安全儀表系統(tǒng)(SIS)在聯(lián)堿氨壓縮制冷工序中的應(yīng)用

閆晶辰

(天津渤化永利化工股份有限公司，天堿 300452)

1 生產(chǎn)裝置簡介

天津渤化永利化工股份有限公司聯(lián)堿裝置制冷工序投入安全儀表系統(tǒng)(以下稱SIS系統(tǒng))，并引入生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

聯(lián)堿裝置生產(chǎn)有CO2壓縮、碳化、煅燒、結(jié)晶、真空制鹽、氨壓縮制冷等工序。其中氨壓縮制冷工序液氨儲罐區(qū)單元涉及二級重大危險源，且在存儲、輸送、生產(chǎn)過程中可能因泄漏產(chǎn)生中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故，是聯(lián)堿裝置中最為危險的區(qū)域，因此安全管理不容忽視。

氨壓縮制冷工序的重點(diǎn)設(shè)備有氨壓縮機(jī)3臺、液氨儲罐6個、氣液分離器1臺和蒸發(fā)式冷凝器4臺。重點(diǎn)監(jiān)控工藝包括液氨儲罐液位、氨儲罐管道壓力、壓縮機(jī)主軸承溫度、壓縮機(jī)排氣壓力等。

2 SIS系統(tǒng)簡介

SIS系統(tǒng)的英文全稱是“Safety instrument System”，即安全儀表系統(tǒng)，是根據(jù)美國儀表協(xié)會(ISA)對安全控制系統(tǒng)的定義而定名。包括傳感器(Sensor)、邏輯運(yùn)算器(Logic solver)和執(zhí)行元件(Final element)，其主要作用是當(dāng)生產(chǎn)裝置本身出現(xiàn)故障危險，或人為因素導(dǎo)致危險以及一些不可抗拒因素引發(fā)危險的時候，能立即做出正確反應(yīng)并給出相應(yīng)的邏輯信號，使生產(chǎn)裝置安全聯(lián)鎖或停車，阻止危險的發(fā)生和事故的擴(kuò)散，使危害減少到最小，屬于本安型設(shè)計，是生產(chǎn)工廠自動控制的重要組成部分。

3 SIS系統(tǒng)應(yīng)用的必要性和重要性

依據(jù)前文，本公司氨壓縮制冷工序液氨儲罐區(qū)屬于二級重大危險源，遵照國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局40號令《危險化學(xué)品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》，涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或者二級重大危險源，必須配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)(SIS)。

安全儀表系統(tǒng)(SIS)獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)(DCS/PLC等)，在正常生產(chǎn)過程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，一旦生產(chǎn)裝置或設(shè)備出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時，能夠無擾準(zhǔn)確動作，使生產(chǎn)過程安全停止運(yùn)行或自動導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生，降低企業(yè)損失。

4 安全完整性等級(SIL)的分類評估

安全完整性等級(SIL)是在規(guī)定的時間內(nèi)、在所有規(guī)定的條件下，安全相關(guān)系統(tǒng)成功完成所要求的安全功能的可能性，也就是實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的平均概率所應(yīng)對的等級。

關(guān)于SIS系統(tǒng)的SIL等級評估，當(dāng)達(dá)到需要的安全等級時才需要SIS。也就是在LOPA分析下，首先定一個可接受的風(fēng)險等級，然后查找獨(dú)立保護(hù)層，所有獨(dú)立保護(hù)層的乘積為“中間事件的可能性”，和目標(biāo)可接受值相除，即SIL等級，方法簡單可靠且非常科學(xué)。

表1 SIL等級分類

5 氨壓縮制冷工序中SIS系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)原理

本公司SIS系統(tǒng)應(yīng)用的是浙大中控TCS-900系列，結(jié)構(gòu)采用三重化(TMR)和硬件容錯(HIFT)安全控制技術(shù)，符合TüV Rheinland SIL3認(rèn)證。每個控制器和I/O模塊都有三個獨(dú)立的通道回路，輸入模塊內(nèi)的三個通道同時采集同一個現(xiàn)場信號并分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)表決后發(fā)送到三條I/O總線，控制器從三條I/O總線接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行表決，并將表決后的數(shù)據(jù)送三個獨(dú)立的處理器，各處理器完成數(shù)據(jù)運(yùn)算后，控制器對三通道中的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行表決，并將表決結(jié)果送I/O總線，輸出模塊從I/O總線接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行表決，表決結(jié)果送三個通道進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出處理，處理結(jié)果表決后輸出驅(qū)動信號。控制站I/O模塊和控制器模塊支持冗余設(shè)置，兩個冗余模塊同時工作，無主備之分。冗余模式下，如果檢測到某個模塊出現(xiàn)故障，可在線更換。見圖1。

圖1 三重化技術(shù)系統(tǒng)原理圖

5.2 系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件由工程師站(含操作員站)和安全控制站構(gòu)成，安全控制站由控制器模塊、輸入/輸出模塊及其端子板、網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。系統(tǒng)管理平臺軟件主要包括：SafeContrix組態(tài)軟件、SafeManager軟件、SOE管理軟件、OPC Server軟件。

5.3 SIS系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用

5.3.1 氨壓縮制冷工序的簡要工藝流程

由結(jié)晶工序來的0.35 MPa、0～-5 ℃的氣氨經(jīng)氣液分離器后進(jìn)入氨壓縮機(jī)壓縮，變?yōu)?.6 MPa、90 ℃的氣氨。壓縮后的氣氨，進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器。經(jīng)與水和空氣熱交換后的氣氨冷凝成液氨進(jìn)入液氨儲罐，后液氨送至結(jié)晶工序蒸發(fā)外冷器重新開始制冷循環(huán)。

5.3.2 SIS系統(tǒng)的組成

氨壓縮機(jī)制冷工序SIS系統(tǒng)共計2臺工程師站(含1臺操作員站)，1個控制站， 35個I/O點(diǎn)，其中AI點(diǎn)12個，DI點(diǎn)17個，DO點(diǎn)6個。系統(tǒng)主要硬件配置和監(jiān)控數(shù)據(jù)表見表2、表3。

圖2 氨壓縮制冷工藝簡易流程圖

表2 系統(tǒng)主要硬件配置

表3 SIS監(jiān)控數(shù)據(jù)表

5.3.3 SIS系統(tǒng)的邏輯控制

1)現(xiàn)場液氨儲罐區(qū)共有6個液氨儲罐。每個儲罐上安裝1臺雙法蘭變送器和1臺壓力變送器，用于測量氨儲罐的液位和壓力，并將測量結(jié)果輸出進(jìn)入SIS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的同時參與聯(lián)鎖。6個儲罐分為2組，1#～3#為一組，4#～6#為一組，每組的液位、壓力儀表分別按照2oo3的表決原則，即每組有兩臺液位儀表或壓力儀表指示高于聯(lián)鎖值時輸出，而后兩組再進(jìn)行1oo2表決，最終輸出聯(lián)鎖動作。2oo3表決原則既保證了生產(chǎn)安全又防止單臺儀表故障而誤動作。

2)現(xiàn)場共有4套蒸發(fā)式冷凝器，每套冷凝器南北側(cè)各安裝1臺氨氣濃度檢測報警器。每套蒸發(fā)式冷凝器上的報警器按照2oo2表決原則，即當(dāng)其中一套2臺報警器同時超過聯(lián)鎖值時輸出，而后4套報警器按照1oo4表決原則，最終輸出聯(lián)鎖動作。具體聯(lián)鎖方案如表4。

表4 聯(lián)鎖一覽表

圖3 上位聯(lián)鎖邏輯圖(示例)

5.3.4 SIS系統(tǒng)在氨壓縮制冷工序安全生產(chǎn)中的重要性

如表4聯(lián)鎖一覽表中所示，當(dāng)聯(lián)鎖儀表指示高于聯(lián)鎖設(shè)定值時，觸發(fā)聯(lián)鎖，自動關(guān)閉相應(yīng)的切斷閥或者停止氨壓縮機(jī)運(yùn)行，把儲罐區(qū)液氨儲存量控制在臨界量以下，并保護(hù)氨壓縮機(jī)設(shè)備的安全。否則極易發(fā)生管道爆裂或設(shè)備損壞等事故，嚴(yán)重時可能會產(chǎn)生爆炸，因此安全儀表系統(tǒng)在本生產(chǎn)裝置中發(fā)揮著極其重要且不可替代的作用。

6 總 結(jié)

化工生產(chǎn)由于其物料危險性大、有毒有害、易燃易爆、工藝過程復(fù)雜、高溫與高壓(低溫或真空)等自身特點(diǎn)，安全生產(chǎn)在化工行業(yè)就更為重要。隨著時代的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)方式趨于高度的自動化和連續(xù)化，因此選擇合適的SIS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、儀器儀表、檢測報警儀器并配有可靠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是保障安全生產(chǎn)的前提，也是化工生產(chǎn)的必然趨勢。

以我公司聯(lián)堿裝置氨壓縮機(jī)工序?yàn)閷?shí)際案例，除了SIS系統(tǒng)外還配備了2套PLC系統(tǒng)，主要用于監(jiān)控液氨儲罐、壓縮機(jī)電流、溫度等重要工藝儀表指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)氨壓縮機(jī)的聯(lián)鎖報警及停車功能；1套GDS系統(tǒng)，主要用于監(jiān)控有毒、可燃?xì)怏w濃度，并實(shí)現(xiàn)報警功能。四套系統(tǒng)各司其職又相互聯(lián)系，共同保障著生產(chǎn)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。