安全仪表系统在化工装置中的设计与应用

张妍妍

(惠生工程(中国)有限公司 ， 河南 郑州　450018)



安全仪表系统在化工装置中的设计与应用

张妍妍

(惠生工程(中国)有限公司 ， 河南 郑州450018)

摘要：随着石油化工生产向大型化、一体化和智能化方向发展，安全生产受到人们越来越多的关注，从而使得安全仪表系统越来越多地得到研究和应用。本文介绍了安全仪表系统的基本概念、安全生命周期和保护层的概念，安全完整性等级及其确定方法，并详细说明了安全仪表系统的设计原则和方法,以及安全仪表系统的实施步骤。

关键词：安全仪表系统 ； 安全生命周期 ； 安全完整性等级

随着石油化工装置的经济规模日趋大型化，生产过程自动化水平逐步提高，对于安全的要求也越来越严格。尤其是新《安全生产法》已于2014年12月1日起开始实施，体现了国家对于安全生产的重视。

为确保化工装置生产过程的安全，安全仪表系统已越来越多地得到重视和应用。国家安全监管总局也提出了关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见，更加重视化工安全仪表系统的设计、安装调试和操作维护管理等，如果安全仪表系统失效，往往会导致严重的安全事故。因此，设计合理的安全仪表系统至关重要。

1安全仪表系统概述

安全仪表系统(Safety Instrumented System，SIS)也称为安全联锁系统(Safety Intellocks)、紧急停车系统(Emeigency Shutdown System，ESD)、安全关联系统(Safety Related System)、安全停车系统(safety Shutdown System)等，它是由国际电工委员会(IEC)标准IEC 61508及IEC 6151l定义的专门用于安全的控制系统。安全仪表系统对生产装置或设备可能发生的危险或不采取紧急措施将继续恶化的状态进行及时响应，使其进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险和损失降到最低程度，保证生产、设备、环境和人员安全。

安全仪表系统在整个安全控制和管理中处于举足轻重的位置。如图1所示，对过程工业的安全管理是分层次进行的，它的内核是工艺流程或生产装置，首先要建立基本过程控制系统对过程对象进行控制，通常使用分散控制系统DCS。它的外层是安全防护层，这其中就包括了安全仪表控制系统(Safety Instrumented Control systems)。即我们常说的安全仪表系统。因此，安全仪表系统被定义为由传感器、逻辑运算单元和最终控制元件组成的控制系统，设计用于当生产过程的预定条件受到冲击时，自动地将其置于安全状态。这些预定条件包括压力高限、温度高限等工艺参数。安全仪表检测出潜在的危险工艺状态，通过组态的联锁逻辑控制现场电磁阀等的切断或导通，保护工业设备和人员的安全；下一层是减灾，减轻和抑制危险事件的后果，如火灾和可燃气体检测系统(FGS)，安全阀、爆破膜等；再外层就是消防等紧急响应系统，包括全厂和社会层，紧急广播、火灾消防、人员紧急撤离、医疗救助、工厂周边社区人员撤离等。

图1石油化工工厂或装置的典型多保护层结构

从图1可以看出，安全仪表系统处于第一层防护，用于监测石油化工生产过程运行状态，判断危险或风险发生的条件，自动或手动执行规定的安全仪表功能，防止或减少危险事件发生，减少人员伤害或经济损失，减轻危险事件造成的影响，保护人身和生产装置安全，保护环境。因此，设计合理规范的安全仪表系统至关重要。

2SIS的安全生命周期

安全仪表系统的安全生命周期SLC(Safety Life Cycle)是安全工程和安全功能存在的全过程，SIS功能安全水平的高低完全取决于其安全生命周期中各阶段实施质量的好坏。SIS的安全生命周期包括从工程方案设计阶段安全仪表系统的设计策略到操作维护阶段，直到安全仪表系统停用的全过程，涉及工程设计和安全仪表系统制造集成、建设、生产运行等多方面的工作。需要根据工程的规模、被控对象的危险和风险大小、工艺的成熟和复杂程度等因素，实施安全生命周期内必要的功能安全管理活动，以确保安全仪表系统的设计、安装、调试以及运行等满足总体功能安全的要求。

安全生命周期工作包括工程方案设计，过程危险分析与风险评估，保护层的安全功能分配，安全完整性等级评估及审查，安全仪表系统技术要求，安全仪表系统基础工程设计，安全仪表系统详细工程设计，安全仪表系统集成、调试及验收测试，安全仪表系统操作维护与变更，安全仪表系统功能测试，安全仪表系统停用等。

3安全完整性等级(SIL)划分

根据过程危险及可操作性分析，人员、过程、设备及设备的安全保护，以及安全完整性等级等要求确定安全仪表系统的功能。安全完整性等级可分为SIL 1、SIL 2、SIL 3、SIL 4。安全完整性等级越高，安全仪表系统实现安全仪表功能的能力越强。一般情况下，石油化工工厂或装置的安全完整性等级最高为SIL 3级。

安全完整性等级评估的方法有保护层分析法(LOPA)、风险矩阵法、校正的风险图法、经验法等。不同等级安全仪表回路在设计时技术要求也不同。

4安全仪表系统设计

石油化工装置安全仪表系统主要用于实现一个或多个安全仪表功能，应由测量仪表、逻辑控制器和最终元件等组成。正常时候安全仪表系统是不运转的，是“静态”系统，正常工况时，始终监测生产装置的运行状态，系统输出不变，对生产过程不产生影响。非正常工况时，按照预先的设计进行逻辑运算，使生产装置安全联锁或者停车。因为要保护人和生产的安全，所以对安全仪表系统的要求要高于基本过程控制系统。

安全仪表系统应独立于基本过程控制系统，并应独立完成安全仪表功能。

安全仪表系统应设计成故障安全型。正常工况时，安全仪表系统的最终元件应励磁(带电)不动作；非正常工况时，安全仪表系统非励磁(失电)动作，将过程转入非安全状态。

4.1　测量仪表设计

安全仪表系统应优先采用模拟量测量仪表，如压力、差压、流量、液位、温度变送器，不应采用开关仪表。因为现场开关量仪表长期不动作，会出现触点黏合或接触不良，导致不动作或者误动作，影响安全仪表的功能实现。测量仪表由安全仪表系统供电。测量仪表宜采用4～20 mA叠加HART传输信号的智能变送器。测量仪表不应采用现场总线或其他通信方式作为安全仪表系统的输入信号。

①测量仪表的独立设置原则。SIL 1级安全仪表功能，测量仪表可与基本过程控制系统共用；SIL 2级安全仪表功能，测量仪表宜与基本过程控制系统分开；SIL 3级安全仪表功能，测量仪表应与基本过程控制系统分开。②测量仪表的冗余设置原则。SIL 1级安全仪表功能，可采用单一测量仪表；SIL 2级安全仪表功能，宜采用冗余测量仪表；SIL 3级安全仪表功能，应采用冗余测量仪表。③测量仪表的冗余选择原则。当要求高安全性时，应采用“或”逻辑结构；当要求高可用性时，应采用“与”逻辑结构；当系统需要兼顾高安全性和高可用性时，宜采用三取二逻辑结构。

测量仪表的冗余设置，并不表示冗余设置就对应安全完整性等级。

4.2　最终元件设计

最终元件包括气动控制阀(调节阀、切断阀)、电磁阀、电机等。①控制阀的独立设置原则。SIL 1级安全仪表功能，控制阀可与基本过程控制系统共用，应确保安全仪表系统的动作优先；SIL 2级安全仪表功能，控制阀宜与基本过程控制系统分开；SIL 3级安全仪表功能，控制阀应与基本过程控制系统分开。②控制阀的冗余设置原则。SIL 1级安全仪表功能，可采用单一控制阀；SIL 2级安全仪表功能，宜采用冗余控制阀；SIL 3级安全仪表功能，应采用冗余控制阀。控制阀冗余方式可采用一个调节阀和一个切断阀，也可采用两个切断阀。③控制阀附件的配置。安全仪表系统的电磁阀应优先选用耐高温绝缘线圈，长期带电型，隔爆型。在工艺过程正常运行时，电磁阀应励磁工作。在工艺过程非正常运行时，电磁阀非励磁。

4.3　逻辑控制器设计

逻辑控制器是SIS中完成一个或多个逻辑功能的部件。宜采用可编程电子系统。①逻辑控制器的独立设置原则。SIL 1级安全仪表功能，逻辑控制器宜与基本过程控制系统分开；SIL 2级安全仪表功能，逻辑控制器应与基本过程控制系统分开；SIL 3级安全仪表功能，逻辑控制器应与基本过程控制系统分开。②逻辑控制器的冗余设置原则。SIL 1级安全仪表功能，可采用冗余逻辑控制器；SIL 2级安全仪表功能，宜采用冗余逻辑控制器；SIL 3级安全仪表功能，应采用冗余逻辑控制器。

4.4　通信接口

安全仪表系统与基本过程控制系统通信宜采用RS 485串行通信接口，MODBUS RTU或TCP/IP通信协议。通信接口宜冗余配置，并应有诊断功能。

5安全仪表系统的实施

在详细设计初期，完成现场仪表设备配置后可以进行SIS的询价和技术澄清，并开始采购SIS的硬件和软件，随后进行系统软硬件安装和调试，完成系统组态的准备；在按照计划提供逻辑设计文件后，供货商开始SIS的软件组态；完成组态工作后即可视情况开始系统的工厂验收测试FAT，FAT完成并全面完成相关问题整改后即可装箱运至现场；现场安装、上电调试后即可开始现场仪表测试、联调和逻辑功能调试，所有测试均无问题后进入SAT，最终交付业主投入开工试运行。

6结束语

目前，我国化工行业的发展方向是向着大型化、智能化方向进行，安全问题成为了化工生产的首要问题，在化工生产中安全仪表系统的合理设置对保证化工过程装置的安全运行至关重要。安全仪表系统的设计合理与否，直接影响到装置的安全运行，必须综合考虑测量仪表、逻辑控制器和最终元件三个方面的内容，防止过度设计或者设计不当，合理配置经济实用的系统。

参考文献：

[1]中国石油化工集团公司.GB/T 50770-2013石油化工安全仪表系统设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2013.

[2]王东峰.安全仪表系统的回路设计探讨[J].石油化工自动化,2014，50(4):10-15.

[3]席建华.安全仪表系统在聚氨酯装置中的应用[J].仪表技术,2014(6):18-20.

[4]刘齐忠,林融.石油化工安全仪表系统的设计及实施探讨[J].石油化工自动化,2010(5):1-6.

[5]魏华.安全仪表的可靠性和可用性分析[J].石油化工自动化,2009(1):10-13.

[6]王红望. 安全仪表系统的实施及应用[J].石油化工自动化,2009(1):72-74.

[7]李胜利,卢金芳.石油化工装置安全仪表系统的设计[J].石油化工自动化,2007(2):18-22.•开发与研究•

Design and Application of Safety Instrumented System in Chemical Engineering Unit

ZHANG Yanyan

(Wison Engineering Ltd. , Zhengzhou450018 , China)

Abstract:Accompany with the developing of petrochemical production towards large-scale,integration and intelligentization,the safety production is deeply concerned by people more and more,therefore the safety instrumented system(SIS) has been studied and applied more and more.The basic concept of SIS,safety life cycle,protection layer and safety integrity level are described in this paper.The design principle and method of SIS,implementation step of SIS are studied in detail.

Key words:safety instrumented system ； safety life cycle ； safety integrity level

作者简介：张妍妍(1982-)，女，硕士，工程师，从事自控仪表工程设计工作，电话：15238396368。

收稿日期：2015-03-16

中图分类号：TQ056.1

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2015)05-0019-03