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石油化工企業(yè)儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：

2024-02-28 14:32

按照國(guó)家最新要求，對(duì)涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工企業(yè)和危化品儲(chǔ)存單位，無(wú)論是新建項(xiàng)目還是存在安全隱患需要改造的在役項(xiàng)目，在進(jìn)入設(shè)計(jì)階段之前或初期都要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全評(píng)估。一般都是通過(guò)有相關(guān)資質(zhì)的單位做危險(xiǎn)和可操作性分析（HAZOP）以及保護(hù)層分析（LOPA），出具正式的分析報(bào)告，以此來(lái)確定該項(xiàng)目的安全儀表功能（SIF）及其安全完整性等級(jí)（SIL），作為設(shè)計(jì)院進(jìn)行施工圖階段的設(shè)計(jì)依據(jù)。

安全儀表系統(tǒng)的定義

根據(jù)IEC 61511的定義，安全儀表系統(tǒng)（SIS）是指實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)SIF的儀表系統(tǒng)，通常由傳感器，邏輯運(yùn)算器和執(zhí)行元件組成。該定義可以這樣理解：將用于安全保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)各類檢測(cè)儀表，其信號(hào)傳輸至獨(dú)立于基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）的用于過(guò)程安全的控制系統(tǒng)中，通過(guò)邏輯運(yùn)算，使負(fù)責(zé)安全功能的執(zhí)行器執(zhí)行安全保護(hù)動(dòng)作，最終保障整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

安全儀表系統(tǒng)相關(guān)概念

SIF是為了防止和減少危險(xiǎn)事件的發(fā)生，由SIS執(zhí)行具有特定SIL等級(jí)的安全功能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、邏輯控制器、執(zhí)行元件及相關(guān)軟件等，應(yīng)對(duì)特定的危險(xiǎn)狀態(tài)，保持安全狀態(tài)運(yùn)行。SIF運(yùn)行模式分為低要求操作模式和高要求（或連續(xù)）操作模式。舉個(gè)完整的SIF的例子：液位開關(guān)-輸入卡件（DI）-邏輯控制器-輸出卡件（DO）-繼電器-電機(jī)/開關(guān)閥，便是一個(gè)完整的SIF回路，回路中的每一個(gè)組成部分都需要滿足SIF回路的SIL等級(jí)要求。SIL等級(jí)劃分見表1所列。

安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

在SIS的設(shè)計(jì)工作中，國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)有IEC 61508和IEC 61511，而在國(guó)內(nèi)，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 21109-2007《過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)整個(gè)SIS的技術(shù)要求都作出了詳細(xì)且明確的說(shuō)明。此外，國(guó)家安監(jiān)總局在2013年還發(fā)布了“國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見（安監(jiān)總管三［2014］116號(hào)）”，對(duì)涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工企業(yè)和危化品儲(chǔ)存單位，在排查安全隱患，加強(qiáng)安全儀表系統(tǒng)管理等工作上作出了明確要求，這些都是設(shè)計(jì)工作所必須遵守的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及行業(yè)準(zhǔn)則。

安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

某化工企業(yè)的碳五深加工裝置及罐區(qū)已投產(chǎn)運(yùn)行十余年，未設(shè)置SIS，工藝過(guò)程控制及安全聯(lián)鎖保護(hù)功能均在DCS中實(shí)現(xiàn)，已不符合現(xiàn)行的國(guó)家及行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)和安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范，存在嚴(yán)重的安全隱患，因此必須按規(guī)范要求進(jìn)行改造。由于改造內(nèi)容眾多，現(xiàn)只對(duì)其中的碳五球罐SIS的改造設(shè)計(jì)工作作簡(jiǎn)要介紹。

1碳五球罐改造前的狀況

碳五球罐頂部設(shè)氮封措施，0.6MPa氮?dú)鈦?lái)自管廊，進(jìn)球罐之前減壓至0.3MPa左右，罐頂設(shè)1臺(tái)壓力變送器用于檢測(cè)罐頂壓力，同時(shí)與氮?dú)庑斗殴芫€的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成壓力調(diào)節(jié)回路，將球罐操作壓力穩(wěn)定在0.3MPa左右。

球罐體液位測(cè)量設(shè)置1套伺服式液位計(jì)，溫度測(cè)量設(shè)置1臺(tái)Pt100熱電阻，罐底進(jìn)出料管線只設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)閥門；球罐雖設(shè)有噴淋系統(tǒng)，但未設(shè)置自動(dòng)控制設(shè)備，上下半球消防水噴淋管線分別通過(guò)手動(dòng)閥門控制。

2HAZOP及LOPA分析

對(duì)該項(xiàng)目做了HAZOP分析及LOPA分析，對(duì)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(dǎo)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(dá)到50℃）通過(guò)SIS聯(lián)鎖打開自動(dòng)噴淋措施，應(yīng)符合SIL1等級(jí)；碳五球罐進(jìn)出料管道增設(shè)緊急切斷閥，并具有手動(dòng)操作功能，采取防火措施，火災(zāi)報(bào)警通過(guò)SIS聯(lián)鎖切斷罐體根部進(jìn)出料緊急切斷閥，應(yīng)符合SIL1及閥門TSO等級(jí)。

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(jì)故障導(dǎo)致碳五球罐液位上升，滿溢，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)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(dá)液位測(cè)量作為比對(duì)，增設(shè)液位高報(bào)警，高高聯(lián)鎖液位開關(guān)，增設(shè)進(jìn)料緊急切斷閥。碳五球罐液位高高（至90%）通過(guò)SIS聯(lián)鎖關(guān)斷進(jìn)料緊急切斷閥，應(yīng)符合SIL2及相應(yīng)閥門TSO等級(jí)。

3）工藝偏離因素：低/無(wú)液位。

a）可能原因及危害。人員操作失誤或伺服液位計(jì)故障導(dǎo)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(dá)液位測(cè)量作為比對(duì)，增設(shè)液位低報(bào)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(guò)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(jí)。

3設(shè)計(jì)應(yīng)用

根據(jù)上述HAZOP及LOPA分析報(bào)告，確定碳五球罐應(yīng)設(shè)置SIS保護(hù)層，增設(shè)安全儀表改造方案為：罐頂增設(shè)1套雷達(dá)液位計(jì)，罐體分別增設(shè)1套高、低液位開關(guān)，罐體進(jìn)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(tái)雨淋閥，原罐體的溫度檢測(cè)儀表取消，新上1臺(tái)具有SIL認(rèn)證的溫度儀表。所有新增的現(xiàn)場(chǎng)安全儀表均接入新上的獨(dú)立的SIS中。

①現(xiàn)場(chǎng)安全儀表的選型設(shè)計(jì)

罐體溫度檢測(cè)儀表選用一體化溫度變送器，并須至少滿足SIL1認(rèn)證要求；上下半球消防水噴淋管線各增設(shè)1臺(tái)雨淋閥，雨淋閥的選型及相關(guān)設(shè)計(jì)由給排水專業(yè)負(fù)責(zé)，其控制及閥位狀態(tài)等信號(hào)均引入消防控制室進(jìn)行監(jiān)控；雷達(dá)液位計(jì)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(rèn)證要求；由于液化烴球罐在非檢修狀態(tài)下不允許動(dòng)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(rèn)證要求。以上儀表均選用防爆等級(jí)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(jì)規(guī)定》，在球罐的進(jìn)、出料管線與球罐連接處的根部分別設(shè)置1臺(tái)緊急切斷閥。緊急切斷閥是實(shí)現(xiàn)液位高、低聯(lián)鎖的關(guān)鍵執(zhí)行元件，當(dāng)球罐發(fā)生溢油或抽空時(shí)，或者罐區(qū)突發(fā)火災(zāi)時(shí)，如果閥門出現(xiàn)故障無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或者遠(yuǎn)程手動(dòng)操作，而人員現(xiàn)場(chǎng)操作易產(chǎn)生嚴(yán)重的時(shí)間滯后，也會(huì)給操作人員造成生命危險(xiǎn)，損壞重要的機(jī)組設(shè)備，給企業(yè)帶來(lái)重大的損失。故對(duì)緊急切斷閥的設(shè)計(jì)選型做以下詳細(xì)說(shuō)明：

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該罐區(qū)管廊均配有干凈的儀表風(fēng)管線，因此緊急切斷閥應(yīng)優(yōu)先選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(duì)簡(jiǎn)單，但是口徑大的球閥價(jià)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(jià)格相對(duì)便宜的蝶閥，而對(duì)密封性要求較高的場(chǎng)合可以選用技術(shù)更為先進(jìn)的三偏心高性能蝶閥。

該球罐進(jìn)、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(jí)為ANSIB16.104ClassVI級(jí)，可滿足該場(chǎng)合下對(duì)密閉性的高要求。閥體材質(zhì)應(yīng)符合配管材料等級(jí)規(guī)定，選用鑄鋼閥體，壓力等級(jí)為Class300Lb，選用符合API607或API6FA標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)安全型閥門。為了在火災(zāi)發(fā)生時(shí)保護(hù)緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其附件，閥門需配套安裝符合UL1709標(biāo)準(zhǔn)的防火罩。緊急切斷閥材質(zhì)選擇見表2所列。

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(jí)Ｈ）絕緣耐用型及長(zhǎng)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(dòng)式（非先導(dǎo)式）可以有效避免電磁閥粘連或者堵塞；閥位開關(guān)采用機(jī)械式接近型開關(guān)，防爆等級(jí)均為ExDIICT4；在罐區(qū)防火圍堰外設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)防爆操作柱，確保人員在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閥，接點(diǎn)信號(hào)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(jì)原則，并須滿足SIL2等級(jí)的認(rèn)證要求。

②安全聯(lián)鎖邏輯

由于HAZOP及LOPA分析報(bào)告中對(duì)碳五球罐的高低液位聯(lián)鎖保護(hù)SIF回路的SIL等級(jí)定為SIL2級(jí)，可以有兩種聯(lián)鎖設(shè)計(jì)方案：一是采用“一對(duì)一”聯(lián)鎖邏輯保護(hù)，低低液位開關(guān)與出口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關(guān)閥保護(hù)，高高液位開關(guān)與入口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關(guān)閥保護(hù)；二是本次改造增設(shè)1臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)，可與高高/低低液位開關(guān)分別構(gòu)成“二取一”，邏輯運(yùn)算輸出再分別與進(jìn)、出口緊急切斷閥實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)閥保護(hù)。很顯然，第二種設(shè)計(jì)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(tái)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(cè)溫度值高高（達(dá)到50℃）聯(lián)鎖或者突發(fā)火災(zāi)或者球罐泄漏等事故時(shí)，操作人員做出反應(yīng)遠(yuǎn)程操作控制軟按鈕，自動(dòng)打開噴淋水閥門，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)出料緊急切斷閥。

2）球罐雷達(dá)液位計(jì)與高高液位開關(guān)中只要有1臺(tái)達(dá)到高高液位（聯(lián)鎖輸出0，邏輯“與”運(yùn)算，“二取一”）聯(lián)鎖，或者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作柱按鈕直接控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉入口切斷閥，同時(shí)停裝罐輸料泵。

3）球罐雷達(dá)液位計(jì)與低低液位開關(guān)中只要有1臺(tái)達(dá)到低低液位（聯(lián)鎖輸出0，邏輯“與”運(yùn)算，“二取一”）聯(lián)鎖，或者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作柱按鈕直接控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉出口切斷閥，同時(shí)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(dòng)按鈕除外）以備檢修測(cè)試使用，緊急切斷閥和泵均設(shè)有復(fù)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(hào)均通過(guò)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(dú)立的用于工藝安全聯(lián)鎖保護(hù)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(guò)了德國(guó)TÜV萊茵認(rèn)證和IEC 61508 SIL3標(biāo)準(zhǔn)安全認(rèn)證，滿足了標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證原則。

該SIS配置3面標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(jī)籠式設(shè)計(jì)，機(jī)架內(nèi)安裝的模塊都設(shè)計(jì)有助拔器，易于在線更換和維護(hù)。該系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)獨(dú)立的控制器模塊PM01，實(shí)現(xiàn)了物理上完全獨(dú)立的三重化設(shè)計(jì)，每個(gè)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(guò)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(chǎng)側(cè)隔離，支持帶電熱插拔。

這樣的架構(gòu)特點(diǎn)完全符合了SIS設(shè)計(jì)的可靠性和可用性原則。按照系統(tǒng)I/O點(diǎn)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(diǎn)）5塊，DO模塊（DO3201，32通道，0.5A/24V（DC））3塊。

SIS與DCS完全獨(dú)立，獨(dú)立完成安全保護(hù)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(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換；配置2臺(tái)安全交換機(jī)和1塊以太網(wǎng)卡，通過(guò)以太網(wǎng)與工程師站通信；通過(guò)ModbusRTU與DCS實(shí)現(xiàn)通信，并通過(guò)CM01接收GPS校時(shí)源的校時(shí)脈沖，實(shí)現(xiàn)與DCS的同步集成。

此外，輔助機(jī)柜中所有信號(hào)類型均配有轉(zhuǎn)接端子板，參與電氣馬達(dá)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(jī)組設(shè)備或者控制閥，還需要在DCS中實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，為這些信號(hào)配置滿足SIL2等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的“一入二出”信號(hào)分配器，以硬接線的方式從SIS中分一路信號(hào)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(chǎng)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(dú)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(gè)輔助操作臺(tái)，操作臺(tái)面板上設(shè)置了一鍵緊急停車按鈕以及循環(huán)氫壓縮機(jī)、氫氣入口切斷閥等重要機(jī)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(jì)采用了兩路220Ｖ（AC）ＵＰＳ電源。機(jī)柜內(nèi)每個(gè)機(jī)籠的供電通過(guò)PLUS電源轉(zhuǎn)換成24V（DC）給機(jī)籠供電，機(jī)籠供電分成系統(tǒng)側(cè)電源和現(xiàn)場(chǎng)側(cè)電源，完全獨(dú)立布置。機(jī)柜的照明及風(fēng)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(hù)地和工作地的接地銅排分開接線，動(dòng)力纜和信號(hào)纜分開敷設(shè)，線纜的屏蔽層直接接入屏蔽地匯流排。