SIS安全仪表系统在大型化工项目罐区上的应用

0 引言

　　一直以来，化工项目的罐区一般根据石油库设计规范进行设计，而此规范，并没有要求设置安全仪表系统。但是化工项目的罐区不同于一般的石油库或者储备库，它的特点是：单罐罐容小、介质种类复杂、毒害介质多。由于储罐容量一般较小，储罐的仪表设置都比较简单，介质本身的危险性往往被忽视。

本项目设计中，充分考虑了介质的危险性并兼顾投资要求，对于属于重大危险源介质的储罐设置了独立的安全仪表系统（SIS），用于防冒罐的高高液位联锁控制。

1 设置SIS 系统的必要性

　　化工项目罐区的介质种类复杂，可燃毒害介质多，发生事故后危害巨大。罐区一旦发生事故，将会对上下游的工艺都产生影响，连带着相关装置都需要停产，损失不小。

　　减少罐区的安全事故可以更好的保证工厂的正常生产，提高效益。不因节省初次投入而增大事故风险。

　　现行化工项目配套的罐区大多采用分散控制系统（DCS）进行操作控制及连锁。DCS 系统具有控制功能完善多样、易操作、易扩展及维护方便等特点，但是并不适用于安全控制。对于化工项目罐区要比一般油库操作更加频繁，误操作的概率就更大。这时采用一套安全性更高的、容错能力强、具有故障自诊断功能、顺序事件记录功能（SOE）的安全仪表系统（SIS）就十分必要了。

　　2011 年8 月5 日，国家安全生产监督管理总局发布第40 号令，要求“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，配备独立的安全仪表系统（SIS）”。

2 确定SIS 系统的设置原则

2.1 对储罐及介质分类

　　本项目共有储罐55 座，储罐规格从2 万立到200 立大小不等，其中球形储罐24 座，立式圆筒形储罐31 座。主要介质涉及甲醇、乙烯、丙烯、丙烷、丁烯、己烷、剩余碳四、剩余碳五MTBE、正丁醇、异丁醇、2- 丙基庚醇、杂醇油、碱液等20 余种。

2.2 对于重大危险源进行辨识

　　根据《危险化学品重大危险源辨识》（GB18218-2009），重大危险源的辨识依据是物质的危险性及其数量[3] 。单元内存在的危险物质为多品种时，则按（1）式计算，若满足式a，则定为重大危险源：

式中：

q1,q2,…,qn —每种危险化学品实际存在量，t；

Q1,Q2,…,Qn —与各危险化学品相对应的临界量，t。

罐区分析结果见表1。

表1 危险化学品重大危险源构成

2.3 确定各种介质的重大危险源分级

　　根据《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》（国家安全生产监督管理总局第40 号）的要求，对重大危险源进行分级 [2] 。

式中：

q1,q2,…,qn —每种危险化学品实际存在（在线）量（单位：吨）；

Q1,Q2,…,Qn —与各危险化学品相对应的临界量（单位：吨）；

β1，β2…,βn— 与各危险化学品相对应的校正系数；

α— 该危险化学品重大危险源厂区外暴露人员的校正

系数，本项目区外1000m 范围内无常住人口，故取0.5。

对本项目危险化学品重大危险源的分级情况见表2。

　　根据计算结果及下表确定罐区构成一级重大危险源，其中涉及的介质有甲醇、甲醇水等16 种介质。对于储存这些介质的储罐安全联锁设置独立的安全仪表系统（SIS）。

3 储罐仪表的设置

　　一般储罐仪表的设置应考虑经济合理、技术成熟、可选择范围广、维护及校验方便、免维护或售后服务优良等方面。结合介质特性项目的投资情况、全项目的自动化水平等综合考虑。

　　本项目首先通过进行危险与可操作性（HAZOP）分析结果，确定各罐组的SIL 等级，根据SIL 分级确定储罐仪表的设置。以1 台SIL1 级的乙烯储罐为例, 见图1。

图1 乙烯储罐PID图

　　该储罐共设置两台液位计：1 台为伺服液位计、1 台为雷达液位计、1 台外贴式超声波液位开关、1 台热电阻、1台压力变送器、1 台压力表。

　　2 台液位计中伺服液位计选用高精度计量及用来做储罐计量，雷达液位计为控制及用于与高液位开关做联锁，关闭罐根阀。

　　从PID 图中可以看出从PID 图中可以看出虽然增加了SIS 系统，但是接入其中的信号并不多，只有一点AI、一点DI、一点DO。其余信号仍然在DCS 系统中进行检测及报警。

　　设计的SIS 系统具体联锁控制如下：当储罐的液位计或液位开关任一液位高于设定值时，SIS 系统进行联锁，关闭储罐罐根切断阀，防止储罐罐液位继续升高，引发冒罐危险[1] 。

4 SIS 系统设计

4.1 SIS 系统的设置原则

　　罐区SIS 系统，作为全厂SIS 系统的组成部分，根据装置的特点，实现罐区内重要的安全联锁保护、紧急停车系统及关键设备联锁保护。SIS 系统设置在现场机柜室，设置独立的控制器，以确保人员及生产装置、重要机组和关键设备的安全。SIS 系统的安全综合等级根据相应的要求进行考虑。SIS 系统按照DIN V VDE0801 和DIN V 19250 标准，采用TüV 或AK6 安全认证的SIL3 级的安全可编程序控制器(Programmable Logic Controller - PLC) 完成装置的紧急停车(EmergencyShut-Down - ESD) 和紧急泄压(EmergencyDepression - EDP)。SIS 系统按照故障安全型设计，与DCS系统实时数据通讯。SIS 系统设工程师站，SOE 站，相应的报警及操作通过辅助操作台上开关、按钮、声光报警装置和DCS 系统的操作站来完成。罐区SIS 系统具有报警事件顺序记录功能(SOE)，在中央控制室和现场机柜室各设置一套工程师站，用于SIS 系统的组态、下装、调试和日常维护以及报警事件顺序的记录。中央逻辑控制器、输入/ 输出卡件、SIS 系统内部的安全网络、供电单元、与DCS 系统通信的单元均采用冗余结构。SIS 系统应配有HART 信息采集器，用于采集现场智能仪表HART 信息，并通讯至AMS 系统。SIS 与DCS 通信卡必须是冗余配置, 且冗余的两个通信接口不应在同一块通信卡上。冗余数据通信系统应能够自动切换，并可进行系统诊断报警。在切换时不允许有数据丢失。通信系统为控制站与控制站之间、控制器与工程师站/SOE 工作站提供可靠的高速数据传输。传输速率不小于100Mbps。SIS 系统支持标准通信协议，冗余容错串行通信方式。SIS 与DCS 通信协议为MODBUS RTU 或TCP/IP。DCS 系统为主站，SIS 系统为从站。所有部件都应抗每米10 毫伏场强的电磁及无线电干扰。SIS 系统具有时钟同步的性能， SIS 系统控制器的时钟在系统上电和更换时钟卡件后，能够自动进行同步。SIS 系统时钟同步信号来自于DCS 系统。

　　根据《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》进行仪表系统防雷工程设计。SIL3 回路的现场仪表侧及控制室（现场机柜室）侧配置防雷电浪涌保护器。

在工厂调试完成后，有20% 已经接好线的输入/ 输出(I/O) 点作为备用；在端子接线柜中，有20% 的裕量端子作为备用；在系统机柜中，有20% 的裕量空间用于安装I/O 卡件。

　　在工厂调试完成后，处理器、数据存贮器和数据通信网络的负载最高不超过40%；电源单元的负载最多达到其能力的50%；应用软件和通信系统有30% 的扩展能力。

4.2 SIS 系统网络结构

　　本项目采用冗余、容错结构的故障安全型SIS 系统，安全等级达到SIL3。

根据图2 罐区网络结构图，可见：罐区单元主要硬件设备为：1 台系统柜、3 台辅助柜（端子柜、继电器柜、安全栅柜）、2 台SOE 工程师站、2 台交换机、1 台打印机。

图2 SIS系统网络结构图

4.3 SIS 系统软件要求

1) 软件组态：编程语言应符合IEEC 61131-3 工业标准。

2) 软件组态的安全性：采用PROM 或EPROM 存储器存储应用软件，提供防止未被授权人员修改程序的功能。软件应能在线修改及下装。

3) 编程软件：工程师站用于修改控制程序，诊断显示，离线/ 在线程序调试和现场装置的维护。系统软件包括系统诊断，工程，监视和删除故障功能。

4) 系统应提供重要的时序事件记录（SOE）和过程历史报告。

5 结束语

　　由于石油化工重大危险源本身存在的巨大危害性及其可能造成二次危害的特性，对于石油化工重大危险源的安全控制工作至关重要。对于储存大量易燃易爆、可燃有毒介质的化工项目，构成重大危险源的储罐区采用安全仪表系统（SIS）进行安全监控及联锁控制系统的设计是符合时代发展趋势的。