天然氣凈化廠聯鎖回路的設置探討

高進，鄭民，韓慧明

(中國石油西南油氣田分公司 天然氣凈化總廠，重慶 401147)

天然氣凈化廠是對天然氣進行脫硫(碳)、脫水并對酸氣進行處理的工廠[1]，其工藝介質具有高溫、高壓、有毒、有害等特性，屬于高危連續生產的化工企業[2]，根據GB/T 51248—2017《天然氣凈化廠設計規范》要求，天然氣凈化廠需設置安全儀表系統(SIS)來滿足生產安全的要求[3]。

SIS通常是用來實現一個或幾個安全儀表功能的儀表系統，由傳感器、邏輯解算器和最終元件的任何組合組成[4]。在天然氣凈化廠，SIS是天然氣凈化裝置的核心設備，其主要功能為： 實現生產裝置運行過程中異常情況下和工廠關閉時的安全緊急停車，確保人員、設備安全，避免危險擴散造成更大的損失，是天然氣凈化裝置安全平穩運行的保護屏障[5]。

西南某天然氣凈化總廠，是中國最早從事天然氣凈化的專業化公司之一，現有凈化裝置20套，具有處理原料天然氣2.4×1010m3/a的生產能力，是綜合配套齊全、技術先進的大型天然氣凈化廠[6]，其下屬的各天然氣凈化裝置均設置有SIS。

1 相關定義

依據SIS的定義，通常理解為一個安全儀表功能回路即一個聯鎖回路，由傳感器、邏輯解算器和最終元件組成。聯鎖回路通常執行單一的安全功能并實現某個特定的安全保護或控制作用，是安全儀表功能的具體體現。安全儀表功能是用以實現功能安全，既可以是安全保護功能，也可以是安全控制功能，其能力的大小用安全完整性等級(SIL)表示[7]。SIL是一種離散的水平，用來規定分配給SIS的安全儀表功能的的安全完整性要求的離散等級，SIL4是安全完整性的最高等級，SIL1為最低等級。

2 聯鎖回路設置現狀及組成

該廠各天然氣凈化裝置上設置的SIS需完成多個安全儀表功能，有大量工藝參數(過程條件)作為聯鎖條件，實現設備保護、生產安全和人員安全。各分廠裝置、SIS及聯鎖回路數量見表1所列，其中停運分廠未進行統計。

表1 各分廠裝置數量、SIS及聯鎖回路數量統計

一個完整的聯鎖回路除包括傳感器、邏輯解算器和最終元件三個主要部分外，還包括三個主要部分之間的連接電纜等。凈化總廠各分廠處于川渝兩地，屬于雷雨天氣多發區，其聯鎖回路中還設置有電涌保護器或隔離器以保護邏輯解算器，其聯鎖回路結構圖如圖1所示。

圖1 聯鎖回路結構示意

3 存在問題

從凈化總廠現有聯鎖回路的配置及應用情況來看，聯鎖回路設置主要存在相同工藝裝置聯鎖回路設置各異、聯鎖回路設置未全覆蓋、聯鎖回路設置不合理、聯鎖回路設置時的可用性高于安全性等問題。

3.1 相同工藝裝置聯鎖回路設置各異

除硫磺回收裝置、尾氣處理裝置有差異外，該廠天然氣凈化裝置采用的工藝方法和工藝流程大體相同，且工藝方法成熟，雖然工程設計由同一設計單位完成，但是其聯鎖回路的設置相差各異，即使同一工藝參數的聯鎖回路設置也不盡相同。

以脫硫裝置為例，各分廠聯鎖回路設置統計見表2所示。目前，各分廠均采用胺液化學吸收法或砜胺混合溶液物理加化學吸收法脫硫工藝，其主工藝流程相同，都包括胺液吸收、富液閃蒸、溶液過濾、溶液再生、酸氣及酸水回流、溶液氮氣保護等。雖然各分廠主工藝流程相同，但聯鎖回路設置各異，主要表現為： 一是聯鎖回路設置不同，在已知的9個聯鎖回路中，僅有2個聯鎖回路是各分廠都共有的，其余7個聯鎖回路都只是部分分廠設置；二是在同一聯鎖回路中，傳感器的數量不同、聯鎖邏輯不同、聯鎖動作不同，導致最終元件的配置也不同；如表2中的進吸收塔貧胺液流量低聯鎖回路，雖然各分廠對其聯鎖等級均定義為裝置級，只有六分廠、七分廠聯鎖回路設置相同，其余5個分廠各不相同。

3.2 聯鎖回路設置未全覆蓋

該廠除脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理等主裝置外，還設置有硫磺成型、火炬及放空、污水處理、循環冷卻水、蒸汽及凝結水、燃料氣、空氣氮氣系統、消防系統、供水系統等輔助和公用生產裝置。從各天然氣凈化廠聯鎖回路的設置情況來看，聯鎖回路的設置未覆蓋所有工藝裝置。主要表現為： 一是聯鎖回路設置僅限于脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理等主裝置，大多數天然氣凈化廠未考慮和覆蓋輔助生產裝置和公用工程裝置，即使有考慮也僅限于少數幾個工藝聯鎖回路，如燃料氣系統的壓力高聯鎖、儀表風系統的壓力低聯鎖等；對天然氣凈化廠而言，輔助生產裝置和公用工程裝置也同樣存在影響裝置安全生產、設備損壞、人員傷亡的風險。二是大部分分廠重要機泵和風機等轉動設備未設置振動、溫度聯鎖，雖然近幾年各分廠都實施了重要機泵和風機運行狀態在線監測系統，現場也配置了振動、溫度傳感器，但其僅用于運行狀態的監視和報警以及設備預防性檢修，到目前為止僅有少數轉動設備設置有振動、溫度聯鎖，如脫硫裝置的胺液循環泵，但其聯鎖功能由現場PLC完成，現場PLC為無安全等級認證產品，降低了該聯鎖回路的可靠性和安全性。三是輔助和公用生產裝置有大量成撬設備，成撬設備由供貨廠家設計、供貨，通常自帶PLC控制柜，雖然大多數成撬裝置的部分控制回路具有聯鎖功能，但其都是按控制回路設置和配置的，其控制功能均由現場同一PLC完成，同時也存在現場PLC為無安全等級認證產品的問題。

3.3 聯鎖回路設置不合理

從該廠運行情況來看，已多次出現因聯鎖回路設置不合理導致凈化裝置聯鎖停車事故，如廢鍋液位聯鎖設置不合理導致硫磺回收裝置聯鎖、酸氣流量聯鎖設置不合理導致凈化裝置聯鎖等。主要表現有： 一是設備級和裝置級聯鎖回路的分布不合理，如三分廠、四分廠、六分廠、七分廠設備級聯鎖回路的數量遠低于裝置級聯鎖回路的數量，各分廠不同等級聯鎖回路數量分布統計見表3所示；聯鎖回路按聯鎖動作保護范圍分為設備級、裝置級、廠級和氣藏級4個等級，其對應聯鎖回路的數量應按金字塔結構呈遞減趨勢分布。二是部分聯鎖回路重復設置，如表2中的“MDEA貧液泵全停運聯鎖”，貧液泵出口溶液分兩路分別進入脫硫吸收塔和閃蒸罐，當貧液泵全停時必然會出現進吸收塔貧胺液流量為零，從而觸發進吸收塔貧胺液流量低聯鎖。三是部分聯鎖回路的程序設置不合理，如設置聯鎖條件觸發延時，同一工藝流程檢測點設置有多個傳感器，而未設置測量值偏差報警等[8]。四是存在部分聯鎖回路硬件配置的不合理，如部分聯鎖回路與控制回路共用傳感器、最終元件、主電纜、接線箱等[9]，增加共因失效的概率；聯鎖回路的信號線未采取直敷方式，采用分支電纜加主電纜的方式，增加了中間故障點[10]；傳感器、最終元件未采用SIL等級認證的產品，到目前為止，該廠還未使用SIL等級認證傳感器、最終元件。

表3 各分廠不同等級聯鎖回路數量分布統計 個

3.4 聯鎖回路設置時的可用性高于安全性考慮

在檢測儀表冗余配置的聯鎖回路中，當要求高安全性時，應采用“或”邏輯結構；當要求高可用性時，應采用“與”邏輯結構[11]。在設置有2個傳感器的聯鎖回路中，“2oo2”聯鎖邏輯即為“與”邏輯結構，“1oo2”聯鎖邏輯即為“或”邏輯結構。各分廠天然氣凈化裝置聯鎖回路聯鎖邏輯設置統計見表4所列，從表4可以看出，采用“2oo2”聯鎖回路的數量遠大于采用“1oo2”的數量，且各分廠均設置有大量“2oo2”聯鎖邏輯的聯鎖回路，僅有一分廠、二分廠設置有少量“1oo2”聯鎖邏輯的聯鎖回路。通過對現有“1oo2”聯鎖回路的統計分析發現： 這些聯鎖回路均為設備級聯鎖，聯鎖保護的工藝參數在生產過程中運行較穩定可靠，發生聯鎖動作的概率低。

表4 各分廠天然氣凈化裝置聯鎖回路聯鎖邏輯設置統計 個

4 原因分析

針對上述問題，通過對該廠設計、操作、管理、運維全流程分析研究和歸納總結，得出如下結論。

4.1 現有規范標準無法有效指導聯鎖回路的設置

在現有規范中，文獻[3]對天然氣凈化廠是否設置SIS進行了規定；GB/T 21109—2007《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》、GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》[11]、GB/T 50823—2013《油氣田及管道工程計算機控制系統設計規范》[12]、GB/T 50892—2013《油氣田及管道工程儀表控制系統設計規范》[13]、HG/T 20511—2014《信號報警及聯鎖系統設計規范》[14]等規范對SIS性能的整體要求進行了規定，沒有對聯鎖回路的設置進行具體要求，尤其是天然氣凈化廠。目前，雖然還有文獻[8]對天然氣凈化廠的聯鎖回路設置有要求，也僅限于對天然氣凈化廠全廠ESD停車按鈕及火災動作，以及吸收塔底胺液位低低、三甘醇重沸器停爐(熄火)、分離器類設備液位低低3個聯鎖回路的安全儀表功能并推薦了SIL等級，主要也是對SIS性能的整體要求進行了規定。對天然氣凈化廠而言，設置的聯鎖回路遠不止上述3個工藝參數(聯鎖回路數量見表1所列)，還有大量的聯鎖回路沒有要求，缺少具有針對性和可操作的聯鎖回路設置規范，導致現有規范標準無法有效指導聯鎖回路的設置。

4.2 現有計劃性停車管理模式間接影響聯鎖回路的設置

現有天然氣凈化廠執行的是計劃性停車管理，任何非計劃的停產都將影響關鍵業績指標(KPI)的考核值。然而，天然氣凈化裝置設置有大量的聯鎖回路，執行SIS的聯鎖保護功能，一旦裝置出現異常將導致部分設備或裝置聯鎖停車，降低風險，實現對設備和人員的安全保護；由于生產過程為動態過程，影響裝置運行的因素多，且無法預知和預測聯鎖回路觸發聯鎖的時間以及觸發哪些聯鎖回路，因此聯鎖停車屬于非計劃停車之列。

裝置一旦發生聯鎖停車，尤其是發生全裝置的聯鎖停車，將會啟動事故調查和追責程序，導致該廠從管理層、技術層到操作層對聯鎖回路的設置都會傾向于高可靠性。為了減少因聯鎖帶來的非計劃停車影響，在裝置設計階段，設計人員因受凈化廠建設方和使用方審查意見影響以及已運行裝置情況反饋影響，在同等硬件配置下會優先考慮聯鎖回路的高可靠性；在裝置運行期間，使用方在聯鎖回路整改時也會優先將其整改為高可靠性的聯鎖回路。該廠2020年聯鎖回路設置現狀調研中，大多數分廠都提出將部分單檢測儀表的聯鎖回路整改為“2oo2”聯鎖邏輯的雙檢測儀表聯鎖回路，甚至有某個分廠提出將全部單檢測儀表的聯鎖回路整改為“2oo2”聯鎖邏輯的雙檢測儀表聯鎖回路。因此，現有計劃性停車管理模式使聯鎖回路的設置趨向高可靠性，導致聯鎖回路聯鎖邏輯和硬件配置不合理，降低了安全性，增加了安全風險。

4.3 人員能力影響聯鎖回路設置

由于缺少聯鎖回路設置規范，現有相關規范又缺少可操作性，設計人員通常根據自身對相關規范的理解、工作經驗、參考引進工藝包以及凈化廠建設方和已運行裝置情況反饋等來確定具體聯鎖回路的設置，導致不同的設計人員設計的同一工藝參數聯鎖回路和外圍設備的配置以及實現的功能都有很大的差別[7]，即使是同一設計單位。

該廠聯鎖回路的管理以儀表專業人員為主、工藝專業人員為輔，局限于SIS軟硬件本身等應用層面，對聯鎖相關知識了解有限，尤其是對SIL等級等知識的認知。在裝置生產運行過程中發生聯鎖事件后，由于沒有相關規范對天然氣凈化裝置聯鎖回路的設置進行規范和統一，技術管理人員難以判斷其聯鎖回路設置是否合理，也就無法對聯鎖回路進行規范管理，只能依據工作經驗和自身對聯鎖回路的理解提出改進要求。整改后的聯鎖回路雖然降低了或解決了導致聯鎖事件發生的原因，但有較大可能導致其他的風險和安全隱患存在。如裝置上的重要機泵、風機為了避免低流量對裝置造成的影響和介質倒流造成的安全風險，原設置有低流量聯鎖，后為了徹底解決存在的風險將停泵信號也作為聯鎖條件納入聯鎖管理；為了避免電網波動造成的影響，通常重要機泵、風機都設置有自啟動功能，而將停泵信號納入聯鎖管理將導致自啟動功能失去存在的意義。

5 整改建議

針對上述問題，結合原因分析，提出以下整改建議：

1)制定該廠聯鎖回路設置規范，規范統一聯鎖回路的設置。目前該廠申報和承擔了西南油氣田公司的企業級科研項目《天然氣凈化裝置聯鎖回路設置技術研究》和企業級標準制定項目《天然氣凈化裝置聯鎖回路設置規范》，為下一步制定行業標準打下基礎。

2)加強SIS管理，有序推進裝置SIL評估工作，積極開展SIL定級和SIL驗證技術人員培訓。

3)聯鎖回路中的傳感器、最終元件采用SIL等級認證的產品，提高聯鎖回路硬件的可靠性，減少聯鎖回路硬件導致聯鎖回路誤動作的概率。

4)根據在低要求操作模式[11]下安全儀表功能的SIL等級對應平均失效概率來合理確定天然氣凈化裝置允許的聯鎖停車次數，超過允許次數的聯鎖停車應該進行KPI考核；建議開展公司級的科研項目來進行研究。

5)以西南油氣田公司目前大力推進的數字化轉型、智能化建設為契機，提高管理層對聯鎖回路設置的認識和作用，從而影響上級公司對現有計劃性停車管理模式的優化和完善。

6 結束語

聯鎖回路是SIS實現安全儀表功能的基本功能單元，在該廠有大量應用，是實現天然氣凈化裝置保護、人員安全的重要屏障。通過對該廠各天然氣凈化裝置聯鎖回路組成及設置現狀進行對比分析，針對聯鎖回路設置存在的問題進行分析研究，并對產生問題的原因進行歸納總結，提出了解決該廠現有聯鎖回路設置問題的建議。