合成氨厂重大危险源辨识及储罐区监测研究_李晓萌.doc
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1、工程硕士学位论文 合成氨厂重大危险源辨识 及储罐区监测研究 李晓萌 哈尔滨理工大学 2014 年 3 月 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文合成氣厂重大危险源辨识及储罐 区监测研究,是本人在导师指导下,在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除己注明部分外不包含他人己发表 或撰写过的研究成果。对本文研究 工作做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名: R 期 : 年 3 月 3 丨 R 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 合成氨厂重大危险源辨识及储罐区监测
2、研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。木人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门提交论文和电 子版本,允许论文被查阅 和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他 M 制手段保存论文,可以公布沦文的全部或部分内容。 木学位论文 H 于 保密,在年解密后适用授权 15。 不保密 0。 (请在以上相应方框内打 V) 作 者 签 名 : 闩 期 : 力 /f 年 3 月 31 H 导师签名 : H 期: 丨 workplace t
3、ransport、 building 2.4.6 重大危险源的辨识 以某合成氨厂由以上危险因素进行分析,并根据标准危险化学品重大危 险源辨识 GB18218-2009, 氨相对应的临界量是 10t, 该厂有一个容积为 5350m3的液氨储罐, 存储量按 50%计算是 1899.25t,合成氨厂实际存储氨的量 超出了临界量。可以确定在合成氨厂,构成重大危险源的主要为:液氨储罐。 根据危险化学品重大危险源的监督管理暂行规定(安监总局第 40 号 令)对合成氨厂危险化学品的重大危险源实施分级。将单元内危险化学品的实 际量,和标准危险化学品重大危险源辨识 GB18218-2009 中的相应危险化 学品
4、的临界量,两者作比,将修正完的值相加,用 R 表示 43,这即是分级指 标。 R = aj3 Q 式中: q 危险化学品实际的存在量 / (t); Q 危险 化学品所对应临界量 / (t); P 该危险化学品所对应修正系数; a 该危险化学品重大危险源的厂外暴露人数修正系数。 (2-6) 修正系数 P 值是基于对危险化学品的类别设置,见表 2-1 和表 2-2,可知 P=2 19 表 2-1 校正系数 p 的取值表 Table 2-1 Value for p correction coefficient table 危险化学品的类 别 有毒的气体 爆炸品 易燃的气体 其他类别的危险化 学品 P
5、 见下表 2-2 2 1.5 1 注:危险化学品在危险货物品名表的基础上进行分类。 表 2-2 常见毒性气体修正系数卩的取值表 Table 2-2 Value for (3 common toxic gases correction coefficient table 毒性气体名称 -氧化碳 二氧化硫 氨 环氧乙烷 氯化氢 P 2 2 2 2 3 毒性气体名称 溴甲烷 氯 硫化氢 氟化氢 二氧化氮 P 3 4 5 5 10 毒性气体名称 氰化氢 碳酰氯 磷化氢 异氰酸甲酯 P 10 20 20 20 厂外的暴露人员的修 正系数 是厂外 500 米范畴内的常住人口数量,见表 2-3,可知 a=0
6、.5。 表 2-3 校正系数 a 的取值表 Table 2-3 Value for a correction coefficient table 厂外可能暴露人员数量 a 100 人以上 2.0 50 人 99 人 1.5 30 人 -49 人 1.2 卜 29 人 1.0 0 人 0.5 代入公式计算 : R = aj3- = 0.5x2x 189925 = 189.925 (2-7) Q 10 根据计算出的 R=189.925值,依照表 2-4确定出合 成氨厂的重大危险源级 别。 表 2-4 危险化学品的重大危险源级别与 R 值之间的对应关系 Table 2-4 The correspon
7、ding relationship between hazardous chemicals major hazard levels and the value of R 危险化学品的重大危险源级别 R 值 第一级 R100 第二级 100R50 第三级 50R10 第四级 R100,因此,该合成氨厂的液氨储罐属于一级危险化学品 20 重大危险源。 液氨储罐是液化气储罐,是中压二类压力容器,具有发生物理性爆炸的危 害,爆炸产生的碎片及冲击波会产生极大的危害性。液氨储罐发生泄漏和爆炸 事故后,因为氨气有毒,极易造成周围人员中毒,泄漏出的氨气还容易发生燃 烧和爆炸事故。液氨储罐容易发生超压事故,超压
8、原因主要为:安全装置发生 失灵、安装不得当以及装置不完善齐全;液氨储罐的溶液量超标;液氨储罐发 生超压事故,因为温度的升高而造成的(例如环境的温度突然升高)。若液氨 储罐所能承受压力的能力下 降,它所存在缺陷的原因为:氨对储罐内壁有腐蚀 的作用;空气对储罐的外壁有腐蚀的作用;液氨引起的应力腐蚀;内部和外部 的介质对储罐的腐蚀可导致储罐的罐壁变薄。通过实验实践的证明:储罐的材 质发生恶化,储罐发生塑性形变以及有腐蚀、裂纹的出现,均与温度的升高有 很大关系。液氨储罐发生火灾爆炸的危险因素分析主要是:当储罐内的氨气发 生泄漏并与空气发生混合后,如果达到爆炸极限,在静电火花和明火的作用下 极容易导致火
9、灾和爆炸事故的发生。液氨储罐发生中毒的危险因素分析主要 是:因为液氨储罐以及储罐附件爆炸、泄漏,空气中氨 气浓度超过安全阈值可 能引起中毒甚至死亡;人接近液氨储罐、内部氨浓度未达到安全范围 44,45。 2.5 本章小结 本章阐述了合成氨的工艺过程,对原料气制备;原料气净化;原料气压缩 和合成进行分析,可见,合成氨厂存在危险化学品数量多、高温高压的设备容 器多。因此,对合成氨厂的重大危险源辨识是十分重要的,通过对合成氨工艺 过程的了解分析,才能对合成氨厂存在的重大危险源进行更全面的辨识。 在合成氨工艺过程的基础上,对该过程可能存在的重大危险源进行辨识, 辨识主要分为以下六 个方面:危险、有害物
10、质的辨识;合成氨各生产工段的危 险因素辨识;合成氨设备的危险辨识;合成氨环境的危险辨识;公用工程、场 内运输、建筑物的危险辨识;重大危险源的辨识。根据危险化学品重大危险 源辨识GB18218-2009,最后得出结论,合成氨的重大危险源主要是储罐区的 液氨储罐,属于一级危险化学品重大危险源。 第 3 章危险源监测硬件设计 3.1 总体方案设计 合成氨厂的重大危 险源主要在储罐区,本文主要针对液氨储罐进行监测研 究。危险源监测的总体方案设计如图 3-1 所示: 图 3-1 整机原理框图 Fig. 3-1 Principle block diagram of the whole 3.1.1 监测设计
11、原理 对液氨储罐的监测先通过前端的传感器采集信号,再将传感器采集的信号 通过信号调理电路进行调理,主要调理成符合本系统 A/D 的指标,将调理后的 信号通过多路开关,多路开关主 要是控制哪一路传感器信号输出。信号再通过 22 A/D 转换电路,实现模拟量与数字量之间的转换。最后将信号送入单片机微处 理器,向单片机内部输入程序、运行程序,来控制液晶显示、报警装置(超过 设定的上下限值,就会自动报警)、通信接口(与上位机进行连接)。 前端传感器采集的信号主要是液氨储罐的液位参数、温度参数、压力参数 和气体浓度参数,见图 3-2。 图 3-2 传感器测量参数 Fig. 3-2 Sensor meas
12、urement parameters 3.1.2 液氨储罐的具体技术指标 (1) 液氨储罐内液位应在 25% 85%。 (2) 液氨储罐安全温度为 -34C 50C。 (3) 液氨储罐压力为 1.6MPa 2.5MPa。 (4) 液氣储罐周边氨气浓度不应大于 30mg/m3。 (5) 对于系统参数超过预定的阈值,系统可以自动及时地 报警。 3.2 传感器及调理电路 3.2.1 液位模块 液氨储罐的液位不能低于 25%,不能高于 85%。 本设计的液位传感器选用是磁致伸缩液位变送器 AT100。 磁致伸缩效应是 指铁磁材料在磁场中发生形变的物理现象,磁致伸缩液位传感器由探测杆、浮 子和电路单元组
13、成。在测量过程中电路单元产生电流脉冲,该电流脉冲将会沿 着磁致伸缩线向下方传输,同时产生一个环状的磁场,浮子是套在探测杆上 23 的,并会随着液位的变化在探测杆上移 动,浮子内装有的一组永磁铁令其产生 一个磁场,电流的磁场遇上浮子的磁场即产生一个扭曲脉冲,也可称为返回脉 冲,扭曲脉冲与电流脉冲在时间上产生差值,将该差值转换为脉冲信号,这样 就可计算出浮子的实际位置而得到液位值。 AT100 的测量精度是 0.01%FS,电源电压是 10V 30V,本设计的 AT100采 用 24V 的电源电压,其工作温度是 -40C 121C, 工作压力小于 21MPa,测量范 围是 0.3m 22m。 AT
14、100 具有较好的防爆性能,可靠性强,精度高,安装和维 护起来简单,使用寿命长,有利于系统的自动化 工作。 AT100 输出的是 4mA 20mA 的标准电流信号,其输出需接调理电路(如 图 3-3 所示)来转换成 0V 2V 之间的电压信号,来匹配 A/D 电路。 图 3-3 调理电路 Fig. 3-3 Regulate circuit 3.2.2 温度模块 液氨储罐的温度为 -34C 50C 之间。 本设计的温度传感器选用铜热电阻变送器 KZW-KCU,主要由传感器 CU50 构成。铜热电阻传感器测温的原理是:在温度变化的时候,金属本身的 电阻也会发生变化 。因此,铜热电阻测温时反应出来的
15、是电阻值的变化,铜热 电阻变送器 KZW-KCU 是在 CU50 的基础上加入了一个电路模块,将输出电阻 的信号转化成电流的信号。 KZW-KCU 的测量精度是 0.2%FS, 电源电压是 24V, KZW-KCU 的测量范 围是 -5CTC 15(TC, 其体积小,测量滞后小,机械性能好,耐振,抗冲击,安 装和维护起来简单,使用寿命长。 KZW-KCU 输出的是 4mA 20mA 的标准电流信号,其输出需接调理电 24 路,如图 3-3 所示,来转换成 0V 2V 之间的电压信号,来匹配 A/D 电路。 3.2.3压力模块 液氨储罐属于中压二类压力容器,压力为 1.6MPa 2.5MPa。
16、本设计的压力传感器选用压阻式压力变送器 YPS208。 制成压阻式压力传 感器主要利用了两方面技术,一是晶体硅材料的压阻效应,二是集成电路技 术;晶体硅材料的压阻效应就是当有力作用在晶体硅上时,晶体的晶格会发生 变形,致使硅的电阻率发生变化;集成电路技术就是将电阻条集成在晶体硅膜 片上,制作成硅压阻芯片,同时将芯片的周围固定上,封装于外壳之内,将电 极的引线引出,压阻式压力传感器的 测量是直接通过内部的硅膜片感受被测压 力的。 YPS208 的测量精度是 0.25%FS, 电源电压是 12V 30V, 本 设 计 的 YPS208 采用 24V 的电源电压,其工作温度是 -40C 85C, 测
17、量范围是 OMPa 4MPa, 响应频率高 ( 适于动态测量),体积小,灵敏度高,精度高,可 靠性强,其无活动的部件,可在恶劣的环境下工作,对振动、冲击、腐蚀和强 干扰等的抗击性强。 YPS208 输出的是 4mA 20mA 的标准电流信号,其输出需接调理电路,如 图 3-3 所示,来转换成 0V 2V 之间的电压信号,来匹配 A/D 电路。 3.2.4气体浓度模块 因液氨储罐外的气体浓度不能等于或大于 30mg/m3,规定报警的浓度为下 限值的 15%,则液氨储罐外的气体浓度达到 4.5 mg/m3,开始持续报警。 本设计的气体浓度传感器选用的是电化学氨气变送器 HD1100。 电化学氨 气
18、变送器 HD1100 利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程,依 据待测气体的电化学反应时所产生的电流,是与其浓度成正比的,因其遵循法 拉第定律,所以,通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。 HD1100的测量精度 是 3%FS,电源电压是 12V 30V,本设计的 HD1100 采用 24V 的电源电压,测量范围是 OPPm lOOPPm (Omg/m3 75.9mg/m3), 响 应时间公 Os, 工作稳定高,反应速度快,测量精度高,具有防爆的结构特点。 HD1100 输出的是 4mA 20mA 的标准电流信号,其输出需接调理电路,如 图 3-3 所示,来转换成 0V 2V
19、 之间的电压信号,来匹配 A/D 电路。 25 3.3 数据采集电路 3.3.1 多路开关电路 多路开关即是在多路信号传输过程中,可以将其中所需要的任意一路信号 选择出来的电路。多路开关的工作原理如图 3-4 所示,以四选一的多路开关为 例,单片机给 A0 和 A1 组信号,如图给 1 和 0,换算成二进制数是 2,也就 是D2 这个输入端被选通了, Y 输出的就是 D2 的信号。 图 3-4 多路开关原理图 Fig. 3-4 Multiway switch schematic diagram 本设计的多路开关选用 CD4052,它是一个双四选一的多路模拟开关,在 应用 时,主要通过单片机对引
20、脚 A 和 B 的控制来实现选择哪一路输入。当从 四路信号输入中选第四路信号输入时,前提其使用的是 Y 组情况下,单片机送 入1 和 1 分别给引脚 A 和 B, 该路便被选中输出,同时需要注意的是,使能引 脚(第 6 脚)必须为 0 时,才会有通道被选中输出。如图 3-5 所示,将通过调 理电路的四路信号由 CD4052 的左侧 Y0 Y3 输入, 3 脚输出连接 ICL7135 的输 入, 9、 10 脚连接单片机控制哪一路信号输出。因为 CD4052 是双四选一的多 路开关,有 X、 Y 两组控制通道,本设计仅测四个参数,用一组通道即可(选 用的 Y 通道),如果增加了测量的参数,还可以
21、将 CD4052 多路开关的 X、 Y 通道同时使用就可实现。 26 图 3-5 多路开关电路 Fig. 3-5 Multiway switch circuit 3.3.2 A/D 转换电路 A/D 转换电路的作用就是将模拟量转换成数字量,如采集的液位、温度、 压力和气体浓度等参量均为模拟量,必须通过 A/D 进行转换处理为 单片机识别 的数字量,这样才可以更好地由单片机直接控制。 图 3-6ICL7135 时序图 Fig. 3-6 ICL7135 timing diagram 本设计的 A/D 转换芯片选用四位半双积分的 ICL7135,其测量精度比较 27 高,相当于 14 位的 A/D
22、转换,并且能够转换输出 20000 个数字量。 ICL7135 在价格方面也比较有优势,性价比高,同时对高频噪声和工频千扰 抑制效果 好。如图 3-6 所示 , ICL7135 的一个转换周期由以下四个步骤构成:第一步骤 是调零时期,也称为自校准时期,该时期的时间是 10001 个脉冲;第二步骤是 正向积分时期,也称为被测模拟电压积分时期,该时期的时间是 10000 个脉 冲;第三步骤是反向积分时期,也称为基准电压积分时期,该时期是不超过 20001个脉冲,也就是一直到 BUSY 信号为低电平的时候停止;第四步骤是积 分器回零时期,也称为过零检测时期。 BUSY 信号可以控制计数器的启动和停
23、止,当 BUSY 为高电平时开始正向积分阶段,当 BUSY 变为低电平 时反向积 分阶段结束 46。 图 3-7 A/D 转换电路 Fig. 3-7 A/D conversion circuit 整个系统的信噪比是评价这个系统优劣的重要参数,系统中的信噪比主要 取决于由模拟电路以及 A/D 转换电路,抑制系统中噪声对模拟电路以及 A/D 转换电路的干扰是提高信噪比的有效途径。本设计中接入光耦合芯片 6N137 来 提高信噪比, 6N137 是一款用于单通道的高速光耦合芯片。如图 3-7 所示,信 号从 ICL7135 左侧 10 脚输 入,输出端先通过 6N137 光耦合器 , 6N137 将
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