属于甲类。氢气的爆炸极限为4.1-74.1%，爆炸范围非常宽，极易与空气混合能形成爆炸混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。当生产、储存设备及物料输送管道等出现泄漏、人为因素造成泄漏、在生产、装卸、储运过程中因控制失灵、误操作、设备腐蚀老化等原因均可引起火灾爆炸。装置产物氨在空气中爆炸极限为15.7-27.4%，与空气混合能形成爆炸混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。
6.2.2 工艺过程的危险性
对于合成氨工艺来说，由于生产过程处于高温高压条件下，难以进行良好的控制，导致各种危险特点的出现，主要体现在这样几个方面：合成氨工艺的主要原料组成为氮和氢，氢属于可燃气体，在高温高压环境下，可燃气体的爆炸极限将会得到扩展，这样的可燃气体原料在产生透氧时，由于爆炸极限的影响，可能会在设备或者管道中产生爆炸，对生产设备造成威胁。另外，在高温高压环境下，承载气态物料的容器一旦发生泄漏，就会导致气态物料的加速膨胀，在外界气体混合的情况下，一旦遇到明火或者摩擦出现的静电，就会导致爆炸。合成氨装置中润滑油在高温情况下会出现挥发和裂解现象，导致积碳出现在连接管道中，这些积碳或导致燃烧或者爆炸现象的出现。合成氨装置中设备主要由金属材料构成，在高温高压环境下，金属材料会发生不同程度的变形，金属组织发生变化，其中氢会对钢材形成氢蚀，氮会对金属形成渗氮，加快金属构件的腐蚀，导致物理爆炸现象的出现。最后是液氨泄漏，氨具有极其强烈的刺激性，在发生氨泄漏的情况下，会使相当大范围中的人群产生中毒现象，在遇到明火时还会出现爆炸。
6.3 装置合成氨工艺控制方案综述
合成塔入口管路设有调节阀，通过调节阀控制进气流量进而控制合成塔内温度，并在入口管路上设有流量计；合成塔设置温度检测、报警和联锁，温度高高时联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气切断阀；合成塔设置压力检测、报警；合成塔设置塔压力差检测和报警；合成塔入口管路设置温度检测和控制，通过调节阀控制进入合成塔气体温度温度；合成塔在合成气压缩机出口设置安全阀和紧急切断阀；合成塔入口管线设氮气和氢气在线检测仪表。
压缩机设置温度、压力和液位检测、报警，压缩机后设置压力联锁，压力高高时联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气切断阀；废热锅炉设置液位远传、报警和联锁，液位低低时联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气切断阀，废热锅炉压力通过出口调节阀控制，废热锅炉液位通过入口调节阀控制；氨分离器设置液位远传、报警和联锁，液位低低时联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气切断阀，氨分离器液位通过出口调节阀控制。
根据保护层分析（LOPA）及SIL定级报告，某企业合成塔装置的安全完整性等级采用SIL1级。合成塔温度高高，考虑仪表的安全性和可用性，测量仪表三取二，联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气进料切断阀；压缩机出口压力高高，考虑仪表的安全性和可用性，测量仪表三取二，联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气进料切断阀；废热锅炉液位低低，考虑仪表的安全性和可用性，测量仪表三取二，联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气进料切断阀；氨分离器液位低低，考虑仪表的安全性和可用性，测量仪表三取二，联锁停合成气压缩机和合成气压缩机新鲜气进料切断阀。
合成塔基本过程控制系统采用DCS系统，并配置了独立的安全仪表系统（SIS），以上控制、报警及联锁方式在控制室实现。工艺管道与仪表流程图见附图1，控制、报警、联锁一览表见附表4。
