安全仪表系统(SIS)在联碱氨压缩制冷工序中的应用

闫晶辰

(天津渤化永利化工股份有限公司，天碱 300452)

1 生产装置简介

天津渤化永利化工股份有限公司联碱装置制冷工序投入安全仪表系统(以下称SIS系统)，并引入生产中发挥重要作用。

联碱装置生产有CO2压缩、碳化、煅烧、结晶、真空制盐、氨压缩制冷等工序。其中氨压缩制冷工序液氨储罐区单元涉及二级重大危险源，且在存储、输送、生产过程中可能因泄漏产生中毒、火灾甚至爆炸事故，是联碱装置中最为危险的区域，因此安全管理不容忽视。

氨压缩制冷工序的重点设备有氨压缩机3台、液氨储罐6个、气液分离器1台和蒸发式冷凝器4台。重点监控工艺包括液氨储罐液位、氨储罐管道压力、压缩机主轴承温度、压缩机排气压力等。

2 SIS系统简介

SIS系统的英文全称是“Safety instrument System”，即安全仪表系统，是根据美国仪表协会(ISA)对安全控制系统的定义而定名。包括传感器(Sensor)、逻辑运算器(Logic solver)和执行元件(Final element)，其主要作用是当生产装置本身出现故障危险，或人为因素导致危险以及一些不可抗拒因素引发危险的时候，能立即做出正确反应并给出相应的逻辑信号，使生产装置安全联锁或停车，阻止危险的发生和事故的扩散，使危害减少到最小，属于本安型设计，是生产工厂自动控制的重要组成部分。

3 SIS系统应用的必要性和重要性

依据前文，本公司氨压缩制冷工序液氨储罐区属于二级重大危险源，遵照国家安全生产监督管理总局40号令《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》，涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或者二级重大危险源，必须配备独立的安全仪表系统(SIS)。

安全仪表系统(SIS)独立于过程控制系统(DCS/PLC等)，在正常生产过程中处于静止状态，一旦生产装置或设备出现可能导致安全事故的情况时，能够无扰准确动作，使生产过程安全停止运行或自动导入预定的安全状态，避免生产事故的发生，降低企业损失。

4 安全完整性等级(SIL)的分类评估

安全完整性等级(SIL)是在规定的时间内、在所有规定的条件下，安全相关系统成功完成所要求的安全功能的可能性，也就是实现所要求的安全功能的平均概率所应对的等级。

关于SIS系统的SIL等级评估，当达到需要的安全等级时才需要SIS。也就是在LOPA分析下，首先定一个可接受的风险等级，然后查找独立保护层，所有独立保护层的乘积为“中间事件的可能性”，和目标可接受值相除，即SIL等级，方法简单可靠且非常科学。

表1 SIL等级分类

5 氨压缩制冷工序中SIS系统的应用

5.1 系统原理

本公司SIS系统应用的是浙大中控TCS-900系列，结构采用三重化(TMR)和硬件容错(HIFT)安全控制技术，符合TüV Rheinland SIL3认证。每个控制器和I/O模块都有三个独立的通道回路，输入模块内的三个通道同时采集同一个现场信号并分别进行数据处理，经表决后发送到三条I/O总线，控制器从三条I/O总线接收数据并进行表决，并将表决后的数据送三个独立的处理器，各处理器完成数据运算后，控制器对三通道中的运算结果进行表决，并将表决结果送I/O总线，输出模块从I/O总线接收数据并进行表决，表决结果送三个通道进行数据输出处理，处理结果表决后输出驱动信号。控制站I/O模块和控制器模块支持冗余设置，两个冗余模块同时工作，无主备之分。冗余模式下，如果检测到某个模块出现故障，可在线更换。见图1。

图1 三重化技术系统原理图

5.2 系统软硬件结构

系统硬件由工程师站(含操作员站)和安全控制站构成，安全控制站由控制器模块、输入/输出模块及其端子板、网络通信模块组成。系统管理平台软件主要包括：SafeContrix组态软件、SafeManager软件、SOE管理软件、OPC Server软件。

5.3 SIS系统在生产中的应用

5.3.1 氨压缩制冷工序的简要工艺流程

由结晶工序来的0.35 MPa、0～-5 ℃的气氨经气液分离器后进入氨压缩机压缩，变为1.6 MPa、90 ℃的气氨。压缩后的气氨，进入蒸发式冷凝器。经与水和空气热交换后的气氨冷凝成液氨进入液氨储罐，后液氨送至结晶工序蒸发外冷器重新开始制冷循环。

5.3.2 SIS系统的组成

氨压缩机制冷工序SIS系统共计2台工程师站(含1台操作员站)，1个控制站， 35个I/O点，其中AI点12个，DI点17个，DO点6个。系统主要硬件配置和监控数据表见表2、表3。

图2 氨压缩制冷工艺简易流程图

表2 系统主要硬件配置

表3 SIS监控数据表

5.3.3 SIS系统的逻辑控制

1)现场液氨储罐区共有6个液氨储罐。每个储罐上安装1台双法兰变送器和1台压力变送器，用于测量氨储罐的液位和压力，并将测量结果输出进入SIS系统进行监控的同时参与联锁。6个储罐分为2组，1#～3#为一组，4#～6#为一组，每组的液位、压力仪表分别按照2oo3的表决原则，即每组有两台液位仪表或压力仪表指示高于联锁值时输出，而后两组再进行1oo2表决，最终输出联锁动作。2oo3表决原则既保证了生产安全又防止单台仪表故障而误动作。

2)现场共有4套蒸发式冷凝器，每套冷凝器南北侧各安装1台氨气浓度检测报警器。每套蒸发式冷凝器上的报警器按照2oo2表决原则，即当其中一套2台报警器同时超过联锁值时输出，而后4套报警器按照1oo4表决原则，最终输出联锁动作。具体联锁方案如表4。

表4 联锁一览表

图3 上位联锁逻辑图(示例)

5.3.4 SIS系统在氨压缩制冷工序安全生产中的重要性

如表4联锁一览表中所示，当联锁仪表指示高于联锁设定值时，触发联锁，自动关闭相应的切断阀或者停止氨压缩机运行，把储罐区液氨储存量控制在临界量以下，并保护氨压缩机设备的安全。否则极易发生管道爆裂或设备损坏等事故，严重时可能会产生爆炸，因此安全仪表系统在本生产装置中发挥着极其重要且不可替代的作用。

6 总 结

化工生产由于其物料危险性大、有毒有害、易燃易爆、工艺过程复杂、高温与高压(低温或真空)等自身特点，安全生产在化工行业就更为重要。随着时代的发展、技术的进步，生产方式趋于高度的自动化和连续化，因此选择合适的SIS系统、DCS系统、仪器仪表、检测报警仪器并配有可靠的视频监控系统，是保障安全生产的前提，也是化工生产的必然趋势。

以我公司联碱装置氨压缩机工序为实际案例，除了SIS系统外还配备了2套PLC系统，主要用于监控液氨储罐、压缩机电流、温度等重要工艺仪表指标，并实现氨压缩机的联锁报警及停车功能；1套GDS系统，主要用于监控有毒、可燃气体浓度，并实现报警功能。四套系统各司其职又相互联系，共同保障着生产安全稳定的运行。