石油化工工藝包安全儀表系統設計探討

翟仲曦，李俊杰

(中國石化 上海石油化工研究院，上海 201208)

石油化工工藝包安全儀表系統設計探討

翟仲曦，李俊杰

(中國石化 上海石油化工研究院，上海 201208)

以GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》為依據，簡述了工藝包編制階段有關工藝包安全儀表系統(SIS)的設計特點及安全性需求，從SIS輸入、輸出、邏輯三方面提出了SIS回路設計中的重點及注意事項。結合工程項目實例，針對具體工藝操作要求及安全聯鎖工況，介紹了石油化工裝置工藝包編制階段安全聯鎖回路的設計方案，合理地保證SIS的可靠性及可用性。

安全儀表系統 聯鎖回路 邏輯 控制策略

安全儀表系統(SIS)由測量儀表、邏輯控制器、最終元件及相關軟件組成[1]。通常，將安全儀表歸入安全系統的范疇，SIS對保障石油化工流程安全、平穩生產起到至關重要的作用[2]。筆者從石油化工裝置工藝包開發的角度入手，討論了SIS的設計原則及相關設計重點。

1 工藝包SIS設計特點

石油化工裝置SIS設計主要依據GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》和GB/T 21109—2007《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》，在工藝包編制階段的設計除遵循SIS規范要求的基本設計原則外，主要有如下幾個特點：

1) 反應過程安全控制策略的制訂。從反應特性及催化劑機理出發，確定反應過程的安全邊界條件，并針對可能出現的反應失控工況提出有效的檢測方法及應對策略。

2) 工藝過程的危險分析。明確工藝過程中主要介質的關鍵物性，如燃爆特性、分解特性等；同時針對不同工況確定工藝過程參數的設定值和聯鎖值，并估算重要聯鎖過程的時間裕度，為后續危險與可操作分析提供基礎。

3) 安全完整性等級(SIL)的預估。在工藝包設計初期，基于項目的工藝技術特點和已有的生產運行經驗，初步評估項目安全回路的SIL等級，并以此為依據在基礎設計階段通過HAZOP分析和LOPA確立安全回路的SIL等級。原則上，石油化工裝置的SIL等級不應高于SIL3，對于包含易燃、易爆、有毒等物質或易超溫、易超壓等危險工況時，按照SIL2及以上等級設計。

2 工藝包SIS安全性需求

由于工藝包編制處于石油化工裝置總體設計的源頭，該階段的SIS設計應提出工藝包安全性需求，為安全生命周期的后續活動提供依據，其內容主要包括：

1) 總則。確定項目采用標準、分析方法、管理團隊說明、執行策略、安全回路的意義和確立原則；具體提出故障率要求、獨立性要求和共因失效分析要求。

2) SIS輸入端安全性要求。包括觸發SIS動作的所有原因；SIS輸入端的操作值、報警值及聯鎖值的設定；SIS輸入端檢測方式設計、測量精度及響應時間；SIS手動聯鎖停車使用條件等。

3) SIS邏輯關系安全性要求。SIS輸入與輸出之間的邏輯關系描述；SIS啟動后的復位條件；SIS邏輯旁路的使用要求。

4) SIS輸出端安全性要求。SIS輸出動作及最終狀態描述；SIS輸出端從聯鎖狀態到安全狀態整體響應時間；SIS輸出端控制方式設計要求，包括得/失電聯鎖、電磁閥配置及旁路設置原則等。

3 工藝包SIS設計

工藝包編制階段的SIS設計主要從工藝安全角度出發，分析過程危險程度，確定主要安全控制策略、措施及相應說明，配置安全儀表回路，設計內容主要包括SIS輸入設計、SIS輸出設計及SIS邏輯設計。

3.1 SIS輸入設計

SIS輸入主要指SIS回路中的測量儀表，包括模擬量和開關量的測量儀表。

1) SIS輸入端的性能和設置應滿足SIS的SIL等級要求，但測量儀表的SIL等級并不完全對應SIS的SIL等級。例如由3臺SIL2變送器組成的“3取2”SIS輸入設計也可以滿足SIL3的設計要求。

2) 儀表選型應優先選用隔爆型測量儀表，以減少中間環節，降低SIS誤停車的概率；優先選用4～20 mA疊加HART傳輸信號的模擬量測量儀表。

3) 針對一些特殊工況下的SIS輸入設計，應結合工藝、設備等專業的設計要求，保證SIS安全保護的時效性。例如，在列管式反應器中，參與SIS輸入的多點熱電偶溫度元件對所在列管的催化劑裝填量有較大影響，進而降低了SIS回路的響應速度及準確性。該回路的設計需儀表專業與工藝及設備專業協同完成，計算并調整熱電偶所在反應器列管的直徑，以提升SIS輸入的準確性。

4) 對于無法在線維修的SIS測量儀表，在設計時需考慮冗余配置，避免因儀表損壞導致的SIS保護失效。例如設置在反應器催化劑中用于SIS檢測的多點熱電偶，維修時需要停車卸劑才能完成，在設計階段可適當增加溫度檢測點，提升SIS輸入的可靠性及可用性。

3.2 SIS輸出設計

SIS輸出主要指SIS回路中的最終元件，包括調節閥、切斷閥及其電磁閥、閥位開關等附件。

1) SIS控制閥優先采用帶電磁閥和閥位開關的氣動閥門，增強SIS輸出的安全性和可靠性，確保SIS動作的響應時間。電磁閥優先選擇耐高溫絕緣線圈、隔爆型，正常帶電勵磁、失電非勵磁的故障安全型，保證斷氣、斷電等故障工況時，工藝過程仍處于安全狀態。

2) SIS控制閥有較高密閉性要求時，應選擇IEC 60534中規定的Ⅴ和Ⅵ級密封要求的閥門，并根據介質溫度、壓力等工況選擇合適的閥門類型及閥座密封形式。

3) SIS輸出冗余初始設計原則： SIL1的SIS輸出可與基本控制過程共用單一控制閥；SIL2及以上等級冗余設計則設置雙控制閥，包括2臺切斷閥或1臺調節閥和1臺切斷閥兩種情況。在不宜設置冗余控制閥的工況下，可采用冗余電磁閥的設計方案，包括串聯和并聯兩種。雙電磁閥串聯設計方案具有高可靠性的特點，如圖1所示： 電磁閥a和b同時勵磁帶電，a和b氣路均1-2連通，控制閥A為正常操作狀態；a和b 2個電磁閥任意1個失電非勵磁，使其氣路2-3連通，控制閥A執行機構失壓，轉為聯鎖狀態。雙電磁閥并聯設計方案具有高可用性的特點，如圖2所示： 只有當電磁閥a和b均為失電非勵磁時，氣路2-3同時連通，控制閥A執行機構才失壓，轉為聯鎖狀態。只要電磁閥a和b任意1個帶電勵磁，均可保證執行機構氣路帶壓，控制閥A為正常操作狀態。

圖1 冗余電磁閥串聯配置示意

圖2 冗余電磁閥并聯配置示意

3.3 SIS邏輯設計

SIS邏輯設計的主要內容： 配置由各種邏輯單元構成的布爾運算結構，實現SIS因果表輸入/輸出的對應關系。其中，邏輯單元包括與(AND)、或(OR)、非(NOT)、取反(NOT)、異或(XOR)等基本邏輯單元，和延時開/關、低/高選器、“MooN”表決器、R-S觸發器等典型邏輯單元。

1) SIS邏輯設計應與工藝過程緊密結合，除滿足正常工況下因果關系表的動作要求外，還應確保其他工況下系統的正常運行，如在開車工況下應設置輸入信號的低限聯鎖旁路，以保證開車流程的正常運轉。

2) SIS的邏輯設計均采用負邏輯設計，即正常狀態下邏輯輸入/輸出的DI/DO信號狀態為“1”，非正常狀態下信號狀態為“0”。SIS邏輯圖中的所有邏輯單元也應采用負邏輯設計，方便后續的設計與校驗工作。

3) 每個SIS動作都應設置自鎖開關，以確保聯鎖停車工況下相應工藝參數滿足開車條件后，才允許開啟人工恢復按鈕。

4) SIS邏輯回路設計完成后，需認真、反復測試，避免出現死循環等邏輯錯誤，并在項目組態完成后對SIS的輸入/輸出及邏輯控制功能進行測試。

4 SIS設計在石化項目中的應用

某廠甲醇制丙烯項目MTP固定床反應器超溫聯鎖流程如圖3所示。該反應過程為強放熱反應，催化床層的熱點溫度過高易導致反應溫度失控，不利于催化劑的穩定及裝置運行的安全。反應器有操作和再生兩個工況： 操作工況下，當反應器內溫度檢測達到聯鎖限值時，則觸發超溫聯鎖動作，關閉調節閥FV101和FV103，切斷閥UV101，打開調節閥FV102，關閉進料電加熱器E-101；再生工況下，該反應器處于聯鎖停車狀態，需單獨復位調節閥FV103和進料電加熱器E-101待用，并需滿足工藝氣與再生氣完全隔離。

圖3 反應器超溫聯鎖簡示意

基于反應器催化床層易局部飛溫的工藝特點，該SIS回路輸入端配置9個獨立的熱電偶TT101A～TT101I，采用“9取2”表決設計，分布方式為軸向3層、每層120度均勻分布。輸出端工藝氣進料管線采用雙閥切斷配置，調節閥FV101和切斷閥UV101均為Ⅵ級密封，可在SIS觸發后嚴格切斷工藝進料，同時也能保證再生工況下工藝氣與再生氣完全隔離，保障了裝置生產安全。其他管路上的閥門采用單控制閥帶雙電磁閥串聯配置，以平衡裝置設計中安全性與經濟性的要求。該回路的SIS邏輯關系如圖4所示： 邏輯設計采用負邏輯，即聯鎖工況為“0”，正常工況為“1”；邏輯設計中加入R-S觸發器模塊實現邏輯自鎖功能，其中R-S觸發器為置位端S為優先端，連接SIS的邏輯輸入，實現聯鎖狀態優先輸出，且SIS輸入沒有恢復正常前，裝置無法手動復位；設置操作/再生模式選擇開關，以滿足不同工況下的操作需求；設置SIS輸入旁路開關，可暫時旁路發生故障的SIS輸入端，方便其在線檢修、校驗；設置手動聯鎖開關，可實現裝置在非正常工況下的人工緊急停車。

圖4中工藝流程已經過實際生產運行檢驗，該SIS回路能準確檢測聯鎖工況，快速啟動并完成聯鎖動作，同時能夠滿足再生工況下的操作需求。

圖4 反應器超溫SIS回路邏輯關系示意

5 結束語

工藝包SIS設計處于石油化工裝置方案設計階段，是SIS安全生命周期的源頭，對于整個SIS設計具有基礎性、導向性的作用。因此，該階段SIS設計必須在充分了解工藝特點、嚴格遵循相關設計標準、合理配置SIS回路下進行，以確保工藝流程安全、平穩地運行。

[1] 黃步余，葉向東，范宗海，等.GB/T 50770—2013石油化工安全儀表系統設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[2] 黃步余，范宗海，馬蕾.《石油化工安全儀表系統設計規范》解讀[J].石油化工自動化，2013，49(06)： 1-9.

[3] 張建國.安全儀表系統在過程工業中的應用[M].北京： 中國電力出版社，2010.

[4] 張華莎.安全儀表系統邏輯設計淺談[J].石油化工自動化，2003，39(04)： 3-7.

[5] 祝敬輝.SIS設計中可用性和安全性淺析[J].儀器儀表標準與計量，2010(04)： 25-27.

[6] 鐘聲.設計聯鎖邏輯圖應注意的問題[J].石油化工自動化，1998，34(02)： 23-25，64.

[7] 王東峰.安全儀表系統的回路設計探討[J].石油化工自動化，2014，50(04)： 10-15.

[8] 劉瞻.石油化工安全儀表系統的設計[J].石油工業計算機應用，2013(77)： 11-14.

[9] 劉偉，蘇成利，任泓.安全儀表系統的設計[J].當代化工，2012，41(12)： 1358-1360.

[10] 馬科斌.安全儀表系統在汽油加氫裝置的應用與安全性分析.化工自動化及儀表,2013,40(01)： 94-95,101.

Discussion on Design of Safety Instrumented System in Petrochemical Process Package

Zhai Zhongxi, Li Junjie

(Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology, Sinopec, Shanghai, 201208, China)

Based on GB/T 50770-2013CodeforDesignofSafetyInstrumentedSysteminPetrochemicalEngineering, design feature and safety requirements of safety instrumented system(SIS) in package drafting stage is described briefly. The consideration and design idea about design of SIS loop from three aspects of SIS input, SIS output and SIS logic. Combined with engineering project, design scheme of safety interlock loop in the stage of preparation of petrochemical process package according to process operation requirements and safety interlock condition is introduced. The reliability and availability of safety instrumented system are reasonably guaranteed.

safety instrumented system; interlock loop; logic; control scheme

翟仲曦(1984—)，男，吉林遼源人，2010年畢業于華東理工大學控制科學與工程專業，獲碩士學位，現就職于中國石化上海石油化工研究院，從事自控設計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)03-0021-03

稿件收到日期： 2017-03-22。