安全仪表系统在化工装置中的设计应用

2019-02-25

天津化工 2019年1期

（天津渤化工程有限公司，天津300450）

安全问题在石油化工装置设计与运行中得到越来越多的重视。目前很多化工装置在设计和改造中增加了危险与可操作性研究（HAZOP），确定安全完整性等级（SIL）等。安全仪表系统（SIS）是一个必须独立于过程控制系统专用于安全操作的控制系统。从安全角度出发，化工生产过程自身存在着固有的风险，SIS是一种经过专门机构认证，具有一定安全完整性水平，用于降低生产过程风险的仪表安全保护系统。对化工装置的安全仪表系统进行合理有效的分析和设计，是保证安全运行的基础[1]。

1 确定安全完整性等级[2]

全仪表系统是由一个或多个安全仪表功能（SIF）组成；每一个SIF回路需要降低风险的水平用SIL表示。安全完整性等级（SIL）是对安全仪表系统综合评价的一种量化等级，SIL等级越高，SIS的平均故障率越低，可靠性越强。SIL等级可根据HAZOP分析确定。

HAZOP能够预期分析并发现问题，将危险消灭在最初阶段，既适用于设计阶段，又适用于现有的生产装置。HAZOP分析是一种辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化分析方法，方法的本质就是通过系列的会议对工艺图纸和操作规程进行分析。在这个过程中，由各专业人员组成的分析组按规定的方式系统的研究每一个单元（即分析节点），分析偏离设计工艺条件的偏差所导致的危险和可操作性问题。

HAZOP分析可以找出装置在设计中存在的隐患，而随着风险技术发展，将风险矩阵应用于HAZOP分析形成了一种新的分析方法，即HAZOP风险评估，利用事故的后果严重等级和事故发生频率等级在风险矩阵中计算事故的风险等级。

2 控制回路[3]

根据HAZOP分析报告中的结论，确定SIS的控制回路。某大型化工罐区装置进行SIS改造，经过HAZOP分析得出的报告结果，有SIL1和SIL2两种等级的回路。改造项目中需要根据SIL定级，将原本使用的普通仪表更换为相应SIL等级的仪表。对于这两种等级的仪表，SIS的测量传感器和最终执行元件宜独立设置，从安全可靠的角度考虑，建议SIL2等级的仪表独立设置。

如图1：以某SIL1等级的仪表回路为例，确定进入该控制回路的测量仪表为同一个储罐上的6台压力变送器A～F，高低报之后分别切断两台阀门。改造过程中储罐无法新增仪表，将安全仪表信号引入SIS辅助柜中的一进两出安全栅，引出的信号一路进SIS机柜，一路进过程控制系统。

图1 仪表回路图

图2 所示：不在工艺管线上增加阀门，可将原终端执行机构的位置换成SIL1等级双电磁阀结构的切断阀，双电磁阀安装在同一条仪表供气管线上，具有联锁功能的电磁阀设置在过程控制的电磁阀之后。

图2 双电磁阀结构安装图

3 联锁逻辑

SIS的联锁逻辑应为故障安全型。SIS的检测元件以及最终执行元件在系统正常运行时励磁，在系统不正常时非励磁。当出现故障时，系统能自动转入安全状态，从而避免由于SIS自身故障或者停电等原因使生产装置处于危险状态。

联锁系统回路中的6台压力变送器分为两组，每组进行逻辑三选二的冗余设计，若有一组三选二之后输出高报则联锁切断阀门。该联锁中设置了联锁投用开关，也可叫维护旁路开关。由于在旁路状态下SIF功能及其安全完整性都是受限的，因此旁路操作本身应该有报警、记录和显示，不能用作安全防护层的功能。手动复位按钮在使用前应保证工艺过程在安全状态，最终执行元件在所有的联锁初始条件恢复到正常状态前不得复位。