CFB锅炉安全仪表系统的设计

2019-11-18阎志敏

电子技术与软件工程 2019年18期

文/阎志敏

现阶段循环流化床锅炉（Circulating fluidized bed boiler-CFB）在各行业中被广泛应用，为了追求经济效率，其设计参数也越来越高，运行过程中暴露的问题越来越多，特别是造成人身和设备安全事故也不断增多。《大中型火力发电厂设计规定》（GB50660-2011）中首次规定了“火力发电厂锅炉和汽轮机的跳闸保护系统可采用电子逻辑系统或继电器硬逻辑系统，系统宜采用经认证的、SIL3级的安全相关系统”，这也意味着安全仪表系统正式进入火力发电领域。

CFB锅炉较早就被作为石油化工装置的供汽设备，安全仪表系统也在不少锅炉上按石化标准进行了应用，为火力发电领域CFB锅炉的应用奠定了一定的基础。本文就将结合电力系统的实际情况对CFB锅炉的安全仪表系统的设计应用进行研究。

1 安全仪表系统的概述

安全仪表系统（Safety Instrumented System-SIS）设置的目的是防止工厂或设备的过程风险，也就依据工艺特性通过各种手段消除或降低风险，保护人身和财产安全，保护环境。

国际上安全仪表系统通常以IEC61508/61511的定义为准，我国也在GB/T21109、GB/T20438的规范中明确了相关的概念。SIS是执行安全仪表功能的系统，一般由现场传感器、逻辑控制器及其它元件（包括软件）组成，其包括的保护系统有安全联锁系统、紧急停车系统、可燃气体以及火灾检测保护系统等。

根据安全仪表功能失效产生的后果和风险，用安全完整性等级(Safety Integrity Level-SIL)来划分，共分为SIL1，SIL2，SIL3，SIL4四个等级，SIL4为最高等级，SIL的定级是由专业认证机构完成的。不同等级的安全仪表回路在设计、制造、安装、调试和操作维护方面有不同的技术要求，最终由工艺流程或生产装置的安全要求决定的。

2 CFB锅炉安全仪表系统的设计

2.1 过程危险分析与风险评估

大家普遍认为锅炉的炉膛安全保护系统（Furnace Safeguard Supervisory System-FSSS）应该采用SIS仪表安全系统，但从CFB锅炉工作过程来看，对应锅炉的保护和联锁系统，其它保护系统如：汽包水位保护系统、炉膛压力保护系统、床温保护系统也应该纳入SIS系统。

经过几十年发展，CFB锅炉的工艺流程已很成熟，对应的PID图也比较完善，是否采用SIS系统或适用那些范围，仅仅缺少的是正式的过程危险分析和评估的手段或方法。危险作业分析（Hazard and operability Studies-HAZOP）是众多分析法的一种，已在石油化工领域广泛采用，也培养出了不少专家人才，采用HAZOP分析法可以少走弯路，使CFB锅炉SIS系统尽快投入实用。

对于CFB锅炉的HAZOP分析：

（1）根据PFD和PID划分研究节点，说明每个节点设计的目的；

（2）以正常工艺参数为基准确定偏差，发现有价值的偏差并选择引导词，如：汽包的正常水位为0mm，引导词即为“高于”或“低于”正常水位；

（3）分析偏差产生的原因，如：何种情况下汽包水位会升高或降低；

（4）偏差产生的后果，如：汽包水位低于一定值时会发生锅炉干锅，损坏锅炉。高于一定值会进入过热器，会导致其损坏或减少寿命；

（5）分析现有的保护措施，如是否设有紧急放水或关闭锅炉上水的给水阀等；最后评价风险等级并提出整改措施。对所有划分的节点重复以上步骤，即可完成HAZOP分析并形成最终的报告。

2.2 安全功能级别的确定

《石油化工安全仪表系统设计规范》第3章对石油化工工厂和装置的典型多保护层的结构进行了要求，对应于电站锅炉来说，除了在物理防护中的防火墙与其抗爆墙的功能要求有所不同外，其它的基本相同。因此对于CFB锅炉来说，其保护层结构从内到外可分为：锅炉工艺过程、工艺过程控制、超限过程报警及操作员干预、安全仪表系统（SIS）、减灾及缓解设施的泄压阀（汽包安全阀、过热器安全阀）、物理防护（主厂的防火墙）及应急响应（紧急广播、人员疏散、火灾消防等）。

确定保护层结构后，需要给其分配安全功能，也就是确定安全仪表(SIL)的等级。对于电力系统还没有可借鉴的经验，确定SIL等级评估最好采用审查会的方式，集中行业内外的专家群策群力，审查人员至少应包括锅炉运行人员、工艺人员、仪表及控制人员及安全管理人员。对于CFB锅炉审查时需准备的文件应包括：锅炉热力系统PID图、风烟系统PID图、点火系统PID图、锅炉使用及设计说明书、设备布置图及联锁保护逻辑图等。

对照IEC61508安全完整性等级划分来看，“锅炉及其相关设备偶尔发生事故，如发生事故，对设备和蒸汽供应有一定的影响，并有可能造成人员伤亡，经济损失一般或较大”，锅炉安全完整性等级应为SIL2级或SIL1～SIL2之间。目前，石油化工工厂或装置的安全完整性等级最高为SIL3，相比较电站锅炉事故发生的可能性，事故造成环境和人员伤亡及经济损失较石化行业要小，定级为SIL2应该是合适的。

2.3 SIS的工程设计

2.3.1 注意区分SIS与DCS设计分工

多少年来，DCS在电站中扮演重要角色，不仅负责工艺过程的连续测量、逻辑和顺序控制，还担负异常工况的快速处理，解除或降低危害，确保人员和设备处于安全状态。

随着SIS系统的被引入锅炉的安全保护系统来，一定要把二者功能和责任区分开来。

（1）SIS是负责将超过极限安全状态的工艺和设备转到安全状态；

（2）正常安全运行时，SIS系统是休眠的、被动的；

（3）参与SIS系统的均需安全认证的，其级别高于DCS系统；

（4）在应对失效方式上，SIS是隐蔽的，不太明显，SIS系统需人为周期性的离线或在线测试，或通过系统自诊断进行诊断。

明确二者分工后，原DCS系统中负责安全保护的部分功能需转移至SIS系统中，一方面可降低重复投资，另一方面使SIS真正起到提高安全保护功能。

2.3.2 SIS系统的设计原则

（1）坚持经济合理、可靠、可用、可维护原则；

（2）安全等级不宜高于SIL2；

（3）系统应包括现场仪表、控制器、相关元件及相应软件等；

（4）系统独立于DCS系统，应设计成故障安全型，具有硬件和软件自诊断功能；

（5）中央处理单元（CPU）、输入或输出模块、通信模块、电源模块应冗余设置；与DCS通信接口应有防火墙，仅允许正常的数据交换，不允许直接访问输入或输出模块；

（6）CPU应获得相关权威机构的安全认证，现场设备可按“经验使用”（Prior Use）原则选型；

（7）SIS系统采用双UPS供电；

（8）SIS系统电缆独立设置。

2.3.3 SIS测量仪表的设计原则

（1）根据单台锅炉的安全仪表信号数量，每炉独立；

（2）设置1套SIS冗余控制器；

（3）SIS系统的压力、差压、流量、液位、温度变送器由SIS系统供电；

（4）SIS系统测量仪表若满足SIL的等级要求，可以通过马尔可夫模型（Markov Model）采用冗余测量仪表，若SIS测量仪表为二重冗余或三重冗余DCS过程测量信号可由信号分配器分出，信号分配器属于SIS元件，布置在SIS机柜内；

（5）CFB锅炉的SIS测量信号如：汽包水位高或低、炉膛压力高或低、分离器（旋风筒）料位高、床温高、宜采用三取二逻辑；紧急停沪按钮、汽包压力高、过热蒸汽压力、返料风机停止等信号可采用二取一逻辑；

图1

（6）对于SIS的最终元件，建议给水调节阀、减温水调节阀、紧急放水阀、过热蒸汽紧急放空阀及其它设备与过程控制的阀门合用。但对于紧急放空阀和紧急放水阀可改为气动阀门，采用双重电磁阀进行控制。对于CFB锅炉的MFT逻辑需结合NFPA标准来综合考虑，正常运行时的主燃料跳闸信号由SIS系统发出，启动点火时的切断燃料和炉膛吹扫信号可由DCS完成，但跳闸回路的元件应布置在SIS机柜内。

2.3.4 SIS系统网络结构的设计

石油化工行业SIS系统的架构设计是执行GB/T50770规范的，是完全独立的系统（如图1），但在实际应用中为了节约成本，其智能仪表管理系统（AMS）及GPS根据与DCS合用。

目前SIS系统和DCS系统有逐渐整合的趋势，许多制造商同时提供DCS和SIS系统，而且两个系统可以在其同一网络架构下运行，对于CFB锅炉来可采用这一构架，但SIS部分的控制器和I/O模块是经过认证的。这种设计方法是否与相关规范冲突，还待于进一步论证。

3 SIS系统品牌的选择

目前国内石油化工行业主要应用的是经过TUV认证的国际品牌，如：美国Tricon、Triden系统；Honeywell的FSC系统；HIMA的HIMA PES系统；西门子SIMATICS7-400F/FH系统；艾默生Deltav SIS系统等。

随着我国电子技术的发展，国产SIS系统也已有重大突破。和利时在2012年7月12日推出的HiaGuard系统，是国内首套完全自主知识产权的安全仪表系统。浙大中控也在2015年5月19日通过了TUV认证，正式推出TCS-900的安全系统。两套国产系统博采众家之长，都支持与自己的DCS系统的无缝集成，共用控制网络，共用人机界面。这两个系统的推出为经常使用国产系统的电站工程奠定了基础，也为推广电力行业SIS系统提供了有力的支持。