石油化工安全儀表系統的設計及實施探討

劉齊忠,林 融

(1.福建聯合石油化工有限公司一體化項目部,福建 泉州 362800; 2.中國石化工程建設公司,北京 100101)

0 引 言

隨著石油化工生產持續向著大型化、一體化和智能化的方向發展,生產規模越來越大、工藝越來越復雜,生產事故所帶來的危害性和災難性也越來越大;同時,由于自動化儀表檢測和控制設備技術水平的日益提高,可以應用于安全控制的手段也越來越多。自20世紀70年代應用繼電器搭建的安全聯鎖系統,至80年代,90年代的可編程控制器/緊急停車系統PLC/ESD,到20世紀末和21世紀初為實現安全生產和企業效益的持續提高,具有高度自動化和安全性的SIS應運而生,并在世界范圍內得到了廣泛的應用。從21世紀初以來,盡管SIS在國內的石化行業已得到了較廣泛的應用,但由于涉及SIS的基本概念、定義、設計、制造、檢驗及維護等方面的標準均來源于國際標準 IEC 61508及IEC 61511等,國內的設計單位和最終用戶對其并不十分熟悉,在定義、設計、檢驗、應用及維護等環節還存在諸多問題。該文從基本概念入手,探討了SIS的發展歷程、發展趨勢、基本功能、安全生命周期的概念,風險分析及安全完整性等級SIL分級評估、詳細設計和工程實施等內容,旨在為SIS的優化設計和成功實施提出建設性的意見,為提高SIS的設計及應用水平提供有益的幫助。

1 SIS簡介

SIS的概念按照IEC 61511中的定義:由傳感器、邏輯控制器和執行機構組成的、能夠行使一項或多項安全儀表功能的儀表系統。

1.1 發展過程各階段安全儀表設備的特點

20世紀70年代中期以前,相關安全系統的控制設備通常由電磁繼電器組成,部分也采用了固態集成電路構成,安全性高但維護相當繁瑣,且對使用的檢測和控制設備沒有嚴格要求。20世紀80年代開始采用PLC,安全性高且易于維護,但沒有與過程控制系統嚴格分開,對使用的檢測和控制設備沒有嚴格要求。

1996年,美國國家標準化組織(ANSI)和美國儀表學會(ISA)的標準《工業生產過程中安全儀表系統的應用》發布后,SIS的概念正式啟用,相關規范性文件也相繼推出,特別是在1998年12月,標準IEC 61508的發布及2003年標準IEC 61511的發布,為SIS的工業化應用確定了國際標準。SIS在隨后的時間里逐步得到了大量的應用:對相關回路的檢測儀表、邏輯控制器和執行器提出了非常明確的SIL要求或冗余配置要求,使系統在安全性、可用性和可靠性程度上均達到了一個新高度,但相應的投資也有了顯著的增加。

1.2 SIS與基本過程控制系統的區別

基本過程控制系統(BPCS)與SIS是流程工業中廣泛應用的兩種類型的系統,在功能上有著明確的分工,其區別見表1所列。

表1 BPCS與SIS的區別

1.3 SIS的安全生命周期

SIS功能安全水平的高低完全取決于其安全生命周期SLC(Safety Life Cycle)中各階段實施質量的好壞。IEC 61508和 IEC 61511中規定的SLC是在安全儀表功能 SIF(Safety Instrument Function)實施中,從項目的概念設計階段到所有安全儀表功能停止使用之間的整個時間段。如圖1所示,主要包括:概念、設計、實施、運行、測試、維修及停用等各階段的活動,以達到必需的安全完整性水平并實現高水平的功能安全的一切活動。并根據工程的規模、被控過程對象的危險和風險大小、工藝的成熟和復雜程度等因素,實施SLC內必要的功能安全管理活動,以確保SIS的設計、安裝、調試及運行,滿足功能安全要求和高水平的功能安全。

圖1 SIS安全生命周期主要活動

SLC的主要內容如下:

a)定義和確定SLC活動的各階段及要求。

b)編制各階段計劃、技術標準和程序,確保SIS滿足安全功能要求,并滿足如下要求:

1)保證過程的相關模式達到SIF和SIL兩方面的要求。

2)保證SIS正確安裝和調試運行。

3)保證安裝后符合SIL的要求。

4)在操作過程中保持SIL。

5)在維護期間管理控制過程危險。

c)確定各階段采用的技術。

d)開展各階段的活動。

1.4 保護層的概念

隨著現代石化工業的規模化和復雜化發展,化學反應機理和生產控制難度越來越大、速度越來越快,事故的發生均是在瞬間完成的,為防止事故的發生須盡可能多地建立保護層,以便層層擋住事故誘因。

圖2為系統保護層模型“洋蔥圖”。從圖2中可以看出,外部設立了多重保護層,如安全閥、控制系統的操作員、SIS等,在發現事故前期均會采取一定的保護措施使過程處于相對安全狀態。保護層一般分兩大類:事故阻止層和后果減弱層,前者組織潛在危險發生、后者盡可能減少已發生事故帶來的危害。在基本控制、報警、人工干預和自運保護等保護層中,只要一個成功實施就可有效阻止事故發生或減弱事故帶來的危害。

圖2 保護層的“洋蔥頭”模型

2 過程風險分析及SI L分級

在石油化工項目的SIS設計前,需要明確知道相關控制對象(工藝裝置)的功能安全需求,這就有必要對過程對象進行風險分析和SIL分級:前者是系統生命周期中的一個重要環節,后者則是系統設計的依據。

2.1 風險分析

IEC 61508中對風險的定義:出現傷害的概率和傷害嚴重性的組合。安全的定義:消除了不可接受的風險。也就是說,風險分析的內容只針對工藝對象中可能出現不可接受風險的節點和參數,目的是將風險降低到可以接受的水平,而不是完全消除風險。

2.1.1 風險分析方法

國內外目前已提出的風險分析方法多達幾十種,最常用的方法包括:如果怎么樣法(What If)、預危 險 分 析 法 PHA(Preliminary Hazard Analysis)、安全檢查表法(Check List)、危險和可操作性研究法 HAZOP(Hazard and Operability Study)、故障模式和影響分析法FMEA及故障樹法FTA等。各種方法均具有其不同的特點且適用于不同的對象和需求。其中,HAZOP以其分析全面、系統、細致等突出優勢為目前風險分析領域最常使用的方法之一。進入21世紀以來,中國已成功實施的幾個國際化石油化工大型合資項目均成功采用該方法。

HAZOP方法不僅適用于基礎設計階段和詳細設計階段,也適用于裝置生產階段。無論是什么階段,其中心任務均是發現相關對象中存在的風險,并根據風險可能帶來的后果明確系統中的主要危害。值得注意的是,HAZOP分析法只是風險識別技術,為 SIL分級提供依據,不能直接解決問題。

2.1.2 HAZOP分析步驟

a)首先,在確定分析目的、對象和范圍后,成立一個由經驗豐富的工藝工程師(操作人員)、安全工程師、設備工程師、儀表和電氣工程師組成的 HAZOP分析小組,并由安全工程師主持工作。

b)準備相關對象的設計資料并做好分析準備。

c)由工藝工程師對風險分析對象的工藝原理進行詳細地講解和解釋,以便合理地選取分析節點。對于連續的流程工業,其分析節點為工藝單元,如容器、塔、反應器、管線或機泵等。

d)對特定的分析節點以正常運行(設計值)的工藝參數為標準值,分析運行過程中工藝參數的變動即偏差。常用的 HAZOP分析工藝參數為流量、溫度、時間、壓力和液位等。

e)確定分析節點的偏差后,再分別對每個偏差進行分析,以找出偏差產生的原因、可能導致的后果、須采取的保護措施和建議采取的措施等。

f)HAZOP分析報告編寫、審查和批準,完成整個分析過程。

g)根據HAZOP報告對相關安全回路或參數進行安全完整性評估,確定SIL等級。

h)修改、完善相應設計圖紙(如 P&ID,聯鎖邏輯圖等),改進或增補修改安全儀表設置。

2.1.3 分析實例

某大型合資項目火炬系統的HAZOP分析報告,見表2所列。

表2 HAZOP分析報告實例樣本

2.2 SI L分級

在完成風險分析后,則可根據風險事故的后果和發生的概率來進行SIL分析和分級,以便把風險降低到可以容忍的范圍之內。SIL的分級為保證 SIS執行其安全功能提供了系統科學的方法。

2.2.1 SIL的概念

IEC 61508對SIL的定義:在一定時間、條件下,安全相關系統執行其安全功能的可能性。SIL由硬件等級和系統等級兩部分組成,SIS及其安全控制回路所有的組成部分必須滿足風險分析后選取的SIL,它不僅是SIS安全性能的衡量標準,也是整體SLC中的主線。根據安全儀表功能回路的安全和可靠性高低的不同,SIL共分1,2,3,4等四個等級,級別越高實現安全功能的概率就越高。對于某一等級要達到的危險失效概率范圍有兩種:低要求操作模式和高要求操作模式,但石油化工通常只使用低要求操作模式。具體數據見表3所列。

表3 低要求操作模式的SIL

2.2.2 SIL的分級方法

SIL的分級方法主要有兩類:定性和定量。常用的定性方法有風險矩陣法、校正風險圖和經驗法等,目的是通過大致的風險后果和可能性分類來描述風險,但不能明確給出SIL,只能應用經驗確定,其優點是簡單,缺點是一致性差;常用的定量方法有安全保護層法LOPA,需首先以可容忍分析等級為目標,該目標往往用風險發生的頻率表示,然后利用概率計算法分析即可,其優點是能得到準確的SIL,一致性好,缺點是復雜且難于得到可靠的數據。

SIL分級的對象不是以裝置為單位,而是針對裝置內的每個工藝控制回路,主要步驟如圖3所示:在HAZOP分析的基礎上,提出需要設置報警和聯鎖的所有回路,先假定其沒有SIF,分析危險發生的概率及其危害程度,得出需要由SIF提供多大的風險降低水平才能使系統處于可接受的狀態,從而選擇相應的SIL值。

圖3 安全儀表功能SIL的分級

2.2.3 SIL分級實例

表4為風險矩陣SIL分析法,表5為某大型合資項目新建PE裝置的SIL分級報告。

表4 風險矩陣SIL分析法

表5 PE裝置SIL分級報告

在該實例中,用戶安全、工藝和設備工程師等采用了典型的風險矩陣分析法來確定SIL等級。在分析過程中,首先確定風險的后果和可能性分類標準,如:后果風險“較輕”、“嚴重”和“重大”,可能性則可分為“低”、“中”、“高”。兩者構成的矩陣中后果和可能性分別構成矩陣的行和列,每個矩陣的元素代表一個SIL結果。

3 SIS的設計及實施

在HAZOP分析和SIL分級完成后,即可進入SIS的選型、現場儀表配置、詳細邏輯設計,完成相關選型和設計工作后即可進入SIS的實施階段:控制系統軟硬件配置及系統集成、軟件組態、第三方系統通信測試、工廠驗收(FAT)、現場安裝調試和現場驗收(SA T)、最后投入生產運行。

3.1 SIS設計

在設計一套SIS時,應使其具有如下正確的安全功能:

a)監視生產過程的狀態,判斷生產過程是否存在某種潛在危險因素。

b)當危險出現時,自動執行規定的SIF,防止危險事件發生。

c)降低危險事件造成的影響,即減少損失、減輕后果和降低風險。

3.1.1 SIS選型

在選取經過實際檢驗且在本地技術和售后服務實力雄厚的公司產品外,還應遵循以下原則:

a)所選系統應取得 IEC 61508 SIL或 TUV A K認證,最高為 SIL3級或 TUV A K5-6(SIL4級一般用于核工業),具體級別選取應符合其控制對象SIS功能的最高級別要求。

b)應具有硬件和軟件自診斷和測試功能,具有順序事件(SOE)記錄和報警功能。

c)應獨立于BPCS,獨立完成安全保護功能,并能通過數據通信接口與BPCS通信,目前常用的通信協議為Modbus-RTU,采用冗余的RS-485接口。

d)控制器應采用雙重化、三重化(TMR)或四重化(QMR)冗余容錯結構。

3.1.2 現場檢測和控制設備配置

現場檢測和控制設備(傳感器、最終執行元件)是SIS安全功能回路的重要組成部分,其配置應嚴格按下列要求執行:

a)一般情況下,用于SIS與BPCS的傳感器(含取壓點)、最終執行元件應單獨設置。“三取二”配置的3臺SIS傳感器的信號經3臺信號分配器送至BPCS內做“三取中”表決,但其回路須由SIS供電;在控制閥外還有獨立的SIS切斷閥時,可以在控制閥上使用具有SIL認證的故障安全定位器,由SIS控制跳車動作(或安裝電磁閥由 SIS獨立控制氣路)。

b)傳感器的冗余配置原則:SIL1級SIS可采用單一的傳感器;SIL2級SIS宜采用冗余的傳感器;SIL3級SIS應采用冗余的傳感器;冗余輸入的SIS邏輯應當包括信號偏差報警。

c)閥門的冗余配置原則:SIL1級SIS可采用單一的閥門;SIL2級SIS宜采用冗余的閥門,如經SIL計算允許,可采用單一的閥門,配套的電磁閥宜冗余配置;SIL3級SIS應使用冗余閥門,如果經SIL計算允許,可采用冗余的電磁閥。

d)電磁閥的冗余設置原則:控制閥上的電磁閥應安裝在閥門定位器與執行機構之間;可以視情況不同使用兩只電磁閥構成“二取一”配置或使用兩只電磁線圈構成“二取二”配置,失電時使閥門跳車,“二取二”配置應當保證能夠進行在線測試;從SIS輸出使電磁閥失電,排出執行機構中的空氣/液體使閥門動作,電磁閥的電源應當由SIS提供。

e)SIS傳感器應采用變送器,盡量不用開關型儀表,以保證檢測信號統一和一致的精度等級便于實時監視;電動閥不宜用于SIS保護功能。

3.1.3 SIS聯鎖邏輯設計

邏輯設計階段的主要工作是以SIS控制器選型、現場儀表設備配置結果為依據進行相關對象的邏輯回路、SIF的設計。此階段應遵循的主要原則:

a)邏輯表決配置(如:“一取一、二取一、二取二、三取二”等)要滿足SIS的可用性要求。

b)應設計輔助操作臺面板,以配置必要的旁路開關:開車旁路(強制旁路)和維護旁路、復位按鈕等設施直接操作最終執行元件。

c)應設計必需的維護旁路,用于正常生產時的現場儀表維修和測試,采用在DCS操作站上實施操作的軟開關模式。

d)SIS的監視畫面、所有操作信號均應在BPCS的人機界面上顯示或報警。

3.2 SIS實施

在詳細設計初期,完成現場儀表設備配置后即可進行SIS詢價、技術澄清,著手SIS軟硬件采購,隨后進行系統軟硬件安裝、調試,完成系統組態準備;在按計劃提供邏輯設計文件后,供貨商即開始SIS的軟件組態(此時還應積極配合系統集成商對SIS通信集成的調試工作);完成組態后即可視情況開始系統的工廠驗收測試FAT,FAT完成并全面完成相關問題整改后即可裝箱運至現場;現場安裝、上電調試后即開始現場儀表測試、聯調和邏輯功能調試,所有測試均無問題后進入SAT,最終交付業主投入開工試運行。

4 SIS未來發展趨勢

隨著計算機控制及網絡技術和工藝技術的發展,SIS將要或已經朝以下幾個方面發展:

a)SIS與BPCS的集成。以保障安全為目的,在石油化工生產過程自動化控制方面加入和強化安全方面的模塊,對生產過程中的數據,進行實時的安全監控、預警和分析,以便及時發現和處理問題。但是,將SIS與BPCS集成在一個共用的網絡平臺時,要嚴格劃分安全域和非安全域,并在網絡及系統設計上滿足網絡安全要求。

b)機組保護系統與SIS的集成。將SIS與機組監視、診斷和保護系統有機地集成,使壓縮機機組以最佳控制方案,并且在非滿負荷工況下,效率高,操作范圍寬,運行安全,具有足夠的靈活性和可靠的防喘振控制及機組保護功能。

c)數據信息高度集成。信息管理方面,強化實時數據的分類采集,把生產控制信息與管理信息進行有效地整合,建立信息化一體架構,解決企業的“信息化孤島”問題。還應建立安全專項網絡數據庫,利用網絡平臺把監控攝像頭安裝到需要監控的各個地方,對攝像畫面進行智能化圖像處理,發現不安全的跡象及時報警和處理。

5 結束語

SIS作為石油化工生產過程中為工藝生產裝置或單元提供安全保障的安全系統之一,已成為工業生產安全保護鏈中非常重要的環節。一方面隨著IEC 61508和IEC 61511等設計標準的推廣和應用,其設計和實施越來越向著標準化和功能獨立性方向發展;另一方面,隨著計算機控制技術、網絡通信技術的發展,其功能也越來越強大、其數據信息集成度也越來越高。所以,要想成功地設計和實施一套SIS,在SIS的SLC內,必須在充分理解和應用相關設計標準規范的基礎上,在安全、工藝、設備和儀表等專業密切協作的同時,設計單位、采購單位、施工單位、供貨商和業主必須精誠合作與共同努力才能獲得成功實施。

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