安全儀表系統的發展現狀及其在煤化工裝置中的應用

李志鋒

（鶴壁煤電股份有限公司化工分公司儀表公司）

隨著我國化工行業的發展，生產工藝越來越復雜，化工裝置規模逐漸大型化，生產過程逐漸連續化、自動化，因此對自動化控制水平的要求越來越高， 同時對裝置和過程設備的可靠性、安全性的要求也逐步提高。 為了提升風險管控能力，使化工裝置安全運行，降低安全隱患，要求建立安全儀表系統（SIS）。 SIS 的作用是一旦生產發生異常情況，可以讓生產過程安全停止運行或自動進入預定的安全狀態， 保護人員和設備安全，降低風險和經濟損失。

1 SIS 的發展現狀及趨勢

SIS 是一種經專門機構認證， 具有一定安全完整性水平，用于降低生產過程風險的安全保護系統，主要由傳感器、邏輯控制器和最終執行元件組成。 SIS 位于保護層結構的第4 層，如圖1 所示。

最初SIS概念由國外提出并形成標準，且SIS提供商只有HIMA、TRICON 及HONEYWELL 等進口廠家。 而隨著近年來國內石油化工、煤化工等危化品行業的發展，對化工生產的安全要求不斷提高，SIS 的概念也被引入了國內，并不斷完善發展，我國的浙大中控、和利時等廠家也推出了相應的系統，滿足了市場的不同需求。從SIS 的發展過程看，其邏輯控制部分經歷了繼電器到固態邏輯到可編程電子系統等類型的升級換代。

圖1 洋蔥模型

為了更好地指導全國危化品生產企業搞好安全生產工作， 國家安監總局于2014 年11 月13 日下發了《關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》（安監總管三〔2014〕116 號），要求新建化工裝置要經過分析評估建立獨立的SIS，已運行的老裝置也要在規定時間內， 在安全分析評估論證的基礎上，完成SIS 改造。 在今后的安全生產工作中，SIS 的建設、使用、維護將越來越重要。

2 SIS 的基本特點

2.1 與DCS 的區別

DCS 可以看作是一個動態系統，其工作過程是一個持續的過程，在檢測過程中DCS 會連續對過程變量和整個生產過程進行相關的動態運算和控制，以保證生產工作的順利進行。

SIS 是一個靜態系統， 當工況正常時，SIS 主要負責監視生產裝置的運行，若輸出不變，則對生產過程不產生影響； 當工況處于非正常狀態時，SIS 將按照預先設定的程序執行邏輯運算，輸出安全聯鎖或停車信號，使裝置安全停車。

2.2 安全完整性等級

安全完整性是指在規定的時間和條件內，安全儀表系統完成安全儀表功能的平均概率。 安全完整性等級由低到高可分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4， 對應的故障危險平均概率為［0.1，0.01）、［0.01，0.001）、 ［0.001，0.0001）、 ［0.0001，0.00001），評估方法包括保護層分析法、風險矩陣法、校正的風險圖法及經驗法等， 設計要求應兼顧可靠性、可用性、可維護性、可追溯性和經濟性，同時應防止設計不足或過度設計。

2.3 多重冗余及自診斷功能

為了保障SIS 安全功能的穩定性， 一般會設計多重冗余結構來提高整個系統的硬件故障裕度， 避免某些單一故障出現時SIS 無法正常發揮其安全功能，從而出現一系列的安全故障。 除此之外，系統的故障控制和避免失效要求也是保證SIS 安全完整性的必要條件， 而且組成安全儀表系統的每個卡件都必須明確故障診斷的措施和失效后行為， 要確保SIS 不但能夠做到提前檢測風險，還能夠做到及時預防潛在風險，使SIS 的整體診斷覆蓋率達到90%以上。 而且無論是系統硬件還是軟件，都具備承受復雜環境變化的能力。

2.4 具有相關認證

SIS 需符合國際安全標準規定的儀表安全標準，從系統開發階段開始接受第三方認證機構的審查，取得認證資格后方可投入實際運行。 涉及的產品安全認證主要有CB、TUV-GS、CCC、UL、CSA、FCC 及北歐4 國認證等，其中被廣泛使用的是TUV-GS 認證。 TUV-GS 的參考標準是DIN（德國標準協會）和VDE，如果產品有TUV-GS 標志，則說明該產品符合最新的德國和歐洲標準。

3 SIS 的設計要求

3.1 邏輯控制單元

SIS 邏輯控制單元的設計要求如下：

a. CPU 的響應時間包括中央處理單元運算時間與輸入/輸出掃描處理時間， 一般為100～300ms；

b. CPU 的中央處理單元負荷應小于50%；

c. CPU 的內部通信負荷應小于50%，當采用以太網通信時負荷應小于20%。

獨立設置原則： 一般情況下，SIS 應獨立于DCS，其邏輯運算器、執行元件、檢測元件和通信部分都應單獨設置。 對于不能單獨設置的SIS 要確保其作用優先于DCS。 需要注意的是，1 級、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。

冗余設置原則：1 級SIS 可以使用較為單一的邏輯運算器，2 級、3 級SIS 應分別采用冗余或容錯邏輯運算器、冗余容錯邏輯運算器。 除此之外，2 級SIS 的CPU 電源單元和I/O 模件為宜冗余配置，通信單元為應冗余配置；3 級SIS 的CPU電源單元、I/O 模件和通信單元均為應冗余配置。

3.2 測量單元

測量單元的設計要求如下：

a. 測量儀表包括模擬量和開關量儀表兩種，通常SIS 宜采用模擬量測量儀表；

b. 測量儀表宜采用4～20mA 疊加HART 協議傳輸信號的智能變送器；

c. 在爆炸危險場所應采用本安型（Ex i）或隔爆型（Ex d）儀表，當選擇本安型時，需采用隔離式安全柵；

d. 對于現場安裝的測量儀表，其防護等級不得低于IP65；

e. SIS 的輸入信號不宜使用現場總線或其他通信方式，測量儀表和取源點要獨立設置。

3.3 最終執行元件

最終執行元件包括電磁閥、控制閥（調節閥、切斷閥）及電機等，其中控制閥宜采用氣動控制閥，不宜采用電動控制閥。

最終執行元件的設計要求如下：

a. SIS 執行元件要優先于DCS 動作，SIS 閥門應與DCS 分開設置；

b. 電磁閥宜冗余配置， 應采用長期帶電方式，低功耗、隔爆型，由SIS 供電；

c. 閥門必須配置就地閥位指示，執行機構及其外部所有配件（主要包括氣源、關鍵的電氣接線及就地控制盤等）必須能承受1 093℃的高溫，內部所有配件和接線能承受93℃的高溫，且至少持續30min。

4 應用情況

某公司已建成年產60 萬噸甲醇、年產10 萬噸1，4-丁二醇、年產6 萬噸聚四氫呋喃和年產3 000 噸丁二酸酐4 個項目， 其中SIS 有TCS-900 系統、TRICON 系 統、H51q 系統及S7-400FH系統等，且均滿足SIL3 安全等級要求。

廠區中的煤氣化裝置、甲醇裝置、空分裝置、液氨罐區、 甲醇罐區及液化氣站等是重大危險源，按照國家要求，一、二級重大危險源需配置緊急切斷閥。 其中，煤氣化裝置、甲醇裝置和空分裝置均采用的是TRICON 系統， 故此次SIS 實施是在原TRICON 系統上的升級改造，通過設置儲罐緊急切斷閥，實現對一氧化碳變換爐、甲醇合成塔、冷凍站液氨儲罐、中間及成品罐區儲罐和液化氣儲罐的安全聯鎖保護。

對于1，4-丁二醇裝置，在原H51q 系統的基礎上，新增一套TRICON 系統和相應的就地儀表閥門，實現甲醛和儲罐區的安全聯鎖保護。 對于聚四氫呋喃、 丁二酸酐裝置， 新增一套TCS-900系統和相應的就地儀表閥門，實現相關危險化工工藝和儲罐區的安全聯鎖保護。

對于現場儀表，主要涉及壓力、液位及溫度等。 其中，壓力測點選用國內外主流廠家的具備SIL 認證的產品。 液位測量由于涉及儲罐安全交出，宜選用貼壁式液位計，避免在壓力容器上動火開孔作業， 為改造的順利完成提供有利條件。對于溫度儀表，目前國內外缺少具備相關認證資質的廠家。

目前， 可選擇的國內外緊急切斷閥廠家較多，但整閥具備SIL3 認證的廠家不多，需要在選購時仔細甄別。 在舊裝置升級改造時，緊急切斷閥由于大多牽涉重大危險源罐區，所以實現安全交出成為了一個瓶頸問題。

在設計選型時， 在滿足安全性要求的同時，也要考慮可用性。 使用冗余容錯措施可以減小SIS 誤動作幾率。 為了保證SIS 安全功能的正常實現，SIS 的定期測試和維護管理也很重要，必須做到全生命周期管理， 以有效發揮SIS 的安全保障作用。

5 結束語

在煤化工裝置中，安全儀表系統的設計和運行要遵從國家標準，要基于自動化控制、設備造價等因素來實現設備裝置的穩定運行，從而完成風險預警與識別工作。SIS 位于保護層模型的第4層，是通過自動化設備實現危化品企業本質安全的重要保障， 隨著人們安全意識的逐漸提高，SIS的建設與可靠運行將成為今后的主流發展趨勢。