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石油化工企業(yè)儲運罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)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(guān)概念
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安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范標準
安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)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(jié)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(shè)備超溫、超壓損壞，引起火災(zāi)爆炸，人員傷亡，污染環(huán)境。
b）改善措施。增設(shè)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(yīng)符合SIL1等級；碳五球罐進出料管道增設(shè)緊急切斷閥，并具有手動操作功能，采取防火措施，火災(zāi)報警通過SIS聯(lián)鎖切斷罐體根部進出料緊急切斷閥，應(yīng)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(zāi)爆炸。
b）改善措施。罐頂增設(shè)1套雷達液位測量作為比對，增設(shè)液位高報警，高高聯(lián)鎖液位開關(guān)，增設(shè)進料緊急切斷閥。碳五球罐液位高高（至90%）通過SIS聯(lián)鎖關(guān)斷進料緊急切斷閥，應(yīng)符合SIL2及相應(yīng)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(zāi)爆炸，人員傷害，環(huán)境污染。
b）改善措施。罐頂增設(shè)1套雷達液位測量作為比對，增設(shè)液位低報警，低低聯(lián)鎖液位開關(guān)，增設(shè)出料緊急切斷閥。碳五球罐液位低低（至15%）通過SIS聯(lián)鎖關(guān)斷出料緊急切斷閥，停廢碳五裝車泵，應(yīng)符合SIL2及相應(yīng)閥門TSO等級。
3設(shè)計應(yīng)用
根據(jù)上述HAZOP及LOPA分析報告，確定碳五球罐應(yīng)設(shè)置SIS保護層，增設(shè)安全儀表改造方案為：罐頂增設(shè)1套雷達液位計，罐體分別增設(shè)1套高、低液位開關(guān)，罐體進出料管線分別增設(shè)1套緊急切斷閥，上/下半球噴淋管線分別增設(shè)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(xiàn)場安全儀表均接入新上的獨立的SIS中。
①現(xiàn)場安全儀表的選型設(shè)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(shè)1臺雨淋閥，雨淋閥的選型及相關(guān)設(shè)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(shè)備開口難度大，所以高/低液位開關(guān)選用外貼式超聲波液位開關(guān)，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(jù)《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)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(shè)置1臺緊急切斷閥。緊急切斷閥是實現(xiàn)液位高、低聯(lián)鎖的關(guān)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(zāi)時，如果閥門出現(xiàn)故障無法實現(xiàn)自動或者遠程手動操作，而人員現(xiàn)場操作易產(chǎn)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(shè)備，給企業(yè)帶來重大的損失。故對緊急切斷閥的設(shè)計選型做以下詳細說明：
1）執(zhí)行機構(gòu)。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(yīng)優(yōu)先選用氣動執(zhí)行機構(gòu)，單作用氣缸選用氣開型（FC），側(cè)面帶手輪。
2）閥體和閥內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì)應(yīng)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(zāi)安全型閥門。為了在火災(zāi)發(fā)生時保護緊急切斷閥的執(zhí)行機構(gòu)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(zhì)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(guān)采用機械式接近型開關(guān)，防爆等級均為ExDIICT4；在罐區(qū)防火圍堰外設(shè)置現(xiàn)場防爆操作柱，確保人員在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場手動關(guān)閥，接點信號接至SIS，電纜應(yīng)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(shè)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(shè)計方案：一是采用“一對一”聯(lián)鎖邏輯保護，低低液位開關(guān)與出口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關(guān)閥保護，高高液位開關(guān)與入口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關(guān)閥保護；二是本次改造增設(shè)1臺雷達液位計，可與高高/低低液位開關(guān)分別構(gòu)成“二取一”，邏輯運算輸出再分別與進、出口緊急切斷閥實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)閥保護。很顯然，第二種設(shè)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(shè)溫度儀表檢測溫度值高高（達到50℃）聯(lián)鎖或者突發(fā)火災(zāi)或者球罐泄漏等事故時，操作人員做出反應(yīng)遠程操作控制軟按鈕，自動打開噴淋水閥門，同時關(guān)閉進出料緊急切斷閥。
2）球罐雷達液位計與高高液位開關(guān)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(xiàn)場操作柱按鈕直接控制，實現(xiàn)自動關(guān)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(guān)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(xiàn)場操作柱按鈕直接控制，實現(xiàn)自動關(guān)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(shè)有旁路開關(guān)（手動按鈕除外）以備檢修測試使用，緊急切斷閥和泵均設(shè)有復位軟按鈕，SIS中設(shè)有停泵軟按鈕，關(guān)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(shè)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(shè)計，機架內(nèi)安裝的模塊都設(shè)計有助拔器，易于在線更換和維護。該系統(tǒng)設(shè)置3個獨立的控制器模塊PM01，實現(xiàn)了物理上完全獨立的三重化設(shè)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(gòu)，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(shù)據(jù)交換，I/O模塊采用冗余電源供電，系統(tǒng)側(cè)與現(xiàn)場側(cè)隔離，支持帶電熱插拔。
這樣的架構(gòu)特點完全符合了SIS設(shè)計的可靠性和可用性原則。按照系統(tǒng)I/O點不少于20%預(yù)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(xiàn)控制器與上位機之間的數(shù)據(jù)交換；配置2臺安全交換機和1塊以太網(wǎng)卡，通過以太網(wǎng)與工程師站通信；通過ModbusRTU與DCS實現(xiàn)通信，并通過CM01接收GPS校時源的校時脈沖，實現(xiàn)與DCS的同步集成。
此外，輔助機柜中所有信號類型均配有轉(zhuǎn)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(shè)備或者控制閥，還需要在DCS中實現(xiàn)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(shù)據(jù)。結(jié)合現(xiàn)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(nèi)設(shè)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(shè)置了1個輔助操作臺，操作臺面板上設(shè)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(shè)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(xiàn)。
Tsx Plus系統(tǒng)供電，設(shè)計采用了兩路220Ｖ（AC）ＵＰＳ電源。機柜內(nèi)每個機籠的供電通過PLUS電源轉(zhuǎn)換成24V（DC）給機籠供電，機籠供電分成系統(tǒng)側(cè)電源和現(xiàn)場側(cè)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(yīng)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(shè)，線纜的屏蔽層直接接入屏蔽地匯流排。
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