SIS系统在义马气化厂合成氨装置中的应用

郝　琼 ， 董少磊 ， 毕　辉

(河南煤气化(集团)义马气化厂 ， 河南 义马　472300)



SIS系统在义马气化厂合成氨装置中的应用

郝琼 ， 董少磊 ， 毕辉

(河南煤气化(集团)义马气化厂 ， 河南 义马472300)

摘要：危险化工工艺设置独立于DCS系统的SIS系统，才能保证生产过程中的安全性和稳定性。该文介绍了SIS系统及其作用原理，阐述了HONEYWELL公司的SIS系统在义马气化厂合成氨装置中的应用以及运用效果，说明SIS系统在提升逻辑控制与主要化工设备与装置的安全性之间发挥着重要的作用。

关键词：SIS 系统 合成氨 应用

0引言

近些年来，国家对煤化工行业鼓励政策的不断推出，全国各地煤化工发展趋势日渐高涨，基于这种生产物耗、能耗的集中化和扩大化趋势，各地化工工业生产装置的密集程度变得越来越高，相对应的对操作、控制及安全的要求也越来越严格，化工行业生产过程安全控制也越来越受到人们的关注。在这种生产工艺事故高发、频发状态之下，SIS安全仪表系统，一种自动安全保护系统，用于监视生产过程状态，判断危险条件，防止风险的发生或者减轻风险造成的后果的装置，成为了现代化工工业安全管理所采用的必要手段。

义马气化厂合成氨工艺属于国家安监总局公布的首批重点监管的危险化工工艺。国家安监总局116号文件中明确要求，对于涉及机械设备故障、控制系统自身故障或能源中断时使工艺装置及操作人员处于安全状态的保护应采用性能可靠、技术先进的紧急停车及安全联锁系统来实现。

1SIS系统及其作用原理

SIS安全仪表系统(Safety instrumented systems,SIS)是一种自动安全保护系统,它在保证正常生产和人身、设备安全过程中发挥着重要的作用，是工业自动化的不可缺少的一部分[1]。在过程工业中,安全仪表系统的稳定性和安全性对于发生事故的影响十分巨大，因为在过程工业中发生的安全事故往往会造成人员伤亡和巨额财产损失，因此开展过程工业安全仪表系统安全评定对于保证过程工业安全具有十分重要的意义。它的主要作用为企业内控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测到的结果进行报警动作以及调节或停机控制，是工厂企业自动控制中的重要一部分[2]。

安全仪表系统是一种可编程的控制系统，它由(传感器、逻辑运算器和最终执行元件，即检测单元、控制单元和执行单元)组成[3]。它可以监测生产过程中出现的或者隐藏的危险，对生产装置以及设备中有可能发生的危险果断采取紧急措施，发出预警信息或者对慢慢恶化的状态直接响应执行预定的程序，即刻进入操作，使装置进入到预定义的安全停车工况，使得危险和损失降到最低的程度，保证企业中生产、设备、人员和环境的安全。防止安全事故的发生、并且降低事故带来的危害及其影响。

2合成氨装置SIS系统硬件介绍

义马气化厂合成氨SIS系统运用网络通讯，采用独立的网络通道，全部控制系统的数据通过交换机接入实时数据网络，从物理结构上实现数据从控制系统到实时数据库服务器的单向传输，确保辅助控制系统的安全。完全切断SIS向生产控制系统系统的数据流，最大程度上防止了可能出现的病毒扩散。接口计算机实现实时数据的采集，接口机是实现过程数据从控制系统转移到SIS的桥梁。这些接口设备对于现场控制网络数据的读取均采用单向传输，不允许这些接口设备直接进行修改、组态对于下层控制网络，也不允许对工艺过程进行直接控制，这样在任何情况下都不会影响DCS/PLC等下层控制网络的安全性。这些数据通过全部底层接口通过隔离器及工控机后，汇总至SIS系统核心交换机CISCO 2960G，每个传输通道均单独配置Vlan，相互之间无法直接访问，避免了数据通道之间的数据交换。SIS核心数据库服务器由DELLT3500 PC服务器，数据接口机DELL工控机，数据交换机CISCO 2960G(24口千兆交换机)、1G的以太网卡、4块菲尼克斯的直流电源和冗余模块、倍加福安全栅构成，并配独立的防病毒服务器，企业级杀毒软件对SIS核心数据系统进行安全防护。数据通讯接口支持：TCP/IP、UDP、API等接口。采取模块构件，可灵活选择配置，系统为B/S结构，管理和维护都集中在服务器中。功能仪表安全仪表系统供电采用UPS、IPS双路供电方式，测量的信号使用故障安全型，确保失电时整个系统处于安全停车状态，逻辑控制器采用独立的SIS与DCS联锁逻辑相结合的控制方式，测量元件(传感器)采用冗余、多点测量形式，增强了测量的可靠性，执行器采用切断阀和调节阀混合控制的方式，增强了执行器的可靠性。系统中使用一次元件测量，信号两路分配的方式分别送入DCS和SIS系统，输出双重控制执行器，即DCS既实现控制调节又实现联锁控制功能，SIS系统共用信号，逻辑独立控制。

3合成氨系统SIS点介绍

义马气化厂合成氨装置中分有进料及反应单元、余热回收单元、冷却分离单元、气氨液氨的排放处理、开车还原五个节点。进料及反应单元的主要作用是自循环压缩机来的工艺气经热交换器预热升温后分三股，合成塔零米副线、上层间冷却器、下层间冷却器升温后进入催化剂床层进行合成反应，反应气送合成废锅。自合成气压缩机来的新鲜气经新鲜气氨冷器冷却，并分离出氨中夹带的少量水分后进入合成循环系统；余热回收单元的主要作用是自合成塔出来的合成气经废热锅炉副产蒸汽、热交换器预热工艺气后进入水冷器、冷交进一步冷却后送往下一单元；冷却分离单元的主要作用是冷却后的合成气入一级氨分离器进行气液分离，分离的工艺气经一级氨冷、二级氨冷器用液氨冷却后入二级氨分，分离出的气体作为循环气返回冷交降低工艺气温度后去循环气压缩机增压，一级氨分、二级氨分分离的液氨进入闪蒸槽减压闪蒸，闪蒸气送氨洗，液氨作为成品外送；自冷冻站来液氨与产品液氨换热后依次进一级氨冷器、二级氨冷器冷却工艺气后，蒸发气氨返回冷冻站；气氨液氨的排放处理的主要作用是闪蒸气及液氨球罐来的闪蒸气进入氨洗塔经洗涤水洗涤后进入放空总管至氨火炬排放，洗涤的氨水送往烟气脱硫，装置区内所有含氨排气均送往含氨尾气总管送往火炬，所有污氨均经污氨总管收集后送冷冻站；开车还原的主要作用是装置中设置有开工电加热炉，为氨合成催化剂提供还原所需的热量。经过危险与可操作性分析(HAZOP)对合成氨装置辨识出危险事件及其风险类别，并运用SIL评估，结合最小风险降低要求，全面分析所有的风险降低措施，确定安全仪表系统的效能指标，即目标SIL等为SIL2。氨合成装置中运用HONEYWELL SIS系统，实际实现的是SIL3等级，在氨合成装置中设有74个点。用霍尼韦尔SM系统集中完成全部输入逻辑处理运算和输出设备的控制，集中度高、风险高，SIL3的等级高于输入输出。这种SIL级别的要求包括系统内部逻辑处理器的输入输出接口、处理器(CPU)、电源、总线、通信接口和软件系统，且必须是通过TUV认证的。控制处理器由冗余的两块CPU卡构成，每个CPU卡有两个微处理器，安全降级模式为4-2-0，正常工作时为SIL3；当一个CPU卡出现故障时，仍为SIL3；当两块都坏时，系统将宕机。

在合成氨装置中，SIS点SISA630250，SISA630251，SISA630252为汽轮机转速保护联锁，主要为防止汽轮机转速过高导致事故发生，当汽轮机转速高高报时机组三取二联锁停车；SIS点TISA63224A/B，为电加热器出口工艺气温度，主要为防止电加热器出口温度过高时，损坏电加热器，当电加热器出口工艺气温度高高报时装置二取二电加热器联锁停车；SIS点FISAS63205A/B为电加热器出口工艺气流量保护联锁，主要为防止经过电加热器流量减小时损坏电加热器内件，；当电加热器出口工艺气流量低低报时电加热器二取二联锁停车；SIS点TISA63214X为氨合成塔创层温度保护联锁，主要为防止合成塔催化剂床层温度超温时，造成催化剂层烧焦结块造成催化剂失活，当床层温度高高报时装置一取一联锁停车；SIS点LSH63212A/B/C为二级氨分离器液位保护联锁，主要防止液位过高时，气氨带液，造成压缩机入口带液，损坏机组，当二级氨分离器出现液位高高报时压缩机组三取二联锁停车；SIS点LSL63203A/B/C，LISA63208为氨合成废锅液位显示，主要防止液位过低时，废锅干锅，导致设备损坏，当合成废锅出现液位低低报时压缩机组三取二联锁停车；SIS点LISA18001为液氨球罐F18001A液位显示，当球罐液位出现高高报或低低报警时可自动关闭或打开，防止球罐液氨外溢或外送装车泵损坏；SIS点PISA18001 PISA18002为液氨球罐压力显示，主要为防止液氨球罐超压后造成安全阀起跳污染环境，当球罐压力高高报时放空调节阀打开泄压至氨火炬系统保护球罐安全。

4SIS系统应用效果

义马气化厂SIS系统的主要作用是当运转过程中出现失误时保证单位(部分或者全部)的安全停车，并规定了允许单元开车的详细条件和后续应该跟进的相关措施。此处的单元部分被分隔成了不同的功能模块(包括过程子单元、机械设备，等等)。在SIS系统中，达到允许模块开车的条件时，这些条件用一个逻辑函数“AND”连接，所有的条件必须获得满足后单元才能开车。如果模块正处于运行之中，这些条件可以取消，他们对模块不再起作用。输入停车模块可以来自于停车设定点(温度、压力、液面、分析报告、速度、震动┉┉)或者来自于另一个模块的状态(串联停车)，这些输入值用一个逻辑函数OR连接，因此任何一个输入值都可以让模块停车。一个模块的输出是作用于一部机器或者一个阀门或者转换从原料到产品排放阀门控制器的输出量，或者通过作用于另一个模块来实现。这种情况下模块一直向其他模块发送上游或者下游的缺陷或者条件来控制机器和阀门，所有情形都是这样，如果满足开车条件并且没有停车情形，模块的开车可以通过操作员按钮来实现。模块的停车可能因发生失误引起，或者是通过操作人员按钮来完成。

SIS系统在合成氨装置应用过程中发挥了重要的作用，在因废锅给水突然中断时成功停车，未造成废锅干烧，保证了氨合成系统的安全。从用户角度来说，尽可能的有一种规模可变的系统来保证灵活的进行位置调度和伸缩组合。运用一种有着经过权威认证的有着功能齐全的模块系统，在实现逻辑运算时可以纳入现场设备状态，方便设计和配置才是重要的。而在安全应用问题上，经过认证的标准化、模块化的操作系统对于整个系统来说才是非常重要的。选择一个系统，其可以通过对于全回路使用自动检验测试和改良的诊断功能，来达到安全和可用率的同时最大化。

参考文献：

[1]边俊.安全仪表系统的研究和设计方法分析[D].浙江大学，2011.

[2]龚义文.安全仪表系统在化工装置中的应用[D].自动化仪表，2010，31(12):50-54.

[3]胡泽亮.张家口发电厂SIS设计与应用[D]华.北电力大学，2011.

中图分类号：TQ113.255

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2015)05-0045-03

作者简介：郝琼(1983-)，女，注册安全工程师，从事安全管理工作，电话：13939815488。

收稿日期：2015-03-01