煤化工儀表聯鎖保護系統的完善

馮 飛

(中國中煤能源集團有限公司，北京 100013)

我國新型、大型煤化工項目起步于“十二五”期間，隨著一批示范項目建成投產，煤化工產業在“十三五”期間得到快速發展。煤制合成氨聯產尿素、硝酸硝銨，煤制甲醇聯產聚烯烴是煤化工產業主要產品技術路線，相關煤化工企業屬于“兩重點一重大”危化品生產企業，生產過程中需要高溫、高壓的反應條件，伴隨有毒、有害、易燃、易爆物料，安生生產壓力大，安全監管要求高。按照法律法規要求，危化品生產企業需要配備儀表聯鎖保護系統等自動化安全設施，在生產過程異常時，引發危險后果前，通過自動終止化學反應、緊急停止大型機組設備、快速啟動泄壓設施，使生產裝置轉入安全狀態。

煤化工企業常用的儀表聯鎖保護系統包括SIS(安全儀表系統)、ESD(緊急停車系統)等。由于我國煤化工產業起步晚，相關技術不夠成熟，專業技術人員短缺，導致早期建設的煤化工項目儀表聯鎖保護系統存在原設計不滿足現行法律法規和設計標準要求、設置不完善、管理不健全等缺陷。當儀表聯鎖保護系統因為缺陷在需要聯鎖保護動作時拒動，就可能導致設備損害，甚至引發火災爆炸，造成財產損失、人員傷亡等嚴重后果，例如，某企業氮壓機因三級軸承溫度聯鎖拒動導致三級軸瓦嚴重損壞；而聯鎖保護系統頻繁誤動，則會造成生產裝置波動、非計劃停車，嚴重影響企業安、穩、長、滿、優運行，例如，某企業一年內因儀表聯鎖誤動非計劃停車6次，造成上千萬的經濟損失。因此，煤化工企業需要通過完善設計、優化設置、強化管理等手段提高儀表聯鎖保護系統的可靠性和可用性，保證儀表聯鎖有效發揮保護作用。

1 儀表聯鎖保護系統的設計完善

1.1 SIS系統的獨立性設置

安全儀表系統作為儀表聯鎖保護系統，需要獨立完成安全儀表功能。安監總管三〔2014〕116號《國家安全監管總局關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》明確要求，安全儀表系統應獨立于基本過程控制系統，要求依據法律法規和標準規范進行安全風險評估，確定風險降低要求，在保證安全儀表功能的功能性和完整性要求下，編制安全儀表系統安全要求技術文件，依據技術文件進行安全儀表系統的設計。

然而，2014年前設計投產的煤化工項目在安全儀表系統設計方面存在以下3種未獨立設置的情況：一是“兩重點一重大”裝置所有聯鎖均由DCS系統實現，未設置安全儀表系統，即整體安全儀表系統的未獨立；二是裝置已有SIS系統，但經過安全儀表完整性等級評估后發現部分SIL1(安全完整性等級1級)以上等級安全儀表功能由DCS實現，未放入SIS系統，即部分安全功能的未獨立；三是裝置安全儀表功能的條件、邏輯或結果一部分在SIS系統，另一部分在DCS系統，整個安全功能的執行需要SIS與DCS共同動作，即安全功能的部分未獨立。

1.1.1 安全儀表系統整體獨立設置完善

部分煤化工企業“兩重點一重大”裝置因為設計較早，設計標準不高，在建廠階段未設置SIS系統，根據法律法規需增設安全儀表系統。

某煤化工企業年產18萬t合成氨裝置及罐區沒有設置SIS系統，而合成氨工藝是首批重點監管的危險化工工藝，合成氨工藝產生的液氨和氨氣是重點監管危化品，氨罐區屬于1級重大危險源。由于沒有設置安全儀表系統，氨罐區按照安監總管三〔2017〕121號《化工和危險化學品生產經營單位重大生產安全事故隱患判定標準(試行)》可判定為重大生產安全事故隱患。針對該問題，企業組織對合成氨裝置及罐區進行安全儀表系統設計，根據SIL定級分析報告，在不改變原有聯鎖邏輯關系和相關設置參數的條件下，將聯鎖組態移至新增的安全儀表系統中，測量變送器和執行機構與DCS分離，無法分離的新增儀表設備；并對整個SIS系統進行SIL等級驗證，保證安全儀表功能完整性。

1.1.2 完善部分安全功能的獨立設置

煤化工項目部分安全功能未獨立設置的主要原因是項目設計前未做SIL評估，未確定安全儀表功能并按安全功能需求設計SIS系統。企業在對現役裝置進行SIL評估后，發現個別安全功能未設置聯鎖保護或聯鎖保護由基本過程控制系統實現，不滿足法律法規要求。

某煤化工企業對全廠裝置進行SIL評估后，發現26個SIL1及以上聯鎖回路設置在DCS系統，例如煤漿槽液位低低聯鎖，通過LOPA(保護層分析)分析，液位低低導致后果中財產損失可達1 180萬元，要求的PFD(要求危險失效概率)為<1e-2，要求達到SIL1級，經過驗證該功能PFD為2.03E-03，整體達到的SIL1級，但由于該聯鎖設置在DCS系統，根據法律法規和標準規范要求，將該功能移入SIS系統，實現安全儀表功能的獨立設置。

1.1.3 完善安全功能部分未獨立的設置

煤化工項目安全功能部分未獨立主要違反了GB/T 50770《石油化工安全儀表系統設計規范》關于“安全儀表系統應獨立完成安全儀表功能”和“基本過程控制系統不應介入安全儀表系統的運行和運算”的安全儀表系統設計基本原則。

例如，某煤化工企業液氨槽液位高高聯鎖進口液位調節閥關閉，液位變送信號進SIS系統進行邏輯運算，結果輸出到DCS系統液位PID功能塊，當液位高高時SIS系統聯鎖DCS系統PID塊輸出為0，使液位調節閥關閉。該聯鎖測量、運算在SIS系統，輸出控制在DCS系統，整個安全功能由SIS與DCS共同執行，沒有實現安全功能的整體獨立性，同時，DCS系統掃描周期為1 s，大大增加了整個安全功能執行周期。由于該安全功能為SIL1級，按照GB/T 50770設計規范要求，SIS可與DCS共用執行元件，因此在調節閥閥門定位器與氣缸間增加電磁閥，由SIS系統控制，保證SIS系統執行動作的優先級，實現了該安全儀表功能由SIS系統的獨立完成。在類似問題整改過程中，若安全功能為SIL2級及以上，SIS系統的執行元件需與基本過程控制系統分開，需要新增切斷閥由SIS系統控制。

1.2 安全儀表系統通訊功能完善

煤化工項目在采用國外專利工藝包時，一些國外工藝包將SIS與DCS系統進行無縫集成設計，2個系統間通過PROFIBUS共用一個通信網絡，實現系統間物理上集成。這種集成方案在國內工程實踐中應用較少，個別設計院在工藝包轉化時以MODBUS代替PROFIBUS進行SIS與DCS系統間聯鎖指令的交互，忽略了兩者協議主體、協議特點和傳輸特點的不同。加載在PROFIBUS上的PROFIsafe通信符合IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》功能安全國際標準，達到SIL3級；而MODBUS不符合相關標準，無法達到SIS系統功能安全通信要求。

例如，某煤化工企業液氮洗裝置采用MODBUS通訊協議，RS485接口進行SIS與DCS的系統集成，聯鎖指令在系統間交互控制，而MODBUS通訊中斷、延時、數據丟包以及RS485半雙工傳輸方式對裝置安全穩定運行帶來隱患。同時，該通訊方案也不符合GB/T 50770關于“除旁路信號和復位信號外，基本過程控制系統不應采用通信方式向安全儀表系統發送指令”的設計要求。企業按照GB/T 50770設計規范，對液氮洗裝置SIS與DCS系統間信號重新梳理，將安全儀表功能回路全部移入SIS系統，非安全功能信號采用硬接線方式進行系統間信號傳輸，保證系統間通訊及信號交互符合規范。

2 聯鎖方案的優化

聯鎖儀表誤動作是困擾煤化工企業儀表聯鎖保護系統運行的主要問題，一個關鍵聯鎖回路的誤動作會導致一次全廠性的非計劃停車事故，造成上百萬元的財產損失。為了避免聯鎖儀表誤動引起非計劃停車，企業往往選擇摘除聯鎖，給安全生產帶來隱患，而長期摘除也違反了安監總管三〔2015〕113號《化工(危險化學品)企業安全檢查重點指導目錄》關于安全聯鎖摘除不得超過一個月的相關要求。

煤化工企業可以通過聯鎖條件優化、合理儀表選型提高聯鎖可靠性，減少聯鎖誤動，保證裝置的安全穩定運行。

2.1 聯鎖條件2oo3

常見聯鎖條件表決的PFD性能關系為2oo2<1oo1<2oo3<1oo2<2oo4，綜合聯鎖儀表的可靠性、可用性要求，重要聯鎖條件可以采用2oo3表決方式進行優化。2oo3聯鎖條件的實施需要從取源部件、變送元件、輸入卡件以及聯鎖邏輯多個部分進行整體優化。取源點獨立，安全柵取自不同的供電模塊，進入3塊不同的輸入卡件實現同種分離，有效降低隨機失效概率；采用不同的測量方式(例如選用差壓變送器、雷達液位計、浮球液位開關進行同一液位聯鎖)實現異種分類，有效降低系統失效和共因失效概率。2oo3聯鎖邏輯根據儀表聯鎖保護系統是否具備儀表故障檢測功能而不同，對于不具備故障檢測功能的系統，按照故障安全原則，當2臺及以上儀表故障時觸發聯鎖動作；對于具備故障檢測功能的系統，當2臺儀表故障時聯鎖表決變為1oo1，當3臺儀表故障時觸發聯鎖動作。

2.2 聯鎖條件延時

信號干擾是聯鎖儀表誤動作的重要原因之一。儀表聯鎖保護系統由大量電子設備組成，會受電阻耦合、電容電感耦合、附加電勢、變頻電磁等電子干擾，也會受到線路虛接、環境擾動等測量干擾。有些干擾可以通過隔離、屏蔽、接地等措施去除，但對于瞬時性干擾通常采用條件延時。在聯鎖條件后增加延時器，當聯鎖條件動作瞬間，啟動延時器計時，在延遲設定時間內只有聯鎖條件保持動作信號才會最終觸發聯鎖；而瞬時信號干擾只會觸發延時器計時，無法保持狀態至計時結束，這樣就可以避免信號瞬時干擾造成的聯鎖誤動作。聯鎖條件延遲時間的設置需要綜合考慮測量對象變化速率、測量儀表靈敏度與干擾信號時長等因素確定，避免條件延遲屏蔽正確的聯鎖動作，通常延遲時間設定為0.5～3 s。對于2oo2聯鎖，因為可靠性較低，可以增加帶延時的1oo2聯鎖，提高可靠性。

2.3 儀表選型優化

聯鎖儀表的誤動作除了信號干擾外，還有一部分原因是所選用儀表在生產工況下無法保證穩定準確的測量，由于指示波動、測量錯誤導致誤停車。煤化工項目可以進行以下儀表選型優化：① 針對蒸汽流量測量，由差壓式改為渦街式；② 針對余熱鍋爐液位測量，由差壓式改為雷達式；③ 針對安裝在振動頻率大的管道上閥門，采用分體式閥門電位器，氣源管選用金屬繞性管；④ 針對因結構約束方面限制安全儀表回路SIL能力的情況，選用SIL等級更高的儀表設備。

3 聯鎖管理的完善

儀表聯鎖保護系統穩定運行既需要技術上的優化，也需要管理上的完善。煤化工產業起步晚，新建企業管理人員來自不同系統，儀表聯鎖管理思路、理念不統一，個別企業聯鎖管理制度一年一大變，聯鎖管理體系不成熟、不健全。總結國家法律法規和石化行業先進做法，煤化工企業聯鎖管理要點概括如下：

(1)做好四項工作。一是評估，按照要求進行安全儀表系統SIL等級評估；二是完善，根據SIL評估結果完善安全儀表系統；三是維護，做好日常巡檢、定期檢驗測試；四是作業，嚴格儀表聯鎖摘除、恢復、取消、變更等作業的審批和票證管理。

(2)落實四個要求。一是分級，儀表聯鎖應按生產影響程度和安全影響程度進行分級管理；二是分類，按照工藝聯鎖和設備聯鎖進行分類管理；三是分功能，根據SIL評估按照安全功能聯鎖和非安全功能聯鎖進行管理；四是分專業，按照儀表、工藝、設備、安全、技術等進行專業管理。

(3)實現兩個目標。一是儀表聯鎖投用達到100%，所有儀表聯鎖有效投用，長周期穩定工作；二是儀表聯鎖動作正確率達到100%，杜絕聯鎖誤動、拒動等情況。

(4)貫穿一條線。管理活動貫穿儀表聯鎖的全生命周期。

4 結 語

主要研究了煤化工企業儀表聯鎖保護系統存在的主要問題，并就問題形成原因、產生后果進行了分析，針對性地提出了問題解決措施，并對處理過程和關鍵技術環節進行了描述。通過規范設計、優化方案、合理選型、完善管理，可以消除系統隱患、減少聯鎖誤動、提高儀表可靠性，使煤化工企業儀表聯鎖保護系統更為完善，為企業安穩長滿優運行提供保障。