安全儀表系統(tǒng)在石油煉化系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要:本文詳細(xì)分析了安全儀表系統(tǒng)在現(xiàn)代石油煉化系統(tǒng)中的必要性，對(duì)石油化工中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用原則，設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)描述。給出了它的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:石油化工 煉化 安全儀表 安全監(jiān)測(cè)

0 引言

過(guò)去的幾十年里，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使得過(guò)程工業(yè)的規(guī)模越來(lái)越大，帶來(lái)的整個(gè)系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施和操作過(guò)程中任何一個(gè)小的失誤，都有可能給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更為甚者，將會(huì)給周圍的環(huán)境帶來(lái)災(zāi)難性的后果。例如:1988年北海阿爾法油田爆炸事件;2006發(fā)生的吉化爆炸事件等等，至今還讓人們心有余悸。為了防止事故的發(fā)生，減少由此帶來(lái)的損失，保證企業(yè)的高度穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，一

套能夠檢測(cè)裝置的異常動(dòng)作，并對(duì)可能發(fā)生的潛在危害作出相應(yīng)動(dòng)作的系統(tǒng)是必不可少的。安全儀表系統(tǒng)(SIS)正是基于該目的被提出來(lái)的。

1 石油煉化概念與SIS的必要性分析

石油煉化一般包括如下的一些工業(yè)步驟:常壓蒸餾和減壓蒸餾;原油的脫鹽、脫水;催化裂化;催化重整;加氫裂化;延遲焦化;煉廠氣加工。

原油一次加工和二次加工的各生產(chǎn)裝置都有氣體產(chǎn)出，總稱為煉廠氣，就組成而言，主要有氫、甲烷、由2個(gè)碳原子組成的乙烷和乙烯、由3個(gè)碳原子組成的丙烷和丙烯、由4個(gè)碳原子組成的丁烷和丁烯等。它們的主要用途是作為生產(chǎn)汽油的原料和石油化工原料以及生產(chǎn)氫氣和氨。發(fā)展煉油廠氣加工的前提是要對(duì)煉廠氣先分離后利用。煉廠氣經(jīng)分離作化工原料的比重增加，如分出較純的乙烯可作乙苯; 分出較純的丙烯可作聚丙烯等。

石油化工工業(yè)是典型的流程工業(yè)，由于多數(shù)物料易燃易爆，操作條件為高溫高壓，易發(fā)生安全事故。隨著石油化工裝置規(guī)模的日趨大型化，設(shè)計(jì)操作指標(biāo)離安全臨界點(diǎn)越來(lái)越近，造成發(fā)生危險(xiǎn)的可能性也在增加，人們對(duì)安全系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)也在提高，這就對(duì)安全系統(tǒng)提出了新的要求。由于過(guò)程的復(fù)雜性、原料的變化、最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求、裝置規(guī)模以及設(shè)備、人身、環(huán)境的保護(hù)等因素，適當(dāng)?shù)倪^(guò)程控制以及安全系統(tǒng)的設(shè)置尤其顯得十分必要。一套合理的SIS系統(tǒng)能夠有效降低整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，能夠提高系統(tǒng)裝置的可用性，在石化等行業(yè)， SIS系統(tǒng)已經(jīng)成為保障企業(yè)安全可靠運(yùn)行的必備方法之一。

2 基于SIL的應(yīng)用原則

典型的煉化裝置為安全所設(shè)置的層層保護(hù)包括:工藝過(guò)程設(shè)計(jì);基本調(diào)節(jié)，過(guò)程報(bào)警及操作員監(jiān)視;緊急報(bào)警，操作員監(jiān)視并且手動(dòng)干預(yù);安全儀表系統(tǒng)SIS;物理保護(hù)(爆破膜，安全閥);工廠緊急響應(yīng);所在社區(qū)緊急響應(yīng)等。由此可見(jiàn)，從第2層到第4層的保護(hù)都是由儀表及其控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。尤其儀表系統(tǒng)的最后一層保護(hù)——SIS 更是至關(guān)重要。目前許多裝置的設(shè)計(jì)中增加了工廠危害和可操作性研究HAZOP和儀表保護(hù)功能研究IPF Study，其中包括儀表安全度等級(jí)SIL確定。這使得儀表安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)與完善，有助于避免在設(shè)計(jì)中發(fā)生安全性能達(dá)不到要求或采取過(guò)多安全保護(hù)的現(xiàn)象。SIL是用來(lái)描述安全儀表系統(tǒng)安全綜合評(píng)價(jià)的等級(jí)，指在規(guī)定的條件及時(shí)間內(nèi)，安全系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率。SIL越高，安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能失敗的可能性就越低。

SIL的劃分與HAZOP(危險(xiǎn)與可操作性分析) 的研究結(jié)果有著密切的聯(lián)系，HAZOP的研究結(jié)果為SIS 的設(shè)置提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。SIL評(píng)級(jí)前應(yīng)先進(jìn)行HAZOP研究，它是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的一種可用于定性分析或定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)化的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，用于解決危險(xiǎn)識(shí)別與安全操作兩方面的問(wèn)題，探明生產(chǎn)裝置和工藝過(guò)程中的危險(xiǎn)及其原因，尋求必要對(duì)策。通過(guò)從工藝流程、狀態(tài)及參數(shù)、操作順序、安全措施等方面著手，分析生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動(dòng)，操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動(dòng)與偏差對(duì)系統(tǒng)的影響及可能導(dǎo)致的后果，找出出現(xiàn)變動(dòng)和偏差的原因，明確裝置或系統(tǒng)內(nèi)及生產(chǎn)過(guò)程中存在的主要危險(xiǎn)、危害因素，找出裝置在工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行、操作以及安全措施等方面存在的不足，并針對(duì)變動(dòng)與偏差的后果提出應(yīng)采取的措施，為裝置的安全運(yùn)行與安全隱患整改提供指導(dǎo)。HAZOP研究對(duì)裝置所有的報(bào)警和聯(lián)鎖都進(jìn)行相應(yīng)的SIL評(píng)級(jí)。經(jīng)過(guò)SIL評(píng)級(jí)后，可以確定哪些報(bào)警需要提高等級(jí)到安全聯(lián)鎖，哪些安全聯(lián)鎖有可能降低等級(jí)到報(bào)警，哪些報(bào)警有可能被取消。

SIL的確定是比較復(fù)雜的，需要由一支多方面的、專業(yè)的、熟練的技術(shù)隊(duì)伍對(duì)裝置的各種危險(xiǎn)性及關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行分析計(jì)算，最后才能確定系統(tǒng)應(yīng)采用的SIL。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)與執(zhí)行元件設(shè)計(jì) 安全儀表系統(tǒng)檢測(cè)、執(zhí)行元件作為整個(gè)安全儀表系統(tǒng)的主要組成部分。①為減少檢測(cè)元件自身的故障率，安全儀表系統(tǒng)的檢測(cè)元件應(yīng)選用高性能高質(zhì)量的產(chǎn)品，特別是智能產(chǎn)品、安全水平認(rèn)證產(chǎn)品。近來(lái)世界著名的自動(dòng)化公司都推出了具有安全水平認(rèn)證的變送器產(chǎn)品， 相關(guān)產(chǎn)品達(dá)到了IEC61508 SIL1～4 安全等級(jí)并獲得TUV 認(rèn)證。使得部分檢測(cè)元件產(chǎn)品的安全等級(jí)(可靠性) 有了明確的認(rèn)定。②在執(zhí)行元件的設(shè)置上，SIL2 以上等級(jí)的安全儀表系統(tǒng)宜采用獨(dú)立或冗余配置的執(zhí)行元件。在獨(dú)立單臺(tái)執(zhí)行元件和冗余元件兩種方法都有效時(shí)，采用高可靠度執(zhí)行元件通常比執(zhí)行元件冗余更好，執(zhí)行元件應(yīng)優(yōu)先選用符合IEC61508 安全度等級(jí)并取得相關(guān)認(rèn)證的產(chǎn)品(如電磁閥、智能閥門定位器等) 。執(zhí)行元件采用冗余配置一般有下列兩種方式:采用冗余的閥門，每套閥門配套冗余的電磁閥。對(duì)于切斷回路執(zhí)行設(shè)備應(yīng)為串聯(lián)安裝的2臺(tái)切斷閥;對(duì)于放空回路執(zhí)行設(shè)備應(yīng)為并聯(lián)安裝的2臺(tái)放空閥。執(zhí)行元件的冗余設(shè)置提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性。

3.2 系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)與PLC邏輯設(shè)計(jì) 安全儀表系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算是系統(tǒng)的“靈魂和精髓”，一套好的安全儀表系統(tǒng)除了可靠合理的硬件配置外，邏輯設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

合理使用冗余檢測(cè)元件的運(yùn)算邏輯，如檢測(cè)元件三重冗余配置的“3取2”、檢測(cè)元件二重冗余配置的“2取1”或“2取2”等邏輯形式，以滿足所要求的可靠性和可用性。應(yīng)采用觸發(fā)器邏輯電路完成安全保護(hù)動(dòng)作的觸發(fā)、復(fù)位等，減少或避免使用自鎖邏輯電路實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)動(dòng)作。

4 系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

安全儀表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷了從氣動(dòng)系統(tǒng)，繼電器系統(tǒng)，固態(tài)繼電器系統(tǒng)到PLC系統(tǒng)幾個(gè)發(fā)展階段。從新推出的安全系統(tǒng)可以看出，安全儀表系統(tǒng)將力求具備更高的過(guò)程可用性及更低的維護(hù)成本，作為一個(gè)系統(tǒng)，本身也存在出現(xiàn)故障的可能性，但是未來(lái)的安全儀表系統(tǒng)將借助自身的故障診斷系統(tǒng)在線監(jiān)視設(shè)備及過(guò)程狀態(tài)，并同時(shí)能夠向操作人員發(fā)出包括可能或適當(dāng)應(yīng)對(duì)措施在內(nèi)的警報(bào)，從而提高系統(tǒng)的可用率。

5 總結(jié)

安全儀表系統(tǒng)作為現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)降低風(fēng)險(xiǎn)和保障安全的有效方法正得到越來(lái)越多的重視。在石油煉化生產(chǎn)中，尤其是伴隨著新型安全系表系統(tǒng)的應(yīng)用，這些系統(tǒng)將為工業(yè)的安全生產(chǎn)提供更為安全的保障。

參考文獻(xiàn):

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