化工安全儀表系統(tǒng)全生命周期管理探討

謝 泉

（安徽實華安全評價有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246000）

化工安全儀表系統(tǒng)（SIS）通常存在危險與風(fēng)險分析不全、設(shè)計選型不當(dāng)、冗余容錯結(jié)構(gòu)不合理、缺乏明確的檢驗測試周期、預(yù)防性維護策略針對性不強等問題，亟須加強和規(guī)范化工行業(yè)安全儀表系統(tǒng)全生命周期管理。

1 化工安全儀表系統(tǒng)的基本概念

安全儀表系統(tǒng)包含檢測單元（傳感器）、控制單元（邏輯控制器）、執(zhí)行單元（切斷閥等最終執(zhí)行元件）?；ぱb置及危化品儲罐正常生產(chǎn)時處于靜止或休眠狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)壓力、溫度、液位、流量、組分等工藝參數(shù)超限的危險狀況時，能夠越過基本過程控制系統(tǒng)（BPCS），發(fā)出警報并執(zhí)行預(yù)定程序，快速、準確地執(zhí)行聯(lián)鎖動作，實現(xiàn)生產(chǎn)過程緊急停車或自動導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)。

安全儀表系統(tǒng)的全生命周期是指從生產(chǎn)工藝過程的風(fēng)險識別開始，找出風(fēng)險管控的方案，確認必需安全聯(lián)鎖回路及其功能，再對安全儀表系統(tǒng)進行工程設(shè)計、安裝、驗收、投用、維護，改進、拆除等完整過程。

2 設(shè)置化工安全儀表的基本原則

2.1 安全性原則

為確保化工裝置的生產(chǎn)安全，安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具有和生產(chǎn)工藝過程相匹配的安全完整性等級（SIL），依據(jù)國際電工委員會標準IEC61508《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》的規(guī)定，安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級自低到高分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL 4 等4 個不同的級別[1]。化工行業(yè)安全儀表的安全完整性等級在SIL1～SIL3 之間，SIL4 級別主要用于核工業(yè)。安全儀表系統(tǒng)等級差異體現(xiàn)在設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、維護等方面的技術(shù)要求均不相同。安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級越高，就代表該系統(tǒng)的安全系數(shù)越高，各類功能的失效概率越低。

2.2 獨立性原則

在化工生產(chǎn)過程出現(xiàn)超限工況時，安全儀表系統(tǒng)能夠不依附基本過程控制系統(tǒng)（BPCS），獨立完成安全聯(lián)鎖、緊急停車等安全保護功能。安全儀表系統(tǒng)的電源、通訊模塊、檢測元件、邏輯控制器、執(zhí)行元件等均應(yīng)單獨設(shè)置，不與基本過程控制系統(tǒng)共用。中央控制室及現(xiàn)場機柜間應(yīng)設(shè)置SIS 系統(tǒng)專用的工程師站、輔操臺、報警器、系統(tǒng)機柜、輔助機柜等。

2.3 故障安全型原則

安全儀表系統(tǒng)應(yīng)屬于安全故障類型，當(dāng)安全儀表系統(tǒng)本身發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠自動轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)，以此來避免生產(chǎn)設(shè)備由于安全儀表系統(tǒng)本身的故障或意外情況處于不安全狀態(tài)。在進行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)對系統(tǒng)設(shè)計、組件選擇、軟件編程等進行全面、綜合的考慮，必須要保證系統(tǒng)的絕對安全性[2]。

2.4 可用性原則

化工安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具備軟件和硬件測試和自診斷功能，通過設(shè)置必要的旁路開關(guān)以減少因系統(tǒng)維護不當(dāng)導(dǎo)致的停車。但儀表輸出信號不可以設(shè)旁路、手動停車輸入信號不可以設(shè)旁路、具有冗余表決要求的傳感器不可以設(shè)旁路，以防止因誤操作導(dǎo)致事故。為滿足在線測試儀表的要求，必要時可采取對故障開狀態(tài)的閥門增加手動截止閥、對故障關(guān)狀態(tài)的閥門增加手動旁通閥、延長儀表測試周期、提高系統(tǒng)冗余配置等技術(shù)措施。安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具備易于安裝、方便維護和有利擴展的特點，以此來降低運行維護成本。

2.5 標準認證原則

安全儀表系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)都須嚴格遵守標準并取得認證。安全儀表系統(tǒng)中應(yīng)使用正式版本軟件，儀表硬件應(yīng)取得計量認證，易燃易爆場所安裝的儀表應(yīng)符合相應(yīng)等級電氣防爆要求。

3 化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

化工安全儀表系統(tǒng)由檢測單元（傳感器）、控制單元（邏輯控制器）、執(zhí)行單元（切斷閥等最終執(zhí)行元件）等部分組成，下面從4 個方面對化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計進行具體分析。

3.1 檢測單元的設(shè)計

檢測元件是化工安全儀表系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)的檢測精度和安全性產(chǎn)生直接影響。安全儀表系統(tǒng)的檢測元件設(shè)計選型時，要遵循獨立設(shè)置原則，即SIS 系統(tǒng)檢測元件與DCS 檢測元件分開設(shè)置。同時還須遵循冗余設(shè)計原則，即安全完整性等級SIL1 聯(lián)鎖回路的檢測元件可以單一設(shè)置，SIL2 及SIL3 檢測元件應(yīng)采用冗余設(shè)置[3]?；ぐ踩珒x表系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)遵循冗余選擇原則，在保證系統(tǒng)的安全性時，可采用“或”邏輯，在保證系統(tǒng)的可用性時，可采用“與”邏輯，要想使得系統(tǒng)的安全性和可用性均得以保證時，可采用“三取二”邏輯結(jié)構(gòu)?；ぐ踩珒x表系統(tǒng)中的檢測元件應(yīng)采用電氣防爆的變送器，不能使用開關(guān)型傳感器，否則可能導(dǎo)致安全事故。檢測元件應(yīng)由SIS 系統(tǒng)供電。

3.2 控制單元的設(shè)計

控制單元的邏輯控制器主要包括繼電器系統(tǒng)、可編程電子系統(tǒng)和混合系統(tǒng)3 種類型。可編程電子系統(tǒng)主要用于邏輯功能復(fù)雜的場合，可以是經(jīng)過TUV 認證的PLC 系統(tǒng)、DCS 系統(tǒng)和其他專用系統(tǒng)。繼電器系統(tǒng)主要用于邏輯功能相對比較簡單的場合。安全儀表系統(tǒng)的邏輯運算器設(shè)計時，須要遵循獨立設(shè)置原則，即SIS 系統(tǒng)邏輯運算器與DCS 系統(tǒng)邏輯運算器分開設(shè)置。根據(jù)冗余設(shè)置原則，SIL1 級SIS 可以使用單一的邏輯運算器、SIL2 級SIS 可使用冗余或容錯邏輯運算器、SIL3 級SIS 可使用冗余容錯邏輯運算器。

3.3 執(zhí)行單元的設(shè)計

執(zhí)行單元的切斷閥等最終執(zhí)行元件通過執(zhí)行邏輯控制器的指令，實現(xiàn)工藝系統(tǒng)的安全狀態(tài)，降低事故發(fā)生的概率。氣動切斷閥或調(diào)節(jié)閥等最終執(zhí)行元件須要采取冗余設(shè)計的電磁閥，電磁閥通常安裝在執(zhí)行機構(gòu)和閥門定位器之間。安全完整性等級高的SIF 回路的最終執(zhí)行元件應(yīng)采用冗余閥門，配套電磁閥應(yīng)采用冗余結(jié)構(gòu)?？紤]系統(tǒng)可用性時，電磁閥可設(shè)計成“二取二”、“與”邏輯結(jié)構(gòu)；考慮系統(tǒng)安全性時，電磁閥可設(shè)計成 “二取一”、“或”邏輯結(jié)構(gòu)。

3.4 不同結(jié)構(gòu)安全儀表系統(tǒng)的分析比較

化工安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在工程控制中得到了廣泛使用，但存在系統(tǒng)龐大、可靠性低、維護困難、無自診功能、不能與DCS 系統(tǒng)通訊等弊端，目前正逐漸被淘汰。PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)石油化工裝置，具有體積小、靈活性好、可編程和擴展修改方便、具有自診功能、可靠性高、可與 DCS 通訊等優(yōu)勢，且安全等級在SIL2～SIL3 之間，但只有取得安全證書的PLC 才能夠作為SIS 的邏輯部件[4]。TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可適用于任何工業(yè)過程，TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SIS 主處理器、電源和I/O 模塊采用三重化冗余配置，可以實現(xiàn)在線更換。TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SIS 采用的容錯技術(shù)進行三取二表決，能夠?qū)踩到y(tǒng)的隱性故障和顯性故障降到最低。

4 安全儀表全生命周期管理的重點

4.1 重視安全儀表系統(tǒng)的SIL 定級

根據(jù)化工工藝過程的安全要求及設(shè)計意圖，在工藝過程危險可操作分析（HAZOP）的基礎(chǔ)上，采用保護層分析（LOPA）方法，依據(jù)風(fēng)險矩陣，審查每個安全儀表功能（SIF）相關(guān)的事故場景、風(fēng)險程度、初始事件頻率、保護層等，確定每個聯(lián)鎖回路的SIF 需要達到的安全完整性等級（SIL 定級）。

4.2 規(guī)范安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計及SIL 驗算

設(shè)計單位應(yīng)根據(jù)過程工藝安全要求和安全儀表規(guī)格書（SRS），通過儀表選型、子系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)選擇、確定檢驗測試方法及測試周期、開展SIF 驗算等設(shè)計流程，確認安全儀表功能，明確工藝過程的安全狀態(tài)，確保實現(xiàn)降低工藝過程風(fēng)險的要求。開展安全儀表功能評估（SIL 驗算），根據(jù)IEC61508/IEC61511 的要求，對各SIF 回路的PFDavg及MTTFs 進行計算并審查硬件結(jié)構(gòu)約束特性，確定每個SIF 能否達到SIL 定級的要求。

4.3 嚴格安裝調(diào)試和聯(lián)合驗收

化工企業(yè)應(yīng)制定安全儀表系統(tǒng)安裝調(diào)試與聯(lián)合驗收方案，建立施工及調(diào)試管理臺賬，記錄儀表安裝、調(diào)試、功能確認和結(jié)果。安全儀表系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，企業(yè)在安全儀表系統(tǒng)投運前，應(yīng)按安全儀表設(shè)計文件以及相關(guān)儀表施工驗收規(guī)范的要求，組織相關(guān)各方對安全儀表系統(tǒng)進行聯(lián)合驗收，確保安全儀表系統(tǒng)各聯(lián)鎖回路的安全完整性等級符合要求，具備安全投用條件。

4.4 加強安全儀表系統(tǒng)測試及維護管理

化工企業(yè)應(yīng)制定安全儀表系統(tǒng)的操作、測試及維護技術(shù)規(guī)程，建立安全儀表采購、系統(tǒng)聯(lián)鎖投用及摘除審批管理、儀表變更管理等制度，應(yīng)按照測試周期對安全儀表進行定期檢驗測試，定期進行儀表系統(tǒng)校驗，建立安全儀表測試及維護保養(yǎng)臺賬記錄。及時對儀表失效、誤動作、聯(lián)鎖及旁路等進行分析處理，建立安全儀表失效數(shù)據(jù)庫，確保安全儀表系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)功能安全。

4.5 培養(yǎng)專業(yè)的安全儀表技術(shù)及管理人員

根據(jù)安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、驗收、投用、維護、改進、拆除等全生命周期不同階段的特點，對設(shè)計、安裝、調(diào)試、操作及維護等儀表工程技術(shù)及管理人員開展針對性的培訓(xùn)，培養(yǎng)一批掌握安全儀表專業(yè)知識、熟悉安全儀表設(shè)計規(guī)范、具備安全儀表功能測試及保養(yǎng)能力的安全儀表工程技術(shù)及管理人員，滿足化工行業(yè)安全儀表功能安全管理工作的需要。

5 結(jié)論

化工安全儀表系統(tǒng)是保障化工行業(yè)安全生產(chǎn)的重要措施，加強化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計、安裝、驗收、投用、維護、改進等全生命周期管理，培養(yǎng)合格的安全儀表工程技術(shù)及管理人員，把安全儀表功能安全管理融入化工企業(yè)安全管理體系，提升化工過程安全管理水平，才能保證化工裝置長周期、穩(wěn)定生產(chǎn)運行，保障化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。