安全儀表系統(tǒng)中測量儀表的設置

王德生，婁悅

(中國石油集團東北煉化工程有限公司 吉林設計院，吉林 吉林 132002)

石油化工裝置的規(guī)模越來越大型化，安全儀表系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。隨著國家和企業(yè)對安全生產的重視，頒布了SHB-Z 06—1999《石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設計導則》[1]與SH/T 3018—2003《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》[2]，GB/T 21109—2007/IEC 61511《過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》[3-5]，最近又頒布了GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表設計規(guī)范》[6]，將行業(yè)標準升級為國家標準。筆者主要針對同一個被控變量既需要對該變量進行過程控制，同時該變量又參與聯(lián)鎖邏輯的冗余設置時測量儀表的設置方案進行探討。

1 防爆型式的選擇

安裝在爆炸危險場所的測量儀表，文獻[2]規(guī)定“宜采用隔爆型”，文獻[6]規(guī)定“應采用隔爆型或本安型。當采用本安系統(tǒng)時，應采用隔離式安全柵?！备鶕礼B 50058—2009《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》[7]的要求，如果隔爆型能夠滿足防爆要求時，應選用隔爆型，減少中間環(huán)節(jié)；當隔爆型不能滿足防爆要求時選用本安型。

2 信號型式的選擇

“測量儀表宜采用4～20mA疊加HART傳輸信號的智能變送器。測量儀表不應采用現(xiàn)場總線或其他通信方式作為安全儀表系統(tǒng)的輸入信號”[8]。

3 測量儀表的設置

測量儀表的獨立設置原則與冗余設置原則，文獻[2]與文獻[6]規(guī)定的含義相同，只是個別用詞稍有差別，文獻[6]規(guī)定：

1) 測量儀表的獨立設置規(guī)定：“SIL 1級安全儀表功能，測量儀表可與基本過程控制系統(tǒng)共用；SIL 2級安全儀表功能，測量儀表宜與基本過程控制系統(tǒng)分開；SIL 3級安全儀表功能，測量儀表應與基本過程控制系統(tǒng)分開”。

2) 測量儀表的冗余設置規(guī)定：“SIL 1級安全儀表功能，可采用單一的傳感器；SIL 2級安全儀表功能，宜采用冗余的傳感器；SIL 3級安全儀表功能，應采用冗余的傳感器”。

3) 測量儀表的冗余方式規(guī)定：“當系統(tǒng)需要兼顧性和高可用性時，宜采用‘三取二’邏輯”。

3.1 設置方案的選擇

對于同一個被控變量既需要過程控制，同時又參與聯(lián)鎖邏輯的情況，采用“三取二”邏輯冗余設置的測量儀表的設置方案[9-10]。以流量作為被控變量為例，介紹兩種設置方案，如圖1，圖2所示[11]。

圖1 過程控制與安全聯(lián)鎖PI方案一

圖2 過程控制與安全聯(lián)鎖PI方案二

圖1所示方案為通常采用的，安全儀表系統(tǒng)通過獨立冗余設置的測量儀表(流量變送器)FT-1A，F(xiàn)T-1B，F(xiàn)T-1C采集過程參數，經安全儀表系統(tǒng)FY-1“三取二”邏輯判斷之后進行邏輯處理與運算，通過控制調節(jié)閥FV-1的電磁閥FSOV-1與切斷閥XV-1的電磁閥XSOV-1，從而控制FV-1與XV-1，實現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)功能；基本過程控制系統(tǒng)通過測量儀表(流量變送器)FT-1D采集過程參數，經調節(jié)器FC-1進行邏輯處理與運算，控制最終執(zhí)行元件FV-1的電/氣閥門定位器，實現(xiàn)過程控制功能。

圖2與圖1方案比較，在于過程控制部分的不同。由安全儀表系統(tǒng)的FY-1B對FT-1A/B/C的測量值取中值或平均值以硬線連接的方式，作為過程控制系統(tǒng)調節(jié)器FC-1的測量信號，即取消了測量儀表FT-1D。

3.2 方案二的合理性分析

1) 文獻[6]中規(guī)定：“安全儀表系統(tǒng)應獨立于基本過程控制系統(tǒng)，并應獨立完成安全儀表功能”。安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)在裝置設計時即應各自獨立設置；如圖2所示，安全儀表系統(tǒng)通過獨立冗余設置的流量變送器FT-1A，F(xiàn)T-1B，F(xiàn)T-1C采集過程參數，經安全儀表系統(tǒng)的FY-1A進行“三取二”邏輯判斷之后進行邏輯處理與運算，F(xiàn)V-1與XV-1的電磁閥實現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)功能，整個過程沒有過程控制系統(tǒng)參與，是符合規(guī)定的。

2) 文獻[6]中規(guī)定：“安全儀表系統(tǒng)不應介入或取代基本過程控制系統(tǒng)的工作”。如圖2所示，安全儀表系統(tǒng)的FY-1B對FT-1A/B/C的測量值取中值或平均值以硬線連接的方式，只是作為FC-1的測量信號。過程控制方案及參數的設定都是在過程控制系統(tǒng)中完成，實現(xiàn)過程控制功能。即安全儀表系統(tǒng)并沒有介入或取代過程控制系統(tǒng)的工作，也是符合文獻[6]的規(guī)定的。

3.3 兩種方案的比較

對于方案一，如果測量儀表FT-1D一旦發(fā)生故障，可能使過程自動控制功能失效，引起被控參數波動而超出設定范圍，導致安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖動作，將FV-1與XV-1強制置位于安全位置，生產過程自動中斷。

而對于方案二，在FT-1A/C/B都工作正常時，安全儀表系統(tǒng)的FY-1B輸出中間值通過硬線傳輸給過程控制系統(tǒng)的FC-1，作為測量信號；當其中1臺測量儀表發(fā)生故障時，安全儀表系統(tǒng)將自動切除該臺儀表的測量信號，F(xiàn)Y-1B的輸出自動地將“三取中”改為取平均值傳輸給過程控制系統(tǒng)的FC-1，作為測量信號，同時發(fā)出故障報警信號，提示維護人員排除故障，待故障排除后，F(xiàn)Y-1B再自動改為“三取中”；如果其中2臺均發(fā)生故障，將導致安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖動作，生產過程自動中斷。

通過比較，方案二不僅減少了1臺測量儀表，而且實現(xiàn)了過程控制系統(tǒng)測量儀表的冗余設置，同時可以避免方案一中FT-1D發(fā)生故障時可能帶來的風險。

4 結束語

在大型的石油化工裝置中，如氧化反應器的控制，參與反應的各種原料的流量、溫度、壓力，包括反應器的溫度、壓力等被控變量之間關聯(lián)密切，安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯復雜，過程控制要求嚴格，方案選擇應經過充分地比較論證以保證裝置安全長、滿、優(yōu)的運行。

參考文獻：

[1]中國石化集團北京石油化工工程公司.SHB-Z 06—1999石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設計導則[S].北京： 中國石化出版社，1999.

[2]中國石化工程建設公司.SH/T 3018—2003石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2004.

[3]機械工業(yè)儀器儀表綜合技術研究所.GB/T 21109.1—2007/IEC 61511-1 過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第1部分： 框架、定義、系統(tǒng)、硬件和軟件要求[S].北京： 中國標準出版社，2008.

[4]機械工業(yè)儀器儀表綜合技術研究所.GB/T 21109.2—2007/IEC 61511-2過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第2部分： GB/T 21109.1的應用指南[S].北京： 中國標準出版社，2008.

[5]機械工業(yè)儀器儀表綜合技術研究所.GB/T 21109.3—2007/IEC 61511-3過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第3部分： 確定要求的安全完整性等級的指南[S].北京： 中國標準出版社，2008.

[6]中國石油化工集團公司.GB/T 50770—2013石油化工安全儀表設計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[7]中國寰球工程公司.GB 50058—2014爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

[8]黃步余，范宗海，馬蕾.《石油化工安全儀表設計規(guī)范》解讀[J].石油化工自動化，2013，49(06)： 1-9.

[9]繆煜新.石油化工裝置中SIS的安全功能[J].石油化工自動化，2013，49(03)： 10-12.

[10]劉齊忠，林融.石油化工安全儀表系統(tǒng)的設計及實施探討[J].石油化工自動化，2010，46(05)： 1-6.

[11]全國化工自控設計技術中心站.HG/T 20505—2000過程測量與控制儀表的功能標志及圖形符號[S].北京： 全國化工工程建設標準編輯中心，2001.