石油化工裝置安全儀表系統的設計

李冬生

摘 要：自改革開放以來，我國社會和經濟的發展越來越快，生產事故的頻發使得安全生產受到越來越多的關注，為確保工廠生產過程的安全，安全儀表系統已越來越多地得到重視并應用。安全儀表系統（SIS）是一種安全系統，其應用于工業生產過程中，對設備可能發生的危險或不采取措施將繼續惡化，按照規定及時響應和保護使生產裝置按程序退出，使風險降低到最低限度，以確保人員安全，防護設備或避免對周圍環境的污染。基于此，本文主要闡述了安全儀表系統設計應遵循的基本原則、石油化工裝置安全儀表系統的設計策略，以供參考。

關鍵詞：石油化工裝置安全儀表系統 設計策略

在石油化工裝置生產過程中，安全儀表系統對石油化工裝置安全運行負有重要監測、預警及保護作用，因此，在設計時必須堅持科學、高標準，提高安全等級，在確保系統自身安全運行的同時，提高儀表系統的監測精度，縮短安全狀態預警響應時間。

一、安全儀表系統設計應遵循的基本原則

1.1確保儀表系統可靠準確

由于石油化工裝置安全儀表的獨特作用，設計的儀表系統，必須確保系統能夠長期安全、可靠、穩定運行，這是設計石油化工裝置安全儀表系統應當遵循的一條重要原則。這就要求在進行設計時，要在系統設計、元器件選擇、軟件編程上要統籌全面考慮，以確保儀表系統絕對安全可靠。比如：必須確保儀表在正常條件下可以安全運行，同時，在誤操作、出現供電故障等非常情況下，系統也能夠安全運行。

1.2確保儀表功能健全穩定

充分發揮石油化工裝置安全儀表的功能，最大限度地滿足化工行業對儀表監測數據、安全預警等方面的需求，確保石油化工裝置安全儀表功能健全、系統穩定，這也是石油化工裝置安全儀表系統設計的重要原則之一。在進行石油化工裝置安全儀表設計時，相關設計人員必須要深入研究系統的基本情況，對生產現場進行現場查看，準確把握儀表工作現場的基本情況，以確保所設計儀表功能完備，具有良好的適應性。

1.3安全故障型原則

SIS應該是安全故障型的。SIS的檢測元件以及最終執行元件在系統正常時應該是勵磁的，在系統不正常時應該是非勵磁的，即非勵磁停車設計。一個理想的SIS應該具有100%可用性。但由于系統內部的故障概率不能等于零，因此不可能可用性為100%。SIS的設計目標應該為：當出現故障時，系統能自動轉入安全狀態，即故障安全系統，從而可以避免由于SIS自身故障或因停電、停氣而使生產裝置處于危險狀態。

1.4確保儀表易于維護與擴展

石油化工行業對安全性具有特殊的要求，這就要求必須要加強對儀表的維護與保養，所選用的儀表要易于安裝、便于使用，安全運行周期長、維護簡便。在滿足儀表監測、預警要求的前提下，要盡可能減少系統儀表安裝數量，而且要降低系統安裝建設成本，提高系統的經濟效益。

1.5確保儀表系統絕對安全

石油化工工業是基于流程的特殊行業，所選用的生產材料一般均為危險化學品，產品也多為易燃易爆品，生產環境較為惡劣，大多為高溫高壓環境，極易引發各類安全事故。隨著石油化工裝置的自動化、現代水平越來越高，對產品的精細化作業越來越廣泛，生產作業條件越來越安全臨界點，從而可能引發危險的可能性也在不斷增加，這種嚴峻形勢下，對石油化工儀表系統提出了更高的安全要求。在進行儀表系統設計時，必須確保儀表系統絕對安全，進而確保整個系統的絕對安全。

二、石油化工裝置安全儀表系統的設計策略

2.1檢測傳感元件設計安全

安全儀表系統的安全度等級越高，安全系統實現所要求的安全功能失敗的可能性就越低。IEC61508標準根據安全系統滿足安全要求的程度將安全系統分為4個等級：SIL1-SIL4，SIL1最低，SIL4最高。儀表系統檢測、傳感元件是石油化工裝置安全儀表系統的重要組成部分，其性能直接決定著整個系統的安全與檢測精度。在進行檢測傳感元件設計時，要遵循獨立設置原則，就是1級SIS傳感器可與DCS共用，2級SIS傳感器宜與DCS分開，3級SIS傳感器應與DCS分開。遵循冗余設置原則，即1級SIS傳感器可采用單一的傳感器，2級SIS傳感器宜采用冗余的傳感器，3級SIS傳感器應采用冗余的傳感器。同時要遵循冗余選擇原則，即保證系統的安全性時，采用“或”邏輯結構；保證系統的可用性時，采用“與”邏輯結構；當系統的安全性和可用性均需保證時，采用“三取二”邏輯結構；傳感器宜采用4～20mA疊加HART傳輸信號的智能變送器，不宜采用開關型傳感器；傳感器由SIS系統供電。

2.2系統的邏輯運算器設計與選用

SIS邏輯運算器主要包括：繼電器系統，可編程序電子系統，混合系統三種類型。繼電器主要用于邏輯功能較簡單的場合；可編程電子系統用于邏輯功能復雜，與DCS、MES通信等場合；可編程電子系統可以是經TUV認證的PLC系統，也可是DCS和其他專用系統。依據獨立設置原則：1級SIS邏輯運算器宜與DCS分開；2級SIS邏輯運算器應與DCS分開；3級SIS邏輯運算器必須與DCS分開。依據冗余設置原則：1級SIS可采用單一的邏輯運算器；2級SIS宜采用冗余或容錯邏輯運算器；3級SIS應采用冗余容錯邏輯運算器。

2.3執行元件的聯鎖保護設計

保護系統是系統安全的保護傘，可以在發生相關危險時，快速做出反應，采取相應措施減少發生事故的概率。執行元件聯鎖保護機構主要用于對相關工藝設備及產品流程控制上，實現對過程流量的監測與控制。一旦出現外部條件或過程參數超出了安全操作范圍，執行元件聯鎖保護裝置將對動作，自動調整相關機構，使流量等回歸安全態勢，以確保系統安全。

2.4SIS的系統評價

SIS是為生產過程的安全而設置的，在工藝參數偏離允許范圍時系統必須正確無誤地執行安全程序。其可靠性（可用度）和安全性（故障安全）是評價SIS好壞的兩個重要指標。但是可用度并不代表系統故障安全。它們的區別在于：可用度是基于導致系統停車的故障進行計算的，可是對引起系統進入安全狀態的故障和引起系統進入危險狀態的故障是不區別的，它是系統故障頻度的度量；故障安全是指系統在故障時按己預知的方式進入安全狀態。高可用度的重要性在于系統很少出現進入安全狀態或危險狀態的故障；故障安全的重要性在于即使系統出現故障，也不會出現災難性事故。一個好的SIS，既應該有較高的可靠性，又具有很高的安全性。

三、結束語

綜上所述，隨著我國社會和經濟的快速發展，科學技術也在不斷進步，在SIS系統設計中，引入了安全等級的概念，就是要求設計人員在對一個具體生產裝置SIS設計時，首先應該對其安全等級要求進行評估，確定其安全等級范圍，以避免設計的盲目性，造成不必要的浪費，這樣一來不僅有利于石油化工裝置安全儀表系統設計的進步，還為我國經濟的整體發展奠定良好的基礎。

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