SIS系统在石油化工重大危险源中的应用

席巧娣

（杭州和利时自动化有限公司，浙江杭州 310018）

化工生产的特点主要是易燃、易爆、易中毒，以及高温、高压、易腐蚀，生产工艺对条件的要求极为苛刻，部分反应必须在超低温、高真空或高压、高温环境下进行。相比其他行业，化工生产的危险性较高，潜在的不安全因素较多，所以安全生产面临的要求自然较严格。如果存在某工艺参数与安全极限不相符，又未得到及时妥当处理的情况下，很有可能陷入设备受损、人员伤亡、环境破坏等困境。安全仪表系统（Safety Instrumented System，以下简称“SIS”）是一种完整性、安全性极高，应用于生产过程风险管控的仪表系统。其不但能及时预警生产过程中的安全风险，还能对自身故障进行检测和处理，让生产过程恢复到预定参数设置和流程设计，给予人员、运行设备及周边环境较大的安全保障。总而言之，只要涉及重大危险源的生产设备最好配备独立的SIS 系统。

1 SIS系统的构成

SIS 的另一种名称是安全联锁系统、安全停车系统及紧急停车系统。具体的命名根据使用的工业范围差异而有所不同。石油化工重大危险源生产工艺中的称谓为实现安全功能的监控系统。SIS 系统通过安全完整性等级（Safety Integrity Level，简称“SIL”）来对保护能力进行衡量。如果生产过程中的有关参数超过了安全限值，SIS 系统可通过传感器对生产过程进行响应。此外，SIS 系统可以在检测事故发生的同时妥善解决自身问题，将生产过程有关参数控制在安全限值内。SIS 系统设计的关键步骤如下：①明确SIS 系统的作用，这对应着需要实现的安全仪表功能（Safety Instrumented Function，简称“SIF”）；②围绕企业的风险接受度和可行性报告，明确每个SIF 功能的SIL 等级。

2 SIS系统的风险评估程序

SIS 系统的风险评估程序如下：①收集工业生产的相关信息。包括过程工艺图纸、统计数据、周边设施环境等，联合国内外有关安全生产的标准与法规，确定评估对象和标准使用范围。②准确辨识危险危害因素并对其展开分级分析。通过分析原材料、产品性质、设备场所的环境条件、工艺流程、重要设备和仪表等，科学客观地辨识重大危险源并合理分级。③判断防护设备与相关措施的必要性。遵照相关标准，逐一判断各个级别的危险源是否需要增设保护措施。④详细评估风险。根据上述风险分析，有序地划分需要防护措施的重大危险源到对应的评价单元。关于事故发生的可能性，联合事故发生的严重程度，选择对应的技术理论开展定性分析评价，如HAZOP（哈萨普）分析法，或者使用LOPA（保护层分析）进行定量评估计算。⑤围绕评价结果对防护系统展开科学设计，并做好验证工作。

3 重大危险源辨识

不同类别的重大危险源对应着不同的生产工艺，应用于其中的SIS 系统设计方式也有所差异。要想科学化管理重大危险源，就要对重大危险源进行精确辨识并有序分类。与其他工业相比，石油化工产业凸显着不一样的特点，在思考用何种方式对危险源进行控制时，最重要的前提就是辨识危险源。石油化工生产工艺中富含多种化学品品种，且大部分都在危险品范围内，GB 18218—2009《危险化学品重大危险源辨识》明确规定，一定要科学分级危险化学品重大危险源，并定量评估一、二级重大危险源的风险。关于石油化工企业危险源的统计，可从两个方面入手，即原材料与生产工艺。就原材料而言，同一种原料在石化生产中经过不同的工艺处理后，将生成诸多不同的产品。国家安全生产监督管理总局曾汇总整理了一批危险化学品，这些就是有待监管的重要对象，石油化工企业中包含了其中绝大部分。就生产工艺而言，可围绕石化企业生产过程来统计。从石油到产品需要经历的加工工序通常分为3次，每一次对应不同的工艺设备。具体如下：①常压蒸馏将原油分成不同的沸点状态，存在于这一过程的危险风险统计见表1；②经过催化裂化获得成品油，应用到的工艺主要是延迟焦化工艺、加氢裂化工艺、催化工艺等，存在于这一过程的危险风险统计见表2；③经加工处理获取成分更加精细的有机化学品。

表1 常压蒸馏过程中的危险风险

表2 催化裂化过程中的危险风险

4 应用实例

4.1 项目介绍

某化工企业有一个160 kt/a 离子膜烧碱项目，主要工艺过程包括一次盐水制备、二次盐水精制、淡盐水脱氯、氢处理、氯处理、氯气液化、液氮贮存等。离子膜烧碱工艺流程如图1所示。这一项目的重要装置自动化水平高、控制要求严格，选用了很多集中显示与控制回路，提升了生产装置的稳定性，同时围绕工况要求设置了联锁回路，直接对仪表测量稳定性和精确度都提出了更高的要求。整个项目此前应用DCS 系统（分散控制系统）完成了工艺参数的显示、控制及联锁，中央控制室的DCS 系统引入了重要装置的集中检测点和重要电气信号。分析项目安全评估报告可知，这一建设项目存在的危险化学物品主要有氢气、氯气、氯化氢、烧碱、盐酸等，依据GB 18218—2009完成辨识后，存在危险化学品的区域覆盖了氯压缩、电解、氢处理、液氯储存、高纯盐酸等，可以说整个项目都成了重大危险源，所以按照相关要求此项目必须设置独立的SIS。不管是氢压机、电解、氯压机的紧急停机系统，还是液氯储存、氯处理的事故处理系统，都要通过引入SIS 完成联锁停车。

图1 离子膜烧碱工艺流程

4.2 SIS联锁方案

就项目实际情况开展了可行性与危险审查（HAZOP 分析），选定研究节点和调配好工艺参数后，发现偏差并分析其中原因、相关后果及当下措施，对风险展开评估并给予合理的风险建议。对后果较为严重且高频发的事件进行集中研究，识别事件引发原因及SIS 的SIL 等级，最终确定联锁方案进入SIS。具体操作如下：①电解槽出口氯气总管压力设置为高限，氢气总管压力设置为高限，氢气和氯气总管的压差分别设置为低限和高限；②氯压机停车过程中，SIS的联锁停电解槽就会启动；③若每个电解槽都停车，SIS 将启动针对氢气泵、氯压机的联锁停车；④若整流变压器运行异常或仪表电源故障，或仪表气源压力值太低，SIS 的联锁停电解槽就会启动；⑤氯气事故正水封入口压力值临近上限时，SIS 将给予连锁启动直接开启事故塔碱液阀和事故风机；⑥氯气液化和液氯储存装置氯气含量临近上限时，电动卷帘门和窗经联锁关闭，然后开启喷淋系统。

4.3 SIS的配置

这一项目本来有1套DCS，基于无缝衔接的考虑，最终选择MACS V6.5.4系统，该系统和DCS 共用一个控制网络，不过系统功能是相互独立的，在同一网络环境下的多个控制器建成数据信息交换，全都是通过了TÜV（德国技术监督协会）认证的安全通讯方式。MACS V6.5.4系统主要包括3个部分，分别为实时性控制网络、安全控制站及安全工程师站。安全保护控制由SCS（顺序控制系统）执行；系统组态维护和查看SOE（事件顺序记录）由安全工程师站执行。SCS 的组成部分主要包括安全控制单元CPU 和安全节点单元I/O，ESB 总线支持下实现CPU 和I/O 的连接，并保持128MB/s 的通讯速率。SIS 最为专业的两个模块是CPU 和I/O，具有可靠性极高的诊断功能。与此同时，MACS V6.5.4系统属于冗余结构配置，涉及I/O 连接总线、电源、IO 卡件等，单点故障通常不会导致系统失效。任一单部件失效都不会影响系统的控制作用或出现降级调整，生产运行还是处于安全级别。MACS V6.5.4系统自带容错功能和自我诊断功能。将MACS V6.5.4系统和日本横河CS3000DCS 系统无缝地集成为一个完整的生产控制系统，还可以通过DCS 人机接口实现监控SCS 运转。MACS V6.5.4系统为全独立设置，有辅助操作台、控制站、工程师站及显示操作站，其中控制站的CPU 和控制总线结构冗余容错，只要在控制站范围内的IO 卡件都能于在线状态更换和插拔。这一SIS 设置于原本的中央控制室中，供电连接为双路冗余供电，控制室内UPS提供电源。

4.4 运行情况

完成这一项目的SIS 安装调试和相关组态工作后，检测现场运行情况一切良好，和原有的DCS 系统完美集成于一体，可行性、可用性及可靠性都很高。具体特点如下：①稳定合理。因为这一系统选用的是可用性极高的卡件和控制器，所以系统整体运行十分稳定，加之联锁回路设置妥当，所以生产运行的安全性得以保障。②安全可靠。考虑这一项目专职区内的工艺物料类别多且使用设备复杂，任一部位存在安全隐患都可能导致事故发生，所以选用SIS 来实现安全控制。③维护便利。系统结构简洁，便于开展日常维护工作，加之该系统具备完整的故障检测功能，在定位精准度高的情况下大幅提升了维护效率，系统也变得更加可靠。

5 结束语

在过程工业的发展中，因为存在原料变更、流程复杂化、产品质量要求严格、装置规模变化不可控因素，SIS 设置显得十分重要。SIS 在生产装置的开启、关闭阶段及日常运维期间，将从装置设备、人员安全、周围环境等方面提供全方位的安全保护。不管是生产装置自身有故障隐患存在，还是外在人为因素导致的危险，SIS 都能即刻给出预警信息和对应的逻辑信号，将系统管控内的生产装置直接联锁或停运，杜绝发生或扩散危险。