石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

俞澤科+李斌+姚玉田

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石油化工企業(yè)的規(guī)模和生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化都在不斷擴(kuò)大和更新。與此同時(shí)，石油化工的安全問(wèn)題就暴露出來(lái)了，由于化工企業(yè)危害性比較大，這就需要引起人們的高度重視。鑒于此，本文結(jié)合目前石油化工的生產(chǎn)現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了安全儀表的內(nèi)容，并對(duì)儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行闡述。在此基礎(chǔ)上完成了安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后對(duì)儀表供電方案進(jìn)行探討，保證儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：石油化工；安全儀表；系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TE967 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，石油化工設(shè)備逐漸朝著智能化和一體化的方向發(fā)展。新技術(shù)和新儀器的應(yīng)用不僅保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性，而且很大程度地提升了生產(chǎn)的效率和精度。由于化工企業(yè)的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，并且里面的氣體易燃易爆，如果生產(chǎn)過(guò)程得不到有效的控制，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此就需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行精確控制。本文主要針對(duì)石油化工儀表系統(tǒng)的內(nèi)容以及設(shè)計(jì)原則，研究了儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探討了儀表系統(tǒng)供電方案，為其正常工作奠定了基礎(chǔ)。

1.安全儀表系統(tǒng)的綜述

所謂的安全儀表系統(tǒng)就是保證儀表安全運(yùn)行的系統(tǒng)，主要是由邏輯運(yùn)算器、傳感器、執(zhí)行軟件以及配套的軟件系統(tǒng)。一旦生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)報(bào)警，儀表的安全系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)響應(yīng)，自動(dòng)執(zhí)行安全保護(hù)程序，使得生產(chǎn)人員和裝備處于安全的狀態(tài)。在系統(tǒng)正常檢測(cè)的時(shí)候，不同的參數(shù)表示不同安全程度，此時(shí)就要用安全度等級(jí)來(lái)表示，簡(jiǎn)稱SIL。SIL實(shí)際上就是根據(jù)定額時(shí)間內(nèi)和相同的條件下，安全儀表系統(tǒng)正常運(yùn)行功能的概率情況，是國(guó)際上普遍采用的表征儀表系統(tǒng)可靠度的參數(shù)。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的要求，將安全程度的等級(jí)分為4類，分別為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。

石油化工儀表的安全系統(tǒng)就是生產(chǎn)工藝的保護(hù)層，如圖1所示，其處在第一層中，能夠有效地監(jiān)測(cè)和預(yù)防危險(xiǎn)事件的發(fā)生，因此合理的設(shè)計(jì)儀表系統(tǒng)就顯得格外重要。

2.安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

當(dāng)對(duì)儀表的安全系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循以下幾條基本原則，如下所示。

（1）保證安全儀表系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性

在石油化工企業(yè)中，儀表工作環(huán)境比較復(fù)雜，不能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)常的更換，因此就需要設(shè)計(jì)的儀表安全系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就必須全面的考慮設(shè)計(jì)情況，如硬件的選取，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及軟件程序的運(yùn)行等。如果系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的操作或者失去供電的情況下，都要能夠保證系統(tǒng)的自行糾正或者自行學(xué)習(xí)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）安全儀表系統(tǒng)的功能鍵穩(wěn)定性

當(dāng)對(duì)石油化工的儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要充分考慮所處的環(huán)境以及操作人員工作的情況，掌握第一手的現(xiàn)場(chǎng)資料，對(duì)工作儀表工作狀況應(yīng)及時(shí)地了解，這樣才能保證儀表的功能順利實(shí)現(xiàn)。儀表系統(tǒng)功能鍵的穩(wěn)定性不僅能夠滿足對(duì)實(shí)施工況的檢測(cè)，而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)狀況的預(yù)警等。

（3）安全儀表要方便維護(hù)和擴(kuò)展

安全儀表的正常維護(hù)和保養(yǎng)可以很好地保證生產(chǎn)工藝的順利進(jìn)行。此功能的實(shí)現(xiàn)就需要對(duì)儀表的安裝提出更高的要求。根據(jù)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便和實(shí)用性原則，對(duì)設(shè)的儀表要能夠滿足簡(jiǎn)單安裝、長(zhǎng)期維護(hù)、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

3.安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

安全儀表系統(tǒng)是由不同的硬件組裝起來(lái)的，其能夠快速地實(shí)現(xiàn)安全儀表所要執(zhí)行的功能要求。根據(jù)功能要求的不同，我們將其分為傳感器類的檢測(cè)元件、邏輯運(yùn)算器類的處理元件以及執(zhí)行的元件。

（1）傳感器的設(shè)計(jì)

傳感器的精確程度直接影響著系統(tǒng)的安全和靈敏度，因此對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。為了不受到其他元件的干擾，采用獨(dú)立設(shè)計(jì)原則和冗余設(shè)置原則，也就是第1級(jí)安全儀表傳感器采用單一的，并且與DCS公用；第2級(jí)的安全儀表傳感器采用冗余的，并且與DCS是分開的；第3級(jí)的安全儀表傳感器采用冗余的，并且與DCS是分開的。對(duì)于邏輯結(jié)構(gòu)的選擇，我們可以設(shè)置為應(yīng)用性能時(shí)，采用或結(jié)構(gòu)；當(dāng)為安全性能時(shí)，采用與結(jié)構(gòu)；當(dāng)兩者的性能都需要保證的時(shí)候，就需要采取三取二的格式。

（2）邏輯運(yùn)算器的設(shè)計(jì)

常用的邏輯運(yùn)算器主要是由3種類型組成的，分別是可編程的電子系統(tǒng)、繼電器系統(tǒng)以及二者的混合系統(tǒng)。當(dāng)所選運(yùn)算器為繼電器系統(tǒng)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的邏輯計(jì)算比較簡(jiǎn)單；當(dāng)所選運(yùn)算器為可編程的電子系統(tǒng)時(shí)，其可以很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的設(shè)計(jì)，并且與其他通信系統(tǒng)進(jìn)行匹配。因此，很多的石油化工企業(yè)都配備了SIL3級(jí)的冗余或容錯(cuò)可編程控制器。此邏輯運(yùn)算器常用的結(jié)構(gòu)為二取一的自帶診斷性能、三取二結(jié)構(gòu)以及雙重化的二取一等。根據(jù)上面的設(shè)計(jì)要求，邏輯運(yùn)算器的容錯(cuò)性能可以很好的識(shí)別和排除故障，保證系統(tǒng)按照正確的程序執(zhí)行。

4.安全儀表系統(tǒng)供電方案的探討

在石油化工的供電系統(tǒng)中，經(jīng)常采用的是交流220V、交流110V、直流24V電源供電。如果不能正確地采用供電方式，就會(huì)導(dǎo)致一定的安全事故，影響系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求研究了以下3種方式的供電情況。

（1）DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)組成的雙回路供電系統(tǒng)

分散的回路供電系統(tǒng)，能夠保證整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。除此之外，對(duì)關(guān)鍵部位的供電都要采取冗余和容錯(cuò)原則，分別獨(dú)立的供電來(lái)源，不會(huì)發(fā)生一個(gè)出現(xiàn)故障而另外一個(gè)就不能工作的情況，使得系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性得到很大的提高。

（2）直流供電的冗余配置

為了保證供電的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對(duì)其設(shè)備供應(yīng)的24V直流電采用不同電源來(lái)獲得，兩者之間是并聯(lián)形式和相互隔離的，并且加上解耦二極管。兩路的電源分別來(lái)自不間斷的穩(wěn)壓電源和市電。

（3）單相交流220V安全儀表供電方案

在石油化工企業(yè)中，所運(yùn)用的監(jiān)控儀表大多為分析儀表、位移儀等。對(duì)供電要求相對(duì)較低，從經(jīng)濟(jì)性來(lái)考慮的話，可以用市電的單相供電，降低了線路的復(fù)雜程度。在供電的時(shí)候，采取STS靜態(tài)開關(guān)，其能很好地切換電源，提升了供電的可靠性。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了安全儀表系統(tǒng)的內(nèi)容，并根據(jù)安全等級(jí)來(lái)對(duì)儀表系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)儀表設(shè)計(jì)原則的闡述，明確了設(shè)計(jì)方向和重點(diǎn)注意的對(duì)象。根據(jù)上面介紹，對(duì)安全儀表系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了傳感器的類型、邏輯結(jié)構(gòu)、執(zhí)行元件的安裝以及其他的接口設(shè)計(jì)，最后探討了儀表供電系統(tǒng)的配置方案。通過(guò)上述的分析，可以發(fā)現(xiàn)合理的安全儀表系統(tǒng)不僅能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，而且能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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