石油化工装置安全仪表系统的设计

李冬生

摘 要：自改革开放以来，我国社会和经济的发展越来越快，生产事故的频发使得安全生产受到越来越多的关注，为确保工厂生产过程的安全，安全仪表系统已越来越多地得到重视并应用。安全仪表系统（SIS）是一种安全系统，其应用于工业生产过程中，对设备可能发生的危险或不采取措施将继续恶化，按照规定及时响应和保护使生产装置按程序退出，使风险降低到最低限度，以确保人员安全，防护设备或避免对周围环境的污染。基于此，本文主要阐述了安全仪表系统设计应遵循的基本原则、石油化工装置安全仪表系统的设计策略，以供参考。

关键词：石油化工装置安全仪表系统 设计策略

在石油化工装置生产过程中，安全仪表系统对石油化工装置安全运行负有重要监测、预警及保护作用，因此，在设计时必须坚持科学、高标准，提高安全等级，在确保系统自身安全运行的同时，提高仪表系统的监测精度，缩短安全状态预警响应时间。

一、安全仪表系统设计应遵循的基本原则

1.1确保仪表系统可靠准确

由于石油化工装置安全仪表的独特作用，设计的仪表系统，必须确保系统能够长期安全、可靠、稳定运行，这是设计石油化工装置安全仪表系统应当遵循的一条重要原则。这就要求在进行设计时，要在系统设计、元器件选择、软件编程上要统筹全面考虑，以确保仪表系统绝对安全可靠。比如：必须确保仪表在正常条件下可以安全运行，同时，在误操作、出现供电故障等非常情况下，系统也能够安全运行。

1.2确保仪表功能健全稳定

充分发挥石油化工装置安全仪表的功能，最大限度地满足化工行业对仪表监测数据、安全预警等方面的需求，确保石油化工装置安全仪表功能健全、系统稳定，这也是石油化工装置安全仪表系统设计的重要原则之一。在进行石油化工装置安全仪表设计时，相关设计人员必须要深入研究系统的基本情况，对生产现场进行现场查看，准确把握仪表工作现场的基本情况，以确保所设计仪表功能完备，具有良好的适应性。

1.3安全故障型原则

SIS应该是安全故障型的。SIS的检测元件以及最终执行元件在系统正常时应该是励磁的，在系统不正常时应该是非励磁的，即非励磁停车设计。一个理想的SIS应该具有100%可用性。但由于系统内部的故障概率不能等于零，因此不可能可用性为100%。SIS的设计目标应该为：当出现故障时，系统能自动转入安全状态，即故障安全系统，从而可以避免由于SIS自身故障或因停电、停气而使生产装置处于危险状态。

1.4确保仪表易于维护与扩展

石油化工行业对安全性具有特殊的要求，这就要求必须要加强对仪表的维护与保养，所选用的仪表要易于安装、便于使用，安全运行周期长、维护简便。在满足仪表监测、预警要求的前提下，要尽可能减少系统仪表安装数量，而且要降低系统安装建设成本，提高系统的经济效益。

1.5确保仪表系统绝对安全

石油化工工业是基于流程的特殊行业，所选用的生产材料一般均为危险化学品，产品也多为易燃易爆品，生产环境较为恶劣，大多为高温高压环境，极易引发各类安全事故。随着石油化工装置的自动化、现代水平越来越高，对产品的精细化作业越来越广泛，生产作业条件越来越安全临界点，从而可能引发危险的可能性也在不断增加，这种严峻形势下，对石油化工仪表系统提出了更高的安全要求。在进行仪表系统设计时，必须确保仪表系统绝对安全，进而确保整个系统的绝对安全。

二、石油化工装置安全仪表系统的设计策略

2.1检测传感元件设计安全

安全仪表系统的安全度等级越高，安全系统实现所要求的安全功能失败的可能性就越低。IEC61508标准根据安全系统满足安全要求的程度将安全系统分为4个等级：SIL1-SIL4，SIL1最低，SIL4最高。仪表系统检测、传感元件是石油化工装置安全仪表系统的重要组成部分，其性能直接决定着整个系统的安全与检测精度。在进行检测传感元件设计时，要遵循独立设置原则，就是1级SIS传感器可与DCS共用，2级SIS传感器宜与DCS分开，3级SIS传感器应与DCS分开。遵循冗余设置原则，即1级SIS传感器可采用单一的传感器，2级SIS传感器宜采用冗余的传感器，3级SIS传感器应采用冗余的传感器。同时要遵循冗余选择原则，即保证系统的安全性时，采用“或”逻辑结构；保证系统的可用性时，采用“与”逻辑结构；当系统的安全性和可用性均需保证时，采用“三取二”逻辑结构；传感器宜采用4～20mA叠加HART传输信号的智能变送器，不宜采用开关型传感器；传感器由SIS系统供电。

2.2系统的逻辑运算器设计与选用

SIS逻辑运算器主要包括：继电器系统，可编程序电子系统，混合系统三种类型。继电器主要用于逻辑功能较简单的场合；可编程电子系统用于逻辑功能复杂，与DCS、MES通信等场合；可编程电子系统可以是经TUV认证的PLC系统，也可是DCS和其他专用系统。依据独立设置原则：1级SIS逻辑运算器宜与DCS分开；2级SIS逻辑运算器应与DCS分开；3级SIS逻辑运算器必须与DCS分开。依据冗余设置原则：1级SIS可采用单一的逻辑运算器；2级SIS宜采用冗余或容错逻辑运算器；3级SIS应采用冗余容错逻辑运算器。

2.3执行元件的联锁保护设计

保护系统是系统安全的保护伞，可以在发生相关危险时，快速做出反应，采取相应措施减少发生事故的概率。執行元件联锁保护机构主要用于对相关工艺设备及产品流程控制上，实现对过程流量的监测与控制。一旦出现外部条件或过程参数超出了安全操作范围，执行元件联锁保护装置将对动作，自动调整相关机构，使流量等回归安全态势，以确保系统安全。

2.4SIS的系统评价

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。但是可用度并不代表系统故障安全。它们的区别在于：可用度是基于导致系统停车的故障进行计算的，可是对引起系统进入安全状态的故障和引起系统进入危险状态的故障是不区别的，它是系统故障频度的度量；故障安全是指系统在故障时按己预知的方式进入安全状态。高可用度的重要性在于系统很少出现进入安全状态或危险状态的故障；故障安全的重要性在于即使系统出现故障，也不会出现灾难性事故。一个好的SIS，既应该有较高的可靠性，又具有很高的安全性。

三、结束语

综上所述，随着我国社会和经济的快速发展，科学技术也在不断进步，在SIS系统设计中，引入了安全等级的概念，就是要求设计人员在对一个具体生产装置SIS设计时，首先应该对其安全等级要求进行评估，确定其安全等级范围，以避免设计的盲目性，造成不必要的浪费，这样一来不仅有利于石油化工装置安全仪表系统设计的进步，还为我国经济的整体发展奠定良好的基础。

参考文献：

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