石油化工企業(yè)儲運罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)的設計與應用
發(fā)布時間：
2024-02-28 14:32
安全儀表系統(tǒng)的定義
安全儀表系統(tǒng)相關概念
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安全儀表系統(tǒng)的設計規(guī)范標準
安全儀表系統(tǒng)的設計應用
1碳五球罐改造前的狀況
2HAZOP及LOPA分析
對該項目做了HAZOP分析及LOPA分析，對碳五球罐所作的分析總結如下：
1）工藝偏離因素：高溫。
a）可能原因及危害。由于起火導致碳五球罐溫度、壓力上升，設備超溫、超壓損壞，引起火災爆炸，人員傷亡，污染環(huán)境。
b）改善措施。增設噴淋管線自控閥，碳五球罐溫度高高（達到50℃）通過SIS聯(lián)鎖打開自動噴淋措施，應符合SIL1等級；碳五球罐進出料管道增設緊急切斷閥，并具有手動操作功能，采取防火措施，火災報警通過SIS聯(lián)鎖切斷罐體根部進出料緊急切斷閥，應符合SIL1及閥門TSO等級。
2）工藝偏離因素：高液位。
a）可能原因及危害。人員操作失誤或伺服液位計故障導致碳五球罐液位上升，滿溢，嚴重時導致C5氣化，引起火災爆炸。
b）改善措施。罐頂增設1套雷達液位測量作為比對，增設液位高報警，高高聯(lián)鎖液位開關，增設進料緊急切斷閥。碳五球罐液位高高（至90%）通過SIS聯(lián)鎖關斷進料緊急切斷閥，應符合SIL2及相應閥門TSO等級。
3）工藝偏離因素：低/無液位。
a）可能原因及危害。人員操作失誤或伺服液位計故障導致碳五球罐液位下降，造成廢碳五裝車泵抽空損壞，C5外泄，引起火災爆炸，人員傷害，環(huán)境污染。
b）改善措施。罐頂增設1套雷達液位測量作為比對，增設液位低報警，低低聯(lián)鎖液位開關，增設出料緊急切斷閥。碳五球罐液位低低（至15%）通過SIS聯(lián)鎖關斷出料緊急切斷閥，停廢碳五裝車泵，應符合SIL2及相應閥門TSO等級。
3設計應用
根據上述HAZOP及LOPA分析報告，確定碳五球罐應設置SIS保護層，增設安全儀表改造方案為：罐頂增設1套雷達液位計，罐體分別增設1套高、低液位開關，罐體進出料管線分別增設1套緊急切斷閥，上/下半球噴淋管線分別增設1臺雨淋閥，原罐體的溫度檢測儀表取消，新上1臺具有SIL認證的溫度儀表。所有新增的現場安全儀表均接入新上的獨立的SIS中。
①現場安全儀表的選型設計
罐體溫度檢測儀表選用一體化溫度變送器，并須至少滿足SIL1認證要求；上下半球消防水噴淋管線各增設1臺雨淋閥，雨淋閥的選型及相關設計由給排水專業(yè)負責，其控制及閥位狀態(tài)等信號均引入消防控制室進行監(jiān)控；雷達液位計選用喇叭口天線型式，24V（DC）二線制回路供電，安裝利用罐頂原有的備用口，并須滿足SIL2認證要求；由于液化烴球罐在非檢修狀態(tài)下不允許動火作業(yè)，設備開口難度大，所以高/低液位開關選用外貼式超聲波液位開關，采用24V（DC）四線制，須滿足SIL2認證要求。以上儀表均選用防爆等級為ExDIICT4的隔爆型儀表。
根據《液化烴球罐緊急切斷閥選型設計規(guī)定》，在球罐的進、出料管線與球罐連接處的根部分別設置1臺緊急切斷閥。緊急切斷閥是實現液位高、低聯(lián)鎖的關鍵執(zhí)行元件，當球罐發(fā)生溢油或抽空時，或者罐區(qū)突發(fā)火災時，如果閥門出現故障無法實現自動或者遠程手動操作，而人員現場操作易產生嚴重的時間滯后，也會給操作人員造成生命危險，損壞重要的機組設備，給企業(yè)帶來重大的損失。故對緊急切斷閥的設計選型做以下詳細說明：
1）執(zhí)行機構。該罐區(qū)管廊均配有干凈的儀表風管線，因此緊急切斷閥應優(yōu)先選用氣動執(zhí)行機構，單作用氣缸選用氣開型（FC），側面帶手輪。
2）閥體和閥內件。緊急切斷閥的形式選用球閥或者蝶閥都可以，球閥的密封性更好、結構也相對簡單，但是口徑大的球閥價格比較昂貴，一般在DN200及以下的全通徑管線才選用球閥；大于DN200的管線一般選用價格相對便宜的蝶閥，而對密封性要求較高的場合可以選用技術更為先進的三偏心高性能蝶閥。
該球罐進、出口管徑為DN150，故優(yōu)先選用球閥，密封面采用金屬硬密封，泄漏等級為ANSIB16.104ClassVI級，可滿足該場合下對密閉性的高要求。閥體材質應符合配管材料等級規(guī)定，選用鑄鋼閥體，壓力等級為Class300Lb，選用符合API607或API6FA標準的火災安全型閥門。為了在火災發(fā)生時保護緊急切斷閥的執(zhí)行機構及其附件，閥門需配套安裝符合UL1709標準的防火罩。緊急切斷閥材質選擇見表2所列。
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3）附件。電磁閥選用24V（DC）ASCO二位三通低功耗型，雙電磁閥配置，電磁閥線圈采用高溫（等級Ｈ）絕緣耐用型及長期帶電型線圈，可以有效避免線圈燒毀引發(fā)的故障，采用直動式（非先導式）可以有效避免電磁閥粘連或者堵塞；閥位開關采用機械式接近型開關，防爆等級均為ExDIICT4；在罐區(qū)防火圍堰外設置現場防爆操作柱，確保人員在緊急情況下能夠實現現場手動關閥，接點信號接至SIS，電纜應采用防火電纜。
緊急切斷閥及附件整體遵循了故障安全型的設計原則，并須滿足SIL2等級的認證要求。
②安全聯(lián)鎖邏輯
由于HAZOP及LOPA分析報告中對碳五球罐的高低液位聯(lián)鎖保護SIF回路的SIL等級定為SIL2級，可以有兩種聯(lián)鎖設計方案：一是采用“一對一”聯(lián)鎖邏輯保護，低低液位開關與出口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關閥保護，高高液位開關與入口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關閥保護；二是本次改造增設1臺雷達液位計，可與高高/低低液位開關分別構成“二取一”，邏輯運算輸出再分別與進、出口緊急切斷閥實現聯(lián)鎖關閥保護。很顯然，第二種設計思路可以大幅提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，有效避免因1臺液位儀表的故障而造成聯(lián)鎖的失效，從而避免不必要的損失。該次碳五球罐改造涉及的SIS安全聯(lián)鎖有：
1）球罐新設溫度儀表檢測溫度值高高（達到50℃）聯(lián)鎖或者突發(fā)火災或者球罐泄漏等事故時，操作人員做出反應遠程操作控制軟按鈕，自動打開噴淋水閥門，同時關閉進出料緊急切斷閥。
2）球罐雷達液位計與高高液位開關中只要有1臺達到高高液位（聯(lián)鎖輸出0，邏輯“與”運算，“二取一”）聯(lián)鎖，或者通過現場操作柱按鈕直接控制，實現自動關閉入口切斷閥，同時停裝罐輸料泵。
3）球罐雷達液位計與低低液位開關中只要有1臺達到低低液位（聯(lián)鎖輸出0，邏輯“與”運算，“二取一”）聯(lián)鎖，或者通過現場操作柱按鈕直接控制，實現自動關閉出口切斷閥，同時停卸罐輸料泵。
所有安全儀表聯(lián)鎖回路均設有旁路開關（手動按鈕除外）以備檢修測試使用，緊急切斷閥和泵均設有復位軟按鈕，SIS中設有停泵軟按鈕，關閥及停泵的脈沖信號均通過RS觸發(fā)器做狀態(tài)保持。
③安全儀表系統(tǒng)
該次改造新設1套獨立的用于工藝安全聯(lián)鎖保護的SIS。該系統(tǒng)采用的是北京康吉森公司的Tsx Plus系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過了德國TÜV萊茵認證和IEC 61508 SIL3標準安全認證，滿足了標準認證原則。
該SIS配置3面標準機柜，包括1面電源柜、1面控制柜和1面輔助端子板柜。該系統(tǒng)為機籠式設計，機架內安裝的模塊都設計有助拔器，易于在線更換和維護。該系統(tǒng)設置3個獨立的控制器模塊PM01，實現了物理上完全獨立的三重化設計，每個I/O模塊配置三重化的I/O通道，所有控制器和I/O模塊均采用帶自診斷的“2oo3”冗余架構，I/O模塊通過支持ProfiSafe安全協(xié)議的通信總線與控制器完成數據交換，I/O模塊采用冗余電源供電，系統(tǒng)側與現場側隔離，支持帶電熱插拔。
這樣的架構特點完全符合了SIS設計的可靠性和可用性原則。按照系統(tǒng)I/O點不少于20%預留量的配置原則，該系統(tǒng)共配置AI模塊（AI3281，32通道，4~20mA）4塊，DI模塊（DI3201，32通道，干接點）5塊，DO模塊（DO3201，32通道，0.5A/24V（DC））3塊。
SIS與DCS完全獨立，獨立完成安全保護功能。系統(tǒng)配置2塊通信模塊CM01，采用“一主一熱備”的方式，用于實現控制器與上位機之間的數據交換；配置2臺安全交換機和1塊以太網卡，通過以太網與工程師站通信；通過ModbusRTU與DCS實現通信，并通過CM01接收GPS校時源的校時脈沖，實現與DCS的同步集成。
此外，輔助機柜中所有信號類型均配有轉接端子板，參與電氣馬達狀態(tài)指示和控制以及電磁閥控制和閥位指示的DI/DO均采用繼電器隔離。有些參與SIS聯(lián)鎖的機組設備或者控制閥，還需要在DCS中實現過程控制，為這些信號配置滿足SIL2等級標準的“一入二出”信號分配器，以硬接線的方式從SIS中分一路信號至DCS，而那些只需要在DCS監(jiān)視而不操作的，可以采用通信的方式從SIS中讀取數據。結合現場儀表供電需要，電源模塊（24V（DC）/480W）和（24V（DC）/240W）各8塊，并配置電源冗余模塊；220V（AC）和24V（DC）空開若干。
控制室內設置獨立的1套操作站和1套工程師站SOE站兼操作員站。另外還設置了1個輔助操作臺，操作臺面板上設置了一鍵緊急停車按鈕以及循環(huán)氫壓縮機、氫氣入口切斷閥等重要機組及儀表設備的緊急操作按鈕，這些按鈕均采用硬接線的方式接入SIS的DI輸入模塊，并在聯(lián)鎖邏輯中體現。
Tsx Plus系統(tǒng)供電，設計采用了兩路220Ｖ（AC）ＵＰＳ電源。機柜內每個機籠的供電通過PLUS電源轉換成24V（DC）給機籠供電，機籠供電分成系統(tǒng)側電源和現場側電源，完全獨立布置。機柜的照明及風扇等用電取自一路市電。
SIS接地電阻應小于4Ω，滿足系統(tǒng)和規(guī)范要求，保護地和工作地的接地銅排分開接線，動力纜和信號纜分開敷設，線纜的屏蔽層直接接入屏蔽地匯流排。
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