化工安全仪表系统工程设计和应用

刘冰洁 王力功 齐岳 易超 李飞

（1.中国五洲工程设计集团有限公司 北京市 100053 2.山西北化关铝化工有限公司 山西省运城市 044599）（3.北京五特自动化工程有限公司 北京市 100053）

随着自动化技术的不断发展和应用，化工安全仪表系统应运而生，该系统凭借着安全性、智能性等特征，被广泛地应用于化工生产中，并取得了良好的应用效果，不仅提高化工生产的高效性和安全性，还促使化工企业向自动化、智能化、数字化方向不断发展，为进一步提高化工企业的知名度和影响力提供了重要的平台支持。因此，如何科学设计和应用化工安全仪表系统工程是相关人员必须思考和解决的问题。

1 化工安全仪表系统工程设计原则

1.1 可靠性原则

根据化工安全仪表系统特征，在对系统工程进行设计的过程中，相关人员要严格按照可靠性原则，确保系统能够可靠、稳定地运行，从而提高化工生产的安全性。为了进一步提高系统工程设计水平，相关人员还要尽可能提高化工生产自动化水平，实现对系统周围相关设备的智能化控制和管理，同时，还要提高系统对周围设备的抗干扰能力，为此，相关人员要将系统安装在无干扰源的场所中。只有这样，才能提高系统运行的可靠性。

1.2 稳定性原则

为了充分发挥和利用化工安全仪表系统的应用优势，相关人员要确保系统运行的稳定性，因此，相关人员要在严格遵守稳定性原则的基础上对系统工程进行科学设计。首先，要采用安装化工生产装置的方式，不断完善和优化系统功能，确保系统的信息报警功能、连锁控制功能能够满足化工生产工艺相关标准和要求[2]，为进一步提高化工生产的效率和效果打下坚实的基础。同时，还要根据化工企业经营和管理实际现状，采用相应的生产工艺流程，确保系统与化工生产进行充分结合，以保证系统功能的稳定性和有效性，确保系统能够对化工生产相关设备运行状态进行实时监控，一旦发现某设备出现运行异常问题，自动启动报警功能，以引起维修人员的注意。

1.3 便捷性原则

化工安全仪表系统工程设计目的是保证系统安装和应用的高效性和便捷性，因此，相关人员在对系统工程进行设计的过程中，要遵守系统便捷性原则，提高系统自动化控制水平，为满足化工生产稳定安全需求提供有力的保障。只有这样，才能提高系统的实用性，促进化工企业健康、可持续发展。

2 化工安全仪表系统工程设计方法

2.1 系统选型分析

为了提高化工安全仪表系统工程设计水平，相关人员要严格按照系统工程设计原则，在结合化工生产安全需求的基础上，将系统选型工作落实到位，确保所设计的系统能够满足化工生产相关标准和要求。首先，系统要满足或TUVAK 体系相关认证标准，然后，针对配套设备性能，对系统安全级别进行科学划分和确定[3]。其次，还要针对系统设计相关标准和要求，确保所选用的系统硬件版本、系统软件版本、系统仪表版本是正式的，满足商业化开发需求。另外，在进行工艺连锁控制的过程中，系统要根据不同的信号，对旁路开关设置情况进行科学维护，从而降低停车次数。为了避免因操作不规范而导致生产装置出现各种故障问题，相关人员严禁针对系统信号输出需求，设置相应的旁路开关。为了提高系统选型的科学性和合理性，相关人员要确保所选型的系统与过程控制系统之间保持一定的独立性，确保各个系统能够在互不影响的情况下稳定运行。同时，还要利用数据接口，实现各个系统之间信息数据的交互和通信，为有效共享系统内信息数据，进一步提高信息数据的利用率打下坚实的基础[4]。最后，为了保证信息数据连接的可靠性和安全性，相关人员还要采用只读方式，避免通过通信接口，向系统内写入各种信息。同时，还要严格按照化工安全仪表系统设计相关标准和要求，针对如表1 所示的安全完整性等级，将化工装置的SLL 等级进行科学控制，为后期实现对系统的科学选型提供重要的依据和参考。

表1：安全完整性等级

2.2 安全等级确定

在对化工安全仪表系统工程进行设计的过程中，相关人员要从以下几个方面入手，完成对系统安全等级的科学确定：

（1）采用安全保护矩阵法，该方法在具体的运用中，主要是在定性分析过程危害的前提下，对相关设备出现的潜在性问题进行定性分析和评估，然后，针对影响评估结果准确性的因素，实现对相关设备的全方位检修。

（2）采用故障树分析法，该方法在具体的运用中，主要用于对故障后果相关逻辑树的全面显示。逻辑图所包含的基本事件主要有以下几种，分别是顶级事件事故、传感器事故。

（3）采用危险与可操作性分析法（HAZOP），该方法在具体的运用中，相关人员在熟练掌握危险与可操作性分析法的基础上，实现对化工生产工艺图纸的科学设计，同时，还在相关操作程序的应用背景下，综合考虑安全事件发生的可能性以及相关的风险，为实现对安全等级科学评估创造良好的条件。

2.3 系统设备配置

为了进一步提高化工安全仪表系统工程的设计水平，相关人员还要重视对系统设备的科学配置，在这个过程中，首先，要针对检测设备运行性能，实现对执行设备相关参数的科学配置，以保证回路的可靠性和安全性，从而提高系统运行性能。其次，在对系统传感器进行配置的过程中，要提高系统传感器的灵敏度和精确度[5]，严格按照安全等级划分相关标准和要求，将系统的安全等级划分为多个不同的等级，以简化冗余设置流程。再次，相关人员还要根据一级安全仪表的运行性能，对一级安全仪表配置相应的传感器，确保传感器与DCS 系统之间能够建立起有效的连接。二级安全仪表在具体的配置中，要利用冗余技术，通过借助传感器的应用优势，采用DCS 分离的方式实现对系统设备的科学配置。三级安全仪表在具体的配置的过程中，通过利用相应的传感器，实现对相关报警结构的科学设置。此外，还要将各个传感器输入和输出信号分别传输到信号分配器中，确保这些信号能够安全无误地被发送到控制器内。最后，在对执行设备进行配置的过程中，相关人员还要采用切断独立路径的方式，完胜切断阀的科学设置。为了实现这一目标[6]，相关人员要针对一级安全仪表的使用需求，科学配置相应的单一阀门，二级安全仪表除了要设置单一阀门外，还要借助电磁阀，实现对冗余装置的科学配置，同时，还要将三级安全仪表与冗余阀门之间建立起有效连接，从而实现对独立开关的科学设置。另外，相关人员还要科学调整和控制电磁阀的位置，确保电磁阀与定位器之间建立起有效连接，避免出现跳车现象，为后期更好地提高执行设备的运行性能，及时解决突发安全事故问题打下坚实的基础。

2.4 逻辑优化设计

目前，经常用到的逻辑运算符主要包含以下两种类型，一种是可编程电子系统，另一种是中继系统。其中，可编程电子系统主要用于设计复杂运算，而中继系统主要用于实现简单运算，由于化工生产所涉及到的安全仪表往往具有复杂功能，因此，需要利用可编程电子系统，实现对系统逻辑优化设计。为了提高系统逻辑布局的科学性和合理性，相关人员还要利用可编程控制器，在保证系统逻辑运算结果准确的基础上，确保系统能够正常、安全地发出各种逻辑指令。运算器结构主要包含冗余继承和变形组件等组成部分，一旦系统出现运行异常问题，相关人员要在第一时间内做好对事故的识别和分析[7]，然后，将系统转化为旁路状态，从而实现对系统相关功能的优化和完善。此外，在选择系统逻辑形式的过程中，相关人员还要针对系统运行实际情况，选用符合系统运行需求的逻辑形式。需要注意的是，相关人员在对系统逻辑进行优化设计时，要确保所选用的表决器与控制器能够有效匹配。在进行旁路设计的过程中，还要确保所选用的开关为后期更好地维护和调整系统提供相应的便利，以达到提高系统适应性的目的。

3 安全仪表系统在化工生产中的应用实例

现以某化工企业实施氨合成项目为例，对化工安全仪表系统的具体应用流程进行详细介绍，化工企业氨项目的合成生产工艺流程如图2 所示，为了保证化工生产的效率和效果，降低安全事故发生的可能性，化工企业化工安全仪表系统引入到化工生产中，并对该系统的控制回路进行集中化、标准化设置，然后，严格按照化工生产工艺相关标准和要求，有针对性地设置了连锁回路，以达到提高系统测量精确度、可靠性的目的。此外，该系统还安装了相应的化工装置，采用K 系列硬件与及MACS 软件相结合的方式，实现对过程控制系统的自动化控制，从而充分发挥和利用安全仪表功能的应用优势。化工安全仪表系统与过程控制系统之间存在一定的独立性[8]，化工安全仪表系统在具体的运用中，需要相关人员利用SIL级测量回路，提高化工安全仪表系统运行的安全性，确保一级信号能够进入到过程控制系统（DCS）中，以达到实时监控过程控制系统的目的。此外，SIL2 级和SIL3 级均借助过程控制系统的应用优势，实现对控制回路的科学设计，然后，在控制回路的应用背景下，将相关信号输入到化工安全仪表系统中，为后期更好地分析和判断系统逻辑状态打下坚实的基础，以提高化工生产的可靠性和稳定性，从而缩小化工生产成本，提高化工企业的社会效益和经济效益。

4 结束语

综上所述，通过将化工安全仪表系统工程应用于化工生产中，不仅提高了化工企业的自动化、智能化生产水平，还降低了化工生产安全事故发生的概率，为进一步提高化工生产的稳定性和安全性，提高化工企业的社会效益和经济效益发挥出重要作用。因此，化工企业要想在激烈的市场竞争中立于不败之地，必须要重视对化工安全仪表系统工程的设计和应用，促使化工生产向规范化、标准化、自动化方向不断发展，为提高企业的生产力和市场核心竞争力，促进企业健康、可持续发展创造了良好的条件。