SIS系统在空分中液氧储槽装置的应用与实践

2022-11-08孟庆宝张鹏齐婷

冶金动力 2022年5期

孟庆宝，张鹏，齐婷

（唐钢气体公司，河北唐山 063000）

引言

在空分生产过程和液氧的低温储存中，单纯利用DCS 控制系统来控制生产，存在很大的安全隐患，不能实现全过程生产安全保证，由于空分装置的生产环节相对紧密，一个环节的不可控，就会带来意想不到的损失，不仅体现在财力方面，更严重的是造成人员伤亡，甚至是不可估量的后果。安全仪表系统在其生产中的作用更加凸显，能极大提升安全管理水平。

液氧储槽为低温常压储槽，该装置主要用于产品液氧的临时存储，最大容量为3 000 m3，液氧储槽上游装置生产的液氧产品经管道进入储槽存储。存储的液氧主要通过充装设备经低温液体槽车装运外销。另外生产系统需要氧气用量大时或生产异常，部分液氧经过氧气汽化装置汽化后与厂区的高低压氧气管道并网连接，送至用户。

1 HAZOP（危险与可操作性）分析

根据工艺管道及仪表流程图将3 000 m3液氧储槽SIS（火电厂厂级监控信息系统）改造项目划分成液氧储罐单元、液氧充装单元2个节点进行分析，将每一个工艺节点的一系列偏差进行审核，分析导致偏差产生的原因和由此可能产生的后果，并且在对现场已采用的安全措施进行识别和判断的基础上补充了关于安全对策措施和建议，进而开展相应的SIS系统安全逻辑设计。

图1 HAZOP分析基本理念及程序图

2 逻辑设计

项目涉及的主要产品和原料有：液氧；经辨识，该项目液氧储罐区构成三级重大危险源。

3 000 m3液氧储槽主要操作条件详见表1。

表1 液氧储槽工艺（工艺设备）参数

2.1 设计思路

SIS 安全仪表系统设计过程对液氧储槽装置监控具备以下基本功能：

（1）液氧储槽使用过程静态参数的集中监视和记录。

（2）液氧储槽过程参数超出设计定值时的信号声光报警。

（3）液氧储槽内部压力、液位等重要环节的安全联锁保护。

（4）超限部位远距离处理。

上述的基本功能在DCS 系统里已全部囊括，根据HAZOP分析建议措施要求，对其进行二次控制保护，将储槽内部压力、液位AI监控点位引入SIS系统中，使其独立于DCS 和其他辅助控制系统，一旦检测到其报警或超高限，DCS 控制失效延迟500 ms，SIS 系统50 ms 可以快速响应，直接触发急停、电磁阀失电罐体泄压等保护联锁［1］。

以HAZOP 分析结果为基础，在对3 000 m3液氧储槽安全仪表系统的安全完整性定级后，通过保护层分析［2］，液氧储槽的各联锁回路要求的SIL等级为SIL1，见表2所列。

表2 SIF回路一览表

2.2 具体实施

液氧储罐上安装远传报警联锁液位仪表LZIAS-101AB（二取一）、压力仪表PZIAS-101AB（二取一），变送器设计为带Hart 协议、LCD 显示、4～20 mA 信号功能智能型变送器，优越于压力开关仪表，变送器随时看到压力值，调校维护方便，通过手持终端就完成变送器的调校和联锁自保试验。在液氧储槽进料真空管安装切断阀，控制电磁阀DO输出，当液位高于10 4000 mm 联锁实现远程切断，储槽顶部放线调阀安装电磁阀，出现压力升高至28 kPa 及时失电全开。储罐液位、压力信号直接引SIS 系统，实现液位、压力参数的信息远传、连续记录、信息存储、高事故预警，以及高高联锁，液位低低400 mm停1台液氧充车泵、3台液氧气化泵。

DCS 控制逻辑中有包含但不限于图2 的SIS 系统的控制联锁，但两者区别如下。

图2 设计逻辑图

（1）SIS 系统所用测量仪表AI点位、储槽顶部放空调阀安装电磁阀后DO 点位均现场实际安装，信号放线至SIS机柜。

（2）液体泵的急停控制DO 点位由现场急停就地柜安装继电器后引入SIS机柜。

（3）正常状态生产运行时，储槽顶部放空调阀的电磁阀处于常闭状态，气源供气与阀门气缸，此阀AO 信号控制线处于DCS 机柜中，由DCS 工控机自动控制，当储槽压力异常时，超出SIS 系统设定值时，DCS 控制联锁无动作或动作不及时，SIS 安全系统将率先触发联锁，电磁阀失电，气闭阀门瞬间打开，储槽顶部泄压。此步骤后，必须操作人员手动复位后方可操作电磁阀从新得电，阀门得以恢复DCS控制。

（4）液体泵运行状态时，如出现液位低于联锁设定值时，SIS 系统将无视DCS 控制给与的命令，直接停车，此步骤后，必须操作人员手动确认复位后启动权限才将给与DCS控制系统。

（5）控操作台增加手动机械式用于触发SIS 系统低温泵急停按钮、泵急停信号复位、综合报警灯、蜂鸣器、消音按钮和当SIS 系统报警时指示与确认。

2.3 结构设计

SIS 系统设计安全级别为SIL1（2.1 里已提现），采用以西门子S7-300 PLC 为基础，实现过程控制与计算、长短脉冲输出、趋势分析、直观操作、远程通讯等功能；操作员站可满足液氧储槽过程监控及低温泵出现误停车时的解除命令操作需要，组态可以根据操作者不同增加权限，以区分监控流程图、运行参数、数据记录、报警处理等权限划分，操作员站也可有效地调整控制回路的输出和联锁设定参数；系统的构成包括PLC、过程接口、I/O 控制模块、控制器、通信网络、操作台、工程师站（也为SOE 工作站）、UPS、机柜、隔离器及网络结构［3］。

操作站一方面可以进行参数监控、联锁的投切，同时可以运行组态软件部分功能，必要时通过密码等权限后可用作工程师站进行组态编辑和数据维护等。

表3 系统结构

3 SIS控制系统联锁程序管理

程序管理分为协同流程和线下两部分组成。

协同平台流程（OA）：将联锁逻辑中与当下生产检修临时相违背的控制程序进行修改，经各部门及安全专家及有关部门讨论后，形成会议纪要，按照OA 流程要求进行申请，最终仪控专业人员进行更改，流程归档。见图3。

图3 联锁OA流程

线下管理：报警联锁实行统一、专业、分级管理相结合。即以分公司为单位，由分公司仪控负责人统一管理，公司设备部、安全部监督检查。报警联锁变更的审批：当有液位、压力变送器校验等特殊情况时，报警联锁的投切及设定值更改由分公司工艺提出并填写《仪表联锁临时改动申请表》，仪表人员按联锁回路进行试验，填写《仪表联锁回路调试记录》，监督人试验后在《仪表联锁回路调试记录》上签字确认。同时建立SIS 安全系统如I/O、电源等硬件和组态软件故障记录专项台帐及组态修改记录台帐，做到详细记录控制系统全生命周期发生的问题。