基于SIS與DCS集成的罐區(qū)安全控制

胡 金 文（撫順齊隆化工有限公司，遼寧 撫順 113004）

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基于SIS與DCS集成的罐區(qū)安全控制

胡 金 文
（撫順齊隆化工有限公司，遼寧 撫順 113004）

摘要：烴類球罐區(qū)屬于重大危險源，DCS系統(tǒng)在安全控制方面存在諸多漏洞，一旦發(fā)生事故就不可控，因此，SIS系統(tǒng)的應(yīng)用勢在必行。依據(jù)IEC61511、IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度對比分析SIS與DCS幾種不同集成方案的可行性，結(jié)合齊隆化工C5球罐區(qū)工藝設(shè)計對SIL進(jìn)行安全定量評估，并針對齊隆化工在SIS與DCS無縫集成系統(tǒng)在安全控制方面存在的問題，提出適合企業(yè)現(xiàn)狀的解決方案。

關(guān)鍵詞：控制器；連鎖；重大危險源；無縫集成

人類歷史上首臺球罐始建于美國，據(jù)統(tǒng)計目前世界范圍內(nèi)在役的球罐約8萬余臺，服役球罐平均每10年就會發(fā)生3～4次惡性爆炸事故，對球罐區(qū)的安全控制必須重視。近年來國內(nèi)外液化烴罐區(qū)安全事故時有發(fā)生，1978年5月30日，美國德克薩斯州1臺800 m3球罐發(fā)生爆炸，球罐碎片遍布全廠，20 min內(nèi)，6臺球罐及4臺儲罐被碎片擊毀導(dǎo)致沸騰液體膨脹蒸汽引發(fā)連鎖爆炸，造成重大人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失1.22億美元。2015年7月16日，山東日照石大科技1 000 m3球罐因泄露發(fā)生爆炸，經(jīng)濟(jì)損失慘重。

為了提高風(fēng)險控制，保障罐區(qū)運行安全，降低安全隱患，我國近年頒布了《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSGR004等眾多球罐區(qū)安全運行標(biāo)準(zhǔn)，從設(shè)備制造、自動控制、工藝系統(tǒng)等環(huán)節(jié)進(jìn)行安全風(fēng)險控制。隨著我國化工裝置、危險品存儲設(shè)施規(guī)模大型化、自動化控制水平逐步提高，一旦發(fā)生事故就不可控，這就要求化工企業(yè)從源頭去保障安全。SIS系統(tǒng)（安全儀表系統(tǒng)）又稱緊急停車系統(tǒng)，它獨立于過程控制系統(tǒng)（例如分散控制系統(tǒng)等），生產(chǎn)正常時處于休眠或靜止?fàn)顟B(tài)，一旦生產(chǎn)裝置或設(shè)施出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時，能夠瞬間準(zhǔn)確動作，使生產(chǎn)過程安全停止運行或自動導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)。因此，用好化工安全最后一道防火墻SIS系統(tǒng)就變得十分緊迫和必要。

1　 SIS與DCS集成現(xiàn)狀分析

以前，由于控制系統(tǒng)的可靠性不足以保障安全系統(tǒng)的可靠性，工業(yè)上DCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)相互獨立，分別設(shè)計、分別建造，給企業(yè)增加巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。近年來，3C技術(shù)取得飛速發(fā)展，DCS系統(tǒng)的可靠性也得到了大幅度提高，特別是系統(tǒng)的健壯性（ROBUST）也接近了SIS系統(tǒng)，雖然無法實現(xiàn)國家強(qiáng)制性要求的IEC61508、ISC61511安全標(biāo)準(zhǔn)［1，2］，但為實現(xiàn)SIS與DCS的無縫集成奠定的扎實的技術(shù)基礎(chǔ)，只要非安全系統(tǒng)的失效不會導(dǎo)致安全功能存在失效的危險，就可以考慮SIS與DCS集成使用［3］

1.1MODBUS集成

MODBUS集成是指SIS與DCS通過控制器實現(xiàn)硬鏈接的方式將SIS數(shù)據(jù)傳送至DCS系統(tǒng)中。該方案屬于異種分離，采用不同的組態(tài)工具、不同的人機(jī)界面、不同的控制網(wǎng)絡(luò)，雖然有利于減小共因失效，但現(xiàn)實成本較高不夠經(jīng)濟(jì)。

1.2OPC集成

OPC集成是指SIS與DCS通過面向過程控制的OPC技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)與設(shè)備間的通訊來完成向SIS提供數(shù)據(jù)。由于該方案需要依賴于價格昂貴的國外原廠服務(wù)器，且國外廠商面對國內(nèi)項目缺乏靈活性，故該方案目前并不適合國內(nèi)中小型化工企業(yè)使用［4］。

1.3SIS與DCS無縫集成

SIS與DCS無縫集成是指二者在物理上集成，在邏輯上分開，控制程序和安全程序相互獨立、平行執(zhí)行，使用統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡(luò)、組態(tài)工具、硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)交換流暢，無需接口單元。共同的監(jiān)控和操作平臺，在操作時更加有效，SIS系統(tǒng)位號可以DCS系統(tǒng)的信號同時處理，無需特別組態(tài)。無縫集成更節(jié)省人力物力、更經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)的整體性能更優(yōu)越（圖1）［5］。

圖1　SIS與DCS無縫集成應(yīng)用實例Fig.1 SIS and DCS integration application instance

2　SIS在裂解C5球罐區(qū)的應(yīng)用

齊隆化工球罐區(qū)存儲的物料是裂解C5餾分，因其固有的物料特性，潛在的安全風(fēng)險不容忽視。近年來，國內(nèi)外發(fā)生的化工危險品重大事故大都與儀表失效或設(shè)置不當(dāng)相關(guān)，現(xiàn)階段SIS系統(tǒng)是保障化工企業(yè)生產(chǎn)運行安全的最后一道行之有效的防火墻。

2.1裂解C5球罐區(qū)應(yīng)實現(xiàn)的安全儀表功能

當(dāng)球罐區(qū)工藝操作壓力達(dá)到設(shè)定值時，通往火炬氣管道上的調(diào)節(jié)閥自動開啟，若調(diào)節(jié)閥故障導(dǎo)致壓力持續(xù)上升，則灌頂設(shè)置的兩個安全閥將會自動起跳，向火炬線泄壓。同時，設(shè)有一條DN65的旁路，緊急情況下可以人工控制向火炬系統(tǒng)泄壓。另外，控制室內(nèi)設(shè)有液位報警系統(tǒng)，當(dāng)液位過高達(dá)到設(shè)定值時，進(jìn)料閥自行緊急切斷；當(dāng)液位過低達(dá)到設(shè)定值時，出料閥自行緊急切斷，以保障罐體不被抽癟。

2.2球罐區(qū)風(fēng)險評估及SIL定量分析

依據(jù)球罐區(qū)實際狀況制定用于評估的風(fēng)險矩陣表，涵蓋經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染、人員傷亡三個方面。依據(jù)IEC61511，、IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，對風(fēng)險結(jié)果進(jìn)行SIL定量分析。安全儀表失效造成人員傷亡7～9人，依據(jù)人員風(fēng)險控制矩陣表，從保障人員安全角度出發(fā)，安全儀表功能應(yīng)該達(dá)到SIL3；依據(jù)環(huán)境風(fēng)險控制矩陣表，一旦發(fā)生事故造成環(huán)境污染，可能引發(fā)區(qū)域性事故，從保護(hù)環(huán)境安全角度出發(fā)，安全儀表功能應(yīng)該達(dá)到SIL2；若因安全儀表失效導(dǎo)致C5球罐區(qū)事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失將會達(dá)到4 000千萬元以上，依據(jù)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險控制矩陣表，從經(jīng)濟(jì)安全角度出發(fā)，安全儀表功能應(yīng)該達(dá)到SIL3。綜上所述，我廠C5球罐區(qū)的SIS系統(tǒng)應(yīng)滿足SIL3，以實現(xiàn)球罐區(qū)的安全保護(hù)功能（表2）。

表1　安全儀表失效將會導(dǎo)致的風(fēng)險Table 1　The risk of safety instrument failure

表2　安全儀表系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)選擇表Table 2　Safety instrument system logic structure selection

3　SIS與DCS無縫集成存在的問題

SIS與 DCS無縫集成系統(tǒng)在球罐區(qū)安全控制中，存在以下幾方面安全隱患。

（1）儀表選型及設(shè)置問題。連鎖回路中存在部分液位儀表輸出信號為開關(guān)量，該類型傳感器具有故障率高，可靠性低的缺點。

（2）SIS與DCS儀表及設(shè)備共用問題。連鎖回路中存在部分儀表與DCS共用，這將有可能造成嚴(yán)重的失效后果，特別是緊急切斷閥與進(jìn)出料閥存在共用問題。

（3）罐區(qū)壓力變送器帶有報警設(shè)定器，這將會延緩SIS系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

（4）控制器為 1oo2或 2oo3，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)為1oo1。

4　滿足安全儀表功能的解決方案

現(xiàn)場二次儀表是安全儀表系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，在儀表選型時應(yīng)盡量選用帶危險自診斷及平均危險失效率小的儀表。球罐區(qū)壓力變送器宜選擇冗余設(shè)置，盡量不設(shè)置安全柵，取消報警設(shè)定器，使安全儀表系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)盡量簡化。緊急切斷閥宜冗余配置，且要與控制系統(tǒng)分開，突出其安全功能的重要性。同時SIS系統(tǒng)運行期間，SOE軟件要開啟，SOE事件要到期導(dǎo)出，要定期對終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器進(jìn)行PST測試，以便消除未檢測到的故障，確保SIS系統(tǒng)安全運行的時效性。

5　結(jié) 論

目前，化工行業(yè)正在向裝置大型化、集約化方向發(fā)展，一旦發(fā)生事故，將會造成人員重大傷亡，給經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會造成重大損失。當(dāng)前，社會各界對化工事故的容忍度很低，任何一次事故，都會對化工行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展造成深遠(yuǎn)影響。SIS系統(tǒng)是現(xiàn)階段保證化工行業(yè)安全的最后一道防線，化工行業(yè)務(wù)必要意識到加強(qiáng)SIS系統(tǒng)應(yīng)用和管理的重要性及迫切性。本文結(jié)合SIS系統(tǒng)在化工行業(yè)應(yīng)用的實際情況和普遍存在的問題，提出了一些改進(jìn)方案，除此之外，還應(yīng)該在以下幾個方面給予高度重視。

（1）企業(yè)在SIS系統(tǒng)的選型、實用、維護(hù)過程中，務(wù)必嚴(yán)格遵守相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使安全儀表充分發(fā)揮其安全運行的時效性。

（2）相關(guān)部門要進(jìn)一步完善SIS系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系，大力推廣SIL定量安全評估體系，建立設(shè)備及儀表失效數(shù)據(jù)庫。

（3）各企業(yè)要重視加強(qiáng)SIS方面相關(guān)技術(shù)和管理人才的培養(yǎng)，確保SIS系統(tǒng)安全保障功能的實現(xiàn)，使企業(yè)人員、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境安全得以充分保障。

參考文獻(xiàn)：

［1］IEC61508，F(xiàn)unctionalSafety of Electrial / Elctronic / Programmable Electronic Safety - RelatySystems，International Electrotechnical Commission ［S］.

［2］IEC61511，F(xiàn)unctional Safety Intrumented SystemsFor the Process Industrie［S］.

［3］郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.［4］劉建侯.功能安全技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)安全出版社，2008.［5］翟羽鵬，張東梅.SIS系統(tǒng)在丙烯罐區(qū)中的應(yīng)用［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2014，31（3）：78-82．

Integrated Safety Control of Tank Farm Based on the SIS and DCS

HU Jin -wen
（Fushun Qilong Chemical Co.，Ltd.，Liaoning Fushun 113004，China）

Abstract：Hydrocarbon spherical tank area belongs to the major danger source.DCS system has many loopholes in the aspect of safety control.Therefore，application of the SIS system is imperative.In this paper，on the basis of IEC61511 and IEC61508 standards，from technical and economic aspects，the feasibilities of several SIS and DCS integrated schemes were compared and analyzed.Combined with the technological design of C5 spherical tank area in Qilong Chemical Co.，Ltd.，SIL safety quantitative assessment was carried out.According to the safety control problems of SIS and DCS integration system in Qilong Chemical Co.，Ltd.，the solutions were put forward.

Key words：Controller；Chain；Major danger source；Seamless integration

中圖分類號：TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0075-03

收稿日期：2015-08-26

作者簡介：胡金文（1972-），男，遼寧撫順人，工程師，碩士研究生，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：油氣儲運與安全控制。E-mail：hujinw197285@sina.com。