大型原油儲罐安全儀表控制系統設計及應用

楊仁淵

摘 要：文章介紹了大型原油儲罐安全儀表控制系統的設計理念及實際應用，以及安全儀表控制系統與其他系統的區別和作用。

關鍵詞：SIS系統;大型原油儲罐;應用實例

中圖分類號：TQ056.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）09-0-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.09.045

原油為可燃有毒介質，且原油儲罐一般屬于大型儲罐，一級重大危險源，罐區一旦發生火災、爆炸事故，易造成重大安全事故。隨著我國科學技術的不斷發展，庫區的安全儀表控制系統在生產過程中不斷得到應用，證實了安全儀表控制系統在安全生產管理中起著重要作用，可以保證油庫區能夠安全生產。

1 安全儀表設計原則

安全儀表控制系統簡稱SIS系統，安全儀表控制系統由邏輯控制器、監測儀表及最終執行元件組成。邏輯控制器采用可編程控制系統，邏輯控制器內部負荷不超過50%，系統的設計應是故障安全型，系統內發生故障時，應能按照故障安全的方式停機。系統必須具有完善的硬件、軟件故障診斷及自診斷功能，自動記錄故障報警并能提示維護人員進行維護。允許在線修改、下裝程序，允許同時運行多個獨立的程序，安全等級必須達到TUV AK5/6，SIL3安全等級。所有電源設備和部件必須雙重或三重硬件冗余，所有I/O卡必須1：1冗余或者TMR。對于冗余的設備，要求具有在線故障診斷、報警、自動切換及維修提示等功能。罐區監測儀表主要包含連續液位計，溫度變送器、壓力變送器、液位開關等。最終執行元件一般采用遠控控制閥門來完成。安全儀表的設計原則是，基于HAZOP分析以及LOPA定級，SIL等級不同、配置不同的安全儀表控制系統。大型原油儲罐區一般等級為SIL2，控制系統應與基本控制系統獨立分開，邏輯控制器、檢測儀表及控制閥門宜采用冗余配置。安全儀表控制系統的電源配置應采用雙UPS電源及一路市電來供給，正常供電由一路UPS電源提供;當出現斷電情況時，系統自帶切換并保證正常運行。機柜內，風扇、照明、插座電源為一路市電提供，這樣可以保證安全儀表控制系統的用電安全[1]。

2 安全儀表控制系統與其他系統的關系

在生產過程中，可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統（GDS）可以起到預警作用，基本過程控制系統（BPCS）能夠保證生產過程的基本正常運行。安全儀表控制系統（SIS）在正常生產時屬于休眠狀態，當出現導致安全事故的情況時，能瞬間快速準確動作，使生產過程自動導入預定的安全狀態。火災報警控制系統承擔著發出火災后的緊急處理工作，防止事故進一步擴大。因此，在整個庫區生產過程中，每個控制系統都應相互獨立、互不影響，才能保證庫區的正常安全運行。

3 安全儀表控制系統在大型原油庫的應用實例

目前，在中國石化集團石油商業儲備有限公司海南分公司原油罐區中，未設置獨立的安全儀表控制系統，將現場檢測儀表及閥門控制信號引入DCS內，與DCS共用一個控制系統，使生產過程中存在安全隱患。在本次改造中，整個庫區設置一套獨立的安全儀表控制系統及配套設施，主要改造內容如下。

3.1 安全儀表控制系統

設置一套獨立的安全儀表控制系統，控制系統的設置要求：必須具有完備的冗余、容錯技術，重要設備和部件必須為2oo3方式的三重化冗余、容錯結構。系統對輸入/輸出模塊和中央處理器模塊都必須具有內部故障診斷功能，并能檢測內部節點的通斷故障;輸出模塊的自診斷電流應小于2 mA，所有模塊都必須經過嚴格的高低溫老化實驗;控制站的所有卡件必須具有防環境腐蝕的能力，必須達到ANSI/ISA S71.04標準G3等級。系統響應時間及掃描速度應小于50 ms，同時應做到對毫秒級事件的記錄，以便對系統本身和過程發生的每一個故障，或導致過程停車的因素，都能及時按實際發生的時間記錄下來。遠程系統必須采用帶SIL3認證的連接模塊，禁止采用交換機的連接方式。I/O卡件必須采用機架式安裝，必須按一個I/O卡件配備一個備用插槽的原則配置。嚴禁采用多個I/O卡件共用1個備用插槽的配置方式，以避免當同一機架內有多個I/O卡件同時發生故障或有多個插槽同時發生故障時，因無法進行在線維護而導致系統停車。聯鎖條件中的檢測儀表信號點不應接在同一塊I/O卡件上，應獨立分開，以保證當卡件出現故障時，均不影響系統的使用。

3.2 檢測儀表

目前，庫區內罐組上的連續液位計采用雷達液位計，采用通訊方式引入現有的DCS系統，高低液位開關采用外貼式液位開關，干接點信號。因此，在本次改造中，將現有雷達液位計通訊信號改為模擬信號，單獨從現場雷達液位計引入安全儀表控制系統，雷達液位計信號與液位開關信號組成二取二聯鎖條件[2]。

3.3 執行元件

控制閥門執行機構分為氣動執行機構、電動執行機構及電液動執行機構三種形式，在安全儀表控制系統設計選擇中，氣動執行機構為優先選擇，但根據現場實際情況，未設置有氣源，因此不采用氣動執行機構。電液動彈簧復位執行機構是一種在無動力情況下可以安全復位的閥門執行機構，可以實現緊急情況下的安全保障，但液壓系統維護量較大，費用較高。電動執行機構目前技術條件比較成熟，維護量少，費用也相對便宜。經過綜合考慮，本項目中選用了電動執行機構，執行機構帶有手輪及防火罩，保證了在出現火情的情況下也能快速切斷。電動執行機構電源配置車載柴油發電機組及EPS應急動力電源裝置，在罐區圍堰外及低壓配電室內分別配置電源轉換開關，閥門的控制電纜及電源電纜均采用耐火電纜。

3.4 系統配置

本項目設有工程師站、操作站、事件打印機等，工程師站、事件打印機放置在中控室工程師室及現場機柜間內，操作站安裝在中控室操作室內。罐區現場的每臺罐，分別設置一個獨立的緊急停車按鈕，按鈕分別安裝在道路兩側各個罐組前。在控制室內設置輔操盤，輔操盤上設置緊急停車按鈕，即每臺罐分別單獨設置一個緊急停車按鈕，全廠設置一個緊急停車按鈕。安全儀表控制系統采用雙冗余的光纖/連接電纜構成的網絡框架，所有的遠程I/O柜通過冗余光纖收發器把光電信號轉換成可接收的Profibus-DP協議信號引入主控柜。工程師站及操作站的配置如下：DELL T5820/雙硬盤、RAID1硬盤;處理器：E5-1067v3（四核/10 MB/3.1 GHz）;內存：4GB RDIMM ECC;硬盤：2*1T、3.5英寸、SATA（7200 Rpm）RAID1硬盤;顯卡：512 MB NVS310獨顯;網卡：集成網卡+兩張ITNEL單口網卡;顯示器：24寸IPS屏（16：10），單顯示器，支持雙屏顯示;通用USB鍵盤和光電鼠標，Windows 10中文專業版操作系統。

3.5 緊急切斷閥的電源配置

根據現場實際操作情況，在緊急情況下，一鍵必須同時關閉一個罐組所有的緊急切斷閥，整個罐區最多有三個罐組在同時操作，因此最多同時切斷6臺緊急切斷閥。每個緊急切斷閥門的功率按3 kW/380V計算，則整個罐區同時關閉緊急切斷閥的用電容量為18 kW。EPS容量應是所供負載中同時工作容量總和的1.1倍以上，負載中最大的單臺直接啟動的電機容量，只占EPS容量的1/7以下。6臺緊急切斷閥同時啟動，啟動電流按7倍考慮，則選用逆變器的容量為130 kW，EPS設備裝機容量為130 kW，額定輸出功率按23 kW，應急供電時間按90 min考慮設計。同時，設置一套車載柴油發電機組，柴油發電機組的容量按100 kW考慮設計，可以滿足正常的用電需求。

3.6 防火罩一般技術要求

滿足UL1709標準，在1 093 ℃下抵抗烴類火災30 min，內部溫度不超過80 ℃，保證執行器能夠正常工作。防火罩與閥門接合緊密，不得有間隙且全部包圍，內表面與被保護件應留有60 mm～100 mm的最小間隙，防火層厚度應為75 mm。外保護層和填充層為環保材料，無毒無害，不含石棉，并確保電氣出入口防火保護處理后不影響防火罩的整體防火性能。

4 自動控制

外貼式液位開關信號與雷達液位計模擬信號組成二取二液位高高液位聯鎖停車，切斷儲罐進出口根部緊急切斷閥。

外貼式液位開關信號與雷達液位計模擬信號組成二取二液位低低聯鎖停車，聯鎖停止裝船泵及關閉泵出口閥門。

在罐區圍堰外側主要道路旁及控制室操作盤上設置手動緊急按鈕，實現罐區現場手動緊急停車功能，按鈕應設計為事故安全型，帶有自鎖功能[3]。

5 安裝要求

電動執行機構的控制電纜及電源電纜采用礦物質耐火護套，采用多芯電纜+現場接線箱的形式。電線電纜采用穿管埋地敷設至電纜溝，電纜直埋地前至現場儀表之間的信號線采用金屬保護管保護，儀表出線孔和保護管之間需加防爆撓性軟管和防爆密封接頭。埋地時，電源電纜與信號電纜分開敷設，間距不小于0.2 m。閥門操作平臺高度距離閥門手輪高度宜為1.5 m，防火罩安裝完畢后不應影響閥門的操作，安裝過程中無需動火、無需對電路進行任何拆解和更改。

6 結語

中國石化集團石油商業儲備有限公司海南分公司原油罐區的安全儀表控制系統（SIS）與基本過程控制系統（BPCS）實現獨立運行，并與全廠的消防系統進行聯網，組成一個完整的、安全可靠的網絡控制系統，提高了全廠運行的自動化水平和安全可靠性，從而保證了庫區的正常安全運行。

參考文獻

[1] 范宗海，馬睿著.石油化工自動控制設計手冊[M].第四版.北京：化學工業出版社，2020.

[2] GB/T 50770-2013，石油化工安全儀表控制系統設計規范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2013.

[3] 中國石化安非[2018]477號，中國石化易燃和可燃液體常壓儲罐區整改指導意見（試行）[S].北京：中國石油化工集團，2018.