化工企业高危险工艺装置自动控制和安全联锁技术简介
自动控制和安全联锁技术简介
  我是四川瞭望工业自动化控制技术有限公司侯辉乾。在化工企业自动控制及安全联锁装置的技术、设计

和安装（改造）等方面，我公司进行了系统的调查研究，四川瞭望并向多家化工企业提供了自动控制及安

全联锁技术安装改造方案，为提高化工企业的本质安全水平做了一些工作。四川瞭望就化工企业高危险工

艺装置自动控制和安全联锁技术，向大家作简要介绍。
    一、化工企业工艺装置危险性分析
    化工企业的高危险工艺生产装置主要是指含有硝化、磺化、卤化、强氧化、重氮化、加氢等化学反应

过程和存在高温（≥300℃）、高压（≥10MPa）、深冷（≤-29 ℃）等极端操作条件的生产装置。
    高危险储存装置主要指剧毒、液化烃、液氨、低闪点（≤-18 ℃）易燃液体、液化气体等危险化学

品储存装置。
    （一）高危险生产装置的危险性
    下面，介绍六类常见的最主要的高危险生产装置的危险性。
    1、硝化反应。有两种：一种是指有机化合物分子中引入硝基取代氢原子而生成硝基化合物的反应，

如苯硝化制取硝基苯、甘油硝化制取硝化甘油；另一种是硝酸根取代有机化合物中的羟基生成硝酸酯的化

学反应。生产染料和医药中间体的反应大部分是硝化反应。
    硝化反应的主要危险性有：
    (1)爆炸。硝化是剧烈放热反应，操作稍有疏忽、如中途搅拌停止、冷却水供应不足或加料速度过快

等，都易造成温度失控而爆炸。
    (2)火灾。被硝化的物质和硝化产品大多为易燃、有毒物质，受热、磨擦撞击、接触火源极易造成火

灾。
    (3)突沸冲料导致灼伤等。硝化使用的混酸具有强烈的氧化性、腐蚀性，与不饱和有机物接触就会引

起燃烧。混酸遇水会引发突沸冲料事故。
    2、磺化反应。磺化反应是有机物分子中引入磺（酸）基的反应。磺化生产装置的主要类型：
    （1）烷烃的磺化。如生产十二烷基磺酸钠、
    （2）苯环的磺化。如生产苯磺酸钠类。
    （3）各种聚合物的磺化和氯磺化。如生产各种颜料、染料的磺化等。
    磺化反应的主要危险性有：
    （1）火灾。常用的磺化剂，如浓硫酸、氯磺酸等是强氧化剂，原料多为可燃物。如果磺化反应投料

顺序颠倒、投料速度过快、搅拌不良、冷却效果不佳而造成反应温度过高，易引发火灾危险。
    （2）爆炸。磺化是强放热反应，若不能有效控制投料、搅拌、冷却等操作环节，反应温度会急剧升

高，导致爆炸事故。
    （3）沸溢和腐蚀。常用的磺化剂三氧化硫遇水生成硫酸，会放出大量热能造成沸溢事故，并因硫酸

的强腐蚀性而减少设备寿命。
    3、卤化反应。有机化合物中的氢或其他基团被卤素（Cl、Br、F、I）取代生成含卤有机物的反应称

为卤化反应。化工生产中常见的卤化反应有：黄磷与氯气反应生成三氯化磷、硫磺与氟气反应生成六氟化

硫、双酚A、苯酚、二苯乙烷与溴素反应生成溴系阻燃剂等。
    卤化反应主要危险性有：
    （1）火灾。卤化反应的火灾危险性主要取决于被卤化物质的性质及反应过程条件，反应过程所用的

物质为有机易燃物和强氧化剂时，容易引发火灾事故。
    （2）爆炸。卤化反应为强放热反应，因此卤化反应必须有良好的冷却和物料配比控制系统。否则超

温超压会引发设备爆炸事故。
    （3）中毒。卤化过程使用的液氯、溴具有很强的毒性和氧化性，液氯储存压力较高，一旦泄露会发

生严重的中毒事故。
    4、强氧化反应。物质与氧或强氧化剂发生的化学反应称为强氧化反应。常见强氧化反应有：氨氧化

制硝酸、甲醇氧化制甲醛、丙烯氧化制丙烯酸等。
    强氧化反应的主要危险性有：
    （1）爆炸。强氧化反应一般是剧烈放热反应，反应热如不及时移去，将会造成反应失控而发生爆炸

事故。氧化反应中的物质大部分是易燃、易爆物质，副产过氧化物的性质极不稳定，受热易分解，有爆炸

危险。
    （2）火灾。氧化剂具有很强的火灾危险性，如遇高温、撞击、摩擦以及与有机物、酸类接触都能引

发火灾。
    5、重氮化反应。重氮化是使芳伯胺变为重氮盐的反应。常见的重氮反应有：丙酮氰醇与水合肿、氯

气合成偶氮二异丁腈、芳胺与亚硝酸钠反应制得偶氮染料等。
    重氮化反应的主要危险性有：
    （1）爆炸。重氮化反应的危险性在于所产生的重氮盐，在温度稍高或光的作用下，极易分解，有的

甚至在室温时亦能分解。一般每升高10℃，分解速度加快两倍。在干燥状态下，有些重氮盐不稳定，外部

条件能促使重氮化合物激烈分解，有爆炸着火的危险。
    （2）火灾。作为重氮剂的芳胺化合物多为可燃有机物在一定条件下易引发火灾
    6、加氢反应。在石油化工生产中，在催化剂及氢存在条件下以除去其中的硫、氮或不饱和键、烯烃

或使原料发生裂解的反应称为加氢反应。
    加氢反应的火灾危险性有：
    （1）爆炸。许多还原反应都是在氢气存在条件下，并在高温、高压下进行，如果因操作失误或设备

缺陷发生氢气泄漏，极易发生爆炸。
    （2）火灾。加氢裂化在高温、高压下进行，且需要大量氢气，一旦油品和氢气泄漏，极易发生火灾

或爆炸。
    （3）氢脆。加氢为强烈的放热反应，氢气在高温下与钢材接触，钢材内的碳分子易与氢气发生反应

生成碳氢化合物，使钢制设备强度降低，发生氢脆。
    （二）、高危险储存装置的危险性
    高危险储存装置：储存剧毒、液化烃、液氮、低闪点易燃液体和液化气体的储罐、钢瓶、气柜等。其

危险性：
    （1）泄漏。由于储存设备损坏或操作失误引起泄漏，从而大量释放易燃、易爆、有毒有害物质，将

会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生。如四川发生的液氯储罐泄漏爆炸事件，使数十万居民紧急转移

，影响极大。
    （2）中毒。有毒物质泄漏后形成有毒蒸汽云，它在空气中漂移、扩散，直接影响现场人员，并可能

波及居民区。大量剧毒物质泄漏可能带来严重人员伤亡和环境污染。
    （3）火灾。储存易燃液体、易氧化或遇水剧烈反应的物质，易引发火灾事故。
    （4）爆炸。储存低闪点的易燃液体或气体，如液化烃储罐，由于液化烃闪点低，极易燃烧，一旦泄

露遇酸、撞击、摩擦、有机易燃物质或积聚的静电会发生火灾及爆炸事故。如南京金陵石化的油罐发生爆

炸事故，造成20人死亡。
    （三）人工手动控制的危险有害因素
    1、危险性大小五要素：
    化工装置的危险性大小通常用危险度来分级，分为高度危险级、中度危险级和低度危险级三级，构成

危险度的五个要素是：
    　（1）、物质：工艺过程中的物质本身固有的点火性、可燃性、爆炸性和毒性。
    　（2）、容量：工艺过程中物料量，量大危险性大。
    （3）、温度：运行温度越高，点火温度低的危险性大。
    （4）、压力：运行压力越高越危险。
    （5）、操作：不同的化工产品、不同的反应类型、不同的运行条件、不同的工艺路线、不同的原料

路线造成化工操作异常复杂。
    2、人工手动控制的危险有害因素
    据初步调查，我省中小型化工企业的生产装置，一般以人工手动控制为主要操作手段。从化工生产的

特点分析，人工手动控制的危险有害因素有：
    （1）、现场人工操作用人多，一旦发生事故件直接造成人员伤亡。
    （2）、人的不安全行为是事故发生的重要原因。在温度、压力、液位、进料量的控制中，阀门开关

错误或指挥错误将会导致事故的发生。
    （3）、人工手动控制中很难严格控制工艺参数，稍有不慎即会出现投料比控制不当和超温、超压等

异常现象，引发溢料、火灾甚至爆炸事故。
    （4）、作业环境对人体健康的影响不容忽视，很容易造成职业危害。
    （5）、设备和环境的不安全状态及管理缺陷，增加了现场人员机械伤害、触电、灼伤、高处坠落及

中毒等事故的发生，直接威胁现场人员安危。
    二、常用的自动化控制和安全联锁方式
    （一）自动控制和安全联锁的作用
    化工生产过程中高温、高压、易燃、易爆、易中毒、有腐蚀性、有刺激性臭味等危险危害因素是固有

的。自动化操作不仅能严格控制工艺参数、避免手动操作的不安全隐患还能降低劳动强度、改善作业环境

，而且能更好的实现高产、优质、长周期的安全运行。
    总之，对高危险工艺装置，在不能消除固有的危险危害因素又不能彻底避免人为失误的情况下，采用

隔离、远程自动控制等方法是最有效的安全措施。
    （二）常用的自动控制及安全联锁方式
    对高危作业的化工装置最基本的安全要求应当是实行温度、压力、液位超高（低）自动报警、联锁停

车，最终实现工艺过程自动化控制。目前，常用的工艺过程自动化控制及安全联锁主要有：
    1、智能自动化仪表。智能仪表可以对一个温度、压力、液位实现自动控制。
    2、分布式工业控制计算机系统，简称DCS，也叫做分散控制系统。DCS是采用网络通讯技术，将分布

在现场的控制点、采集点与操作中心连接起来，共同实现分散控制集中管理的系统。
    3、可编程序控制器，简称PLC。应用领域主要是逻辑控制，顺序控制，取代继电器的作用，也可以用

于小规模的过程控制。
    4、现场总线控制系统，简称FCS。FCS是基于现场总线的开放型的自动化系统，广泛应用于各个控制

领域，被认为是工业控制发展的必然趋势。尤其本质安全型总线,更加适合直接安装于石油、化工等危险

防爆场所,减少系统发生危险的可能性。
    5、各种总线结构的工业控制机，简称OEM。总线结构的工业控制机的配置灵活，扩展使用方便，适应

性强，便于集中控制。
    6、以上控制方式都可以配备紧急停车系统（ESD）和其他安全连锁装置。
    （三）典型控制单元模式
    化工生产过程千差万别，单元操作类型并不多。下面，简单介绍几个典型的基本单元控制模式：
    1、化学反应器基本单元操作模式
    多数化学反应是放热反应，硝化、卤化、强氧化反应是剧烈的放热反应；磺化、重氮化、加氢反应是

强放热反应。随着反应温度的升高，反应速度将会加快，反应热也将随之增加，使温度继续上升，没有可

靠的移除反应热的措施，反应不稳定，将会超温，引发事故。
    化学反应器的控制指标有温度、压力、流量、液位等，是各单元操作中较复杂也是最危险的操作。多

数反应器应当配置超温、超压、超液位报警和联锁系统。
    （反 应器 单 元 模 式 见 附 图 A， B）
    这是一个典型的硝化、氯化、磺化反应器控制原理图。
    1，这是流量控制，通过控制进料量使系统反应配比及反应过程稳定。这个地方也可以根据实际情况

采用比值调节来控制进料配比。
    2，这是温度调节通过控制冷媒流量来调节反应器温度。当反应器温度上升时，系统自动调大调节阀

开度使冷媒流量加大。反之亦然。
    3，        这是温度超高连锁，当温度超高时系统报警，同时关闭紧急切断阀切断进料。
    4，        这是液位控制，通过控制出料阀的开启度来控制出料量使反应器液位保持恒定。同时可

设液位高低限报警。
     这是一个典型的聚合反应器，设夹套加热，盘管冷却。
    1，与前面反应器不同的是配置了压力调节系统，使反应器的压力保持稳定。当反应超压时报警，同

时连锁关闭进料阀，若反应器内余料继续反应，压力继续升高，就开启安全泄压系统，尾气进回收装置。
    有些反应为满足反应条件需要先升温，反应开始后又会放热，为控制温度恒定，需要再降温，对这类

反应的温度控制就更加复杂。
    2降温系统。
    3升温系统。
    2、蒸馏塔系统基本单元模式
     蒸馏是应用极为广泛的传质过程，其目的是将混合液各组分进行分离，达到要求的纯度标准。
     蒸馏塔系统的调节参数有进料量、馏出量、釜液量、冷却量、加热量、回流量六个；被调节参数有

压力、塔釜液位、进料量、产品量、回流罐液位、回流比六个。
    （蒸馏塔系统单元模式见附图C）                 
    1，进料量控制     2，加热量控制
    3，塔釜液位控制   4，回流量控制    5，冷凝液位控制
    3、换热器基本单元模式
    工艺过程中常设置换热器设备（冷却器、再沸器、冷凝器等），其调节控制参数都是温度。通常控制

方案有三种：调节有效传热面积、根据工艺物料出口温度来调节冷（热）载体流量、改变温差
    （换热器基本单元模拟见附图D）
    1，温度超高报警连锁，温度超高后报警同时切断蒸汽入口阀。
    2，加热量控制系统       3，进料量控制系统
    4，进料预热控制系统      5，液位控制系统
    6，压力控制系统 4、易燃液体储罐基本单元模式
    仪表控制设计一般要求
    ①    液位：就地液位指示，远传液位指示，高、低液位报警，高、低液位联锁（需要时设）。
    ②    温度：就地温度指示、远传温度指示（需要时设报警），有加热系统的设温度调节
    ③  流量：进出料管线上设流量计
    附图E      常压液体储罐基本单元模式
    易燃液体储罐说明：
    安全设施有：1、喷洒冷却水，压力指示、报警；可和温度连锁实现自动喷淋2、现场流量指示及液位

现场指示、远传指示、高低液位报警及超高液位连锁；3、氮封压力调节，使罐内氮封压力保持正压；4、

阻燃式呼吸阀；5、有必要时设温度指示、报警、连锁；6、必要时在储罐附近设可燃气体浓度监测报警及

有毒气体浓度监测报警。7、有些储罐可设置泡沫灭火设施。
    以上的这些监测点的采集、显示，以及控制阀门的动作等等，所有这些控制策略需要DCS或者PLC来完

成。
    三、安装（改造）自动控制和安全联锁装置应做的主要工作
    化工企业高危险工艺装置安装自动控制和安全联锁的技术改造工作，应主要做好以下几点：
    （一）对工艺装置进行风险分析。
    （1）对产品、中间产品、原料及辅助材料的物理、化学性质进行分析，确认其点火性、可燃性和毒

性，并根据其贮存量和工艺过程中的物料量确定其危险程度；
    （2）对工艺的固有危险性进行分析，确认工艺过程中有几步化学反应，主要危险是什么。并对可能

发生的事故类型、损失程度进行分析；
    （3）对反应器、储罐等主要危险设备的新旧程度、生产、储存装置的现有状态进行分析；
    （4）对企业现有工艺规程、安全规程等操作制度和现有的安全设施进行分析；
    （5）通过以上分析找出现有装置的主要危险有害因素，主要工艺控制参数，初步确定控制点和监测

点的要求。
    对以上的风险分析工作，大型企业可以组织自己的工艺、设备、安全方面的专家自主进行，中小型企

业从提高企业安全生产条件的角度出发，应当委托具有相应资质的安全评价、化工设计等中介机构进行。
    （二）制定安装（改造）方案。化工企业高危险工艺装置安装自动控制和安全连锁是一项非常复杂的

系统工作。自动控制和安全联锁系统的方案设计，应当委托具有资质的设计单位承担。对于高度危险装置

的自动化控制和安全连锁系统方案设计，建议委托具备甲级资质、有经验的设计单位承担，根据国家相关

设计规范和标准进行全面的安全系统设计。
    （三）做好实施的各项准备工作。企业的设计方案确定后，要做好实施前的准备工作，一是自动控制

系统、安全联锁装置的选型，根据先进性、经济合理性、供应商服务能力与质量等原则，咨询设计等单位

的意见后确定；二是对相关人员进行专业培训，确保掌握自动控制及安全联锁装置的知识和操控能力；三

是制定新的工艺操作规程和安全规程，并组织企业全员学习。
    （四）安装、调试和投入运行。装置停车进行相关的吹扫、置换、封堵等工作，确保停车过程中的安

全。自动控制及安全联锁装置的安装、调试，必须由具备能力有资质的单位承担，企业应当选派人员参与

安装调试工作，培养自己的技术人才。安装调试完成后，企业按照事先制定的开车方案，并严格按照安全

规程的要求，进行空车联动试运转，在确认无问题后再投料开工，正式投入运行。
    小结
     通过近年来从四川瞭望设计和实施的中小型化工医药项目看，如山东东岳化工1万t/a R134a、

5000t/a R152、KB建滔（河北）化工5万t/a 苯加氢、广东韶关1.5万t/a HF 、内蒙俱进化工4000t/a表面

活性剂、帝斯曼淄博制药有限公司1200t/a 头孢氨苄、齐鲁增塑剂公司2万t/a多品种增塑剂、东营胜大化

工1万t/a氯化聚乙烯、淄博中轩黄原胶项目远程控制技术改造、淄博嘉吉公司20万吨酒精回收等项目。采

取DCS或PLC控制，在控制工艺运行指标、稳定产品质量、降低物料消耗、减少用工、实现本质安全生产等

方面，都达到了预期效果。