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仪器仪表用户

□21 世纪人才培养 □

文章编号 : 1671 - 1041 (2008) 04 - 0133 - 02

石化装置的安全性设计探讨 1

康  珏 , 尚柏鑫

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( 1. 茂名学院 自动化系 , 广东茂名 525000; 2. 洛阳石化工程设计有限公司 , 河南洛阳 471000) 摘要 :针对石化装置在生产过程中可能出现的危险 , 如何设计安全仪表 系统 ( S IS) , 文章阐述了安全仪表系统的基本概念 , 介绍了安全仪表系 统的选用以及相关元件的选型原则 , 对不同结构的 S IS 性能进行了比 较 , 为自控设计人员提供了选型的依据 。 关键词 : 安全仪表系统 ; 安全度等级 ; 故障 ; 原则 中图分类号 : TP202   文献标识码 : B

D iscussion about the safety design of equ ipm en ts in petrochem ica l plan t KANG, Jue , SHANG Bo 2x in 1

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( 1. M aom in g College the D epartm en t of Automa tion, M aom in g 525000; 2. L uoyang Petrochem ica l Eng in eer in g D esign Com pany, L uoyang 471000, Ch ina) Ab s tra c t: In a cco rda nce w ith the da nge r o f e qu ipm e n ts app e a re d in p e tro chem ica l p la n t, how ca rry th ro ugh de s ign o f sa fe ty in s trum e n ts sys tem ( s is) . In th is p ap e r the co ncep t o f sa fe ty in s trum e n ts sys tem ( S IS ) w a s e xp a tia te d, it in tro duce s the se tting a nd se le c tio n p rinc i2 p le o n the S IS a nd re la te d e lem e n ts. And a lso it com p a re s w ith S IS ’s d iffe re n t s truc tu re o n cap a b ility. Som e re fe re nce s o n the in s trum e n t typ e se le c tio n fo r in s trum e n ts de s ign p e rso nne l w a s g ive n. Ke y wo rd s: sa fe ty in s trum e n ts sys tem ; sa fe ty de g re e; b re a kdow n; p rinc ip le

1  引言 安全仪表系统 SIS ( Safety Instrumente System ) 是一种用于 工业过程的安全系统 , 对装置可能发生的危险或不采取安全 措施情况将继续恶化的状态进行及时的响应和保护 , 使生产 装置按照规定的条件或者程序退出运行 , 从而使危险降低到 最低程度 ,以保证人员 、 设备的安全或避免工厂周边环境的污 染 。如何做好 SIS的设计 , 确保工艺生产装置安全运行 , 一直 是一个值得探讨的问题 。

2  S IS 的基本概念 2. 1  安全度等级 ( S IL ) 安全度等级 ( SIL : Safety Integrity Level)是指在一定的时间

和条件下 ,安全系统能成功执行其安全功能的概率 , 是对系统 可靠程度的一种衡量 。很多国外标准都对过程的危险或安全 度进行了分级 ,国际电工委员会 IEC61508 将过程安全度等级 定义为 4 级 : ( 1 ) SIL 1 级 : 装置可能很少发生事故 , 不会造成环境污染 和人员伤亡 : ( 2 ) SIL 2 级 : 偶尔发生事故 , 有可能造成环境污染和人员 伤亡 : ( 3 ) SIL 3 级 : 经常发生事故 , 造成严重的环境污染和人员 伤亡 ,经济损失严重 : ( 4 ) SIL 4 用于核工业 。 石油和化工生产装置的安全度等级一般都低于 SIL 3 级 ,

采用 SIL 2 级安全仪表系统基本上都能满足大多数生产装置的 安全需求 。 2. 2  安全仪表系统 ( S IS) 安全仪表系统是用仪表构成以实现安全功能的系统 , 主 要由传感器 、 逻辑运算器 、 执行元件及相应软件组成 。 SIL 等 级由上述各组成部件的 SIL 等级共同决定 。当生产过程出现 变量越限 、 机械设备故障 、SIS系统本身故障或能源中断时 , 安 全仪表系统必须能自动完成预先设定的动作 , 保证操作人员 、 生产装置及环保转入安全状态 。 安全仪表系统 ( SIS)也称为紧急停车系统 ( ESD ) 。在工程 设计中 ,逻辑运算器的 SIL 等级一般选的都比较高 , 可达到 SIL 3 级 ,但传感器和执行元件的 SIL 等级通常都在 SIL 2 级以 下 ,因此 ,整个系统的 SIL 等级一般都不会高于 SIL 2 级 。

3  安全仪表系统的设计原则 3. 1  传感器 ( 1 )传感器采用隔爆型 ,与过程控制系统分开 ,独立设置 ; ( 2 )输出采用开关量或 4 ~20 mADC 模拟信号 , 不采用现

场总线 、HART或其它串行通信信号 ; ( 3 )为了提高系统的安全性和可用性 , 采用单个传感器 时 ,输出不能直接作为启动安全仪表系统的自动联锁条件 ; ( 4 )当输出作为启动安全仪表系统的自动联锁条件时 ,应 采用两个或两个以上传感器 。 考虑系统的安全性时 , 传感器配置采用二取一“或 ” 逻辑 结构 ; 考虑系统的可靠性时 , 传感器采用二取二“与 ” 逻辑结 构 ; 系统的安全性和可靠性均需保障时 , 传感器采用三取二逻 辑结构 。 3. 2  执行元件 (1)执行元件可以是 SIS系统专用的切断阀或调节阀 、 电 动阀等 ; (2)气动调节阀或气动切断阀应配备接受 SIS系统控制信 号的电磁阀 ,电磁阀宜冗余配置 ; ( 3 )重要场合的执行元件可采用冗余阀门 。配套电磁阀 应采用冗余结构 ,考虑安全性时 ,电磁阀采用二取一“或 ” 逻辑 结构 ; 考虑可靠性时 ,电磁阀采用二取二“与 ” 逻辑结构 ; ( 4 )电磁阀应为常带电 、 隔爆型 ,由安全仪表系统供电 ,且 放空口应有防护措施 。 3. 3  逻辑运算器 ( 1 )为了提高安全仪表系统的安全性和可靠性 ,石油化工 装置 SIS系统的逻辑运算器大多都采用了安全度等级为 SIL 3 的冗余或容错结构可编程控制器 ; ( 2 ) 常 见 的 结 构 有 : 二 取 一 带 自 诊 断 ( 1oo2D ) , 三 取 二 ( 2oo3 ) 和双重化二取一带自诊断 ( 2oo4D )等 ; ( 3 ) 容错结构的系统具有内部冗余的并行元件和集成 逻辑 , 当故障发生时 , 系统能 识别 故障并 使故 障旁路 , 并具 有继续执行指定 功能的 能力 , 如三 取二 ( 2oo3 ) 结 构 如 图 1 所示 。

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仪器仪表用户 从式 ( 1 ) 中可以看出 , M TB E 越大 , 则 A 值越大 。但可靠性 高并不代表系统安全性好 。可靠性高表示系统很少出现进入 安全状态或危险状态的故障 ; 安全性好在于即使系统出现故 障 , 也不会出现灾难性事故 。好的 SIS, 既要有较高的可靠性 , 又具有很高的安全性 。

6  安全仪表系统性能比较

图 1  2oo3 系统块图

4  安全仪表系统 ( S IS)集成设计 4. 1  独立设置 安全仪表系统 ( SIS) 独立于过程控制系统 , 原则上 , 要求 独立设置的部分有 : 检测元件 、 执行元件 、 逻辑运算器 、 通讯设 备 。复杂的 SIS应该合理地分解为若干个子系统 ,各子系统应 该相对独立 ,且分组设置后备手动功能 。 通常 SIS的安全等级要高于过程控制系统的安全等级 ,独 立设置有利于采用高级系统而不至于大幅度的增加企业投 资 。对不可能将 SIS与过程控制系统分开的特殊情况 ,可以将 二者合二为一 ,但该系统的安全等级应按 SIS的安全等级来考 虑 。为了控制投资 , SIS 所包含的过程控制系统应尽可能地 缩小 。 4. 2  安全仪表系统结构分类及选用 SIS可采用电气 、 电子 、 或者可编程技术 , 也可以采用组合 的混合技术 。采用电气方案时 , 主要是用继电器线路来完成 其逻辑联锁功能 ,但难以完成复杂系统的安全方面的要求 , 有 其局限性 。采用 PES技术实现 SIS安全联锁功能已是各专业 SIS系统供应厂商的首选 。 高负荷周期性频繁改变状态 、 定时器或锁定功能 、 复杂的 逻辑应用不可采用继电器 。固态继电器适用于高负荷的应 用 ,但选用时应恰当处理好非故障安全模式 。当固态逻辑用 于 SIS时 ,通常要用 PES 作为其诊断测试工具 , 一般不推荐 。 有大量的输入 /输出 、 模拟信号较多 、 逻辑要求复杂或包括计 算功能 、 要求外部数据与过程控制系统进行通讯的情况 , 必须 采用 PES技术 。

5  安全仪表系统评价 SIS是为生产过程的安全而设置的 , 在工艺参数偏离允许 范围时系统必须正确无误地执行安全程序 。其可靠性 (可用 度 )和安全性 (故障安全 )是评价 SIS好坏的两个重要指标 。 可靠性的计算公式为 : ( 1) A =M TB F / (M TB F +MD T ) 式中 , M TB F — ——平均无故障工作时间 MD T — ——平均停车时间

根据工艺装置的安全及自动化水平的要求 , SIS系统可以 选择下面几种类型 : (1)继电器系统 系统的 SIS在工程控制中已经使用数十年 ,具有良好的安 全性能 ,虽然价格便宜 ,但系统庞大 、 维护困难 、 可靠性不高 、 不 能与 DCS系统通讯 、 无自诊断功能 。由于这些缺点 ,该结构的 SIS正被逐渐淘汰 , M TB F 为 10 年 。 ( 2 ) PLC 系统 系统灵活性好 、 体积小 、 可以编程和扩展 ,修改方便 、 可靠 性高 、 能实现与 DCS通讯 ,有自诊断功能 。但只有取得安全证 书的 PLC才能作为石油化工生产装置的 SIS逻辑部件 。安全 等级在 SIL 2 ~3 之间 ,可以覆盖大多数石油化工装置 , 价格比 较适中 , M TB F 为 190 年 。 (3) TMR 系统 随着电子技术的发展 ,冗余 、 双重化冗余 、 三重化冗余系统 和高级自诊断技术应用使 SIS的可靠性和安全性得到了极大 的提高 。如 TR ICONEX,电源采用三重化冗余 ( TMR ) 配置 , 任 何一个模块发生故障都不会影响其它两个模块的工作 , 并可 实现在线更换 ; 适合于所有的工业过程 , 是目前最先进的 SIS 系统 ,其不足之处是价格较昂贵 ,其 M TB F 为 190 年 。

7  结束语 除了对 SIS的逻辑单元采取上述措施外 ,检测和执行单元 在设计中同样要重视 , 应该对不同的对象采取相应的技术措 施 ,使整个系统达到安全等级要求 。在 SIS设计中 , 要求设计 人员首先应该对生产装置安全等级进行评估 , 确定其属于哪 一个安全等级范围 , 以避免设计的盲目性 , 造成不必要的浪 费。□ 参考文献 [ 1 ] 国家改革和发展委员会 . SH / T 3081 - 2003 石油化工仪表设 计规范 [ S ] ,中华人民共和国石油化工行业标准 , 2003. [ 2 ] 中石化自控中心站 . SHB - Z06 - 1999 石油化工紧急停车系统 及安全联锁系统设计导则 , 1999.

作者简介 : 康珏 ( 1961 - ) , 女 , 1982 年毕业于华东石油学院 , 工程 硕士 , 讲师 ,现在茂名学院自动化系从事教学工作 , 研究方向 : 自 动化仪表 、 智能仪器与控制 。 收稿日期 : 2008 - 03 - 31 ( 8158)

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