石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計

張將

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石油化工企業(yè)的規(guī)模和生產(chǎn)設(shè)備的自動化都在不斷擴(kuò)大和更新。與此同時，石油化工的安全問題就暴露出來了，由于化工企業(yè)危害性比較大，這就需要引起人們的高度重視。與此同時，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用自動化儀表和控制設(shè)備技術(shù)來控制安全的手段也日益豐富。本文介紹了石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，探討了安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計與實施，展望了安全儀表系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】石油化工；安全儀表；系統(tǒng)；設(shè)計

隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，在安全儀表系統(tǒng)設(shè)計中，引入了安全等級的概念，就是要求設(shè)計人員在對一個具體生產(chǎn)裝置設(shè)計時，首先應(yīng)該對其安全等級要求進(jìn)行評估，確定其安全等級范圍，以避免設(shè)計的盲目性，造成不必要的浪費(fèi)，這樣一來不僅有利于石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計的進(jìn)步，還為我國經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1安全儀表系統(tǒng)的綜述

所謂的安全儀表系統(tǒng)就是保證儀表安全運(yùn)行的系統(tǒng)，主要是由邏輯運(yùn)算器、傳感器、執(zhí)行軟件以及配套的軟件系統(tǒng)。一旦生產(chǎn)過程中出現(xiàn)報警，儀表的安全系統(tǒng)就會自動響應(yīng)，自動執(zhí)行安全保護(hù)程序，使得生產(chǎn)人員和裝備處于安全的狀態(tài)。在系統(tǒng)正常檢測的時候，不同的參數(shù)表示不同安全程度，此時就要用安全度等級來表示，簡稱SIL。SIL實際上就是根據(jù)定額時間內(nèi)和相同的條件下，安全儀表系統(tǒng)正常運(yùn)行功能的概率情況，是國際上普遍采用的表征儀表系統(tǒng)可靠度的參數(shù)。根據(jù)國際電工委員會（IEC）的要求，將安全程度的等級分為4類，分別為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。

石油化工儀表的安全系統(tǒng)就是生產(chǎn)工藝的保護(hù)層，其處在第一層，能夠有效地監(jiān)測和預(yù)防危險事件的發(fā)生，因此合理的設(shè)計儀表系統(tǒng)就顯得格外重要。

2安全儀表系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則

2.1確保儀表系統(tǒng)可靠準(zhǔn)確

由于石油化工裝置安全儀表的獨(dú)特作用，設(shè)計的儀表系統(tǒng)，必須確保系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，這是設(shè)計石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遵循的一條重要原則。這就要求在進(jìn)行設(shè)計時，要在系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、軟件編程上要統(tǒng)籌全面考慮，以確保儀表系統(tǒng)絕對安全可靠。比如：必須確保儀表在正常條件下可以安全運(yùn)行，同時，在誤操作、出現(xiàn)供電故障等非常情況下，系統(tǒng)也能夠安全運(yùn)行。

2.2確保儀表功能健全穩(wěn)定

充分發(fā)揮石油化工裝置安全儀表的功能，最大限度地滿足化工行業(yè)對儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)、安全預(yù)警等方面的需求，確保石油化工裝置安全儀表功能健全、系統(tǒng)穩(wěn)定，這也是石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計的重要原則之一。在進(jìn)行石油化工裝置安全儀表設(shè)計時，相關(guān)設(shè)計人員必須要深入研究系統(tǒng)的基本情況，對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場查看，準(zhǔn)確把握儀表工作現(xiàn)場的基本情況，以確保所設(shè)計儀表功能完備，具有良好的適應(yīng)性。

2.3安全故障型原則

SIS應(yīng)該是安全故障型的。SIS的檢測元件以及最終執(zhí)行元件在系統(tǒng)正常時應(yīng)該是勵磁的，在系統(tǒng)不正常時應(yīng)該是非勵磁的，即非勵磁停車設(shè)計。一個理想的SIS應(yīng)該具有100%可用性。但由于系統(tǒng)內(nèi)部的故障概率不能等于零，因此不可能可用性為100%。SIS的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)該為：當(dāng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能自動轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)，即故障安全系統(tǒng)，從而可以避免由于SIS自身故障或因停電、停氣而使生產(chǎn)裝置處于危險狀態(tài)。

2.4確保儀表易于維護(hù)與擴(kuò)展

石油化工行業(yè)對安全性具有特殊的要求，這就要求必須要加強(qiáng)對儀表的維護(hù)與保養(yǎng)，所選用的儀表要易于安裝、便于使用，安全運(yùn)行周期長、維護(hù)簡便。在滿足儀表監(jiān)測、預(yù)警要求的前提下，要盡可能減少系統(tǒng)儀表安裝數(shù)量，而且要降低系統(tǒng)安裝建設(shè)成本，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5確保儀表系統(tǒng)絕對安全

石油化工工業(yè)是基于流程的特殊行業(yè)，所選用的生產(chǎn)材料一般均為危險化學(xué)品，產(chǎn)品也多為易燃易爆品，生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，大多為高溫高壓環(huán)境，極易引發(fā)各類安全事故。隨著石油化工裝置的自動化、現(xiàn)代水平越來越高，對產(chǎn)品的精細(xì)化作業(yè)越來越廣泛，生產(chǎn)作業(yè)條件越來越安全臨界點(diǎn)，從而可能引發(fā)危險的可能性也在不斷增加，這種嚴(yán)峻形勢下，對石油化工儀表系統(tǒng)提出了更高的安全要求。在進(jìn)行儀表系統(tǒng)設(shè)計時，必須確保儀表系統(tǒng)絕對安全，進(jìn)而確保整個系統(tǒng)的絕對安全。

3安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計

安全儀表系統(tǒng)是由不同的硬件組裝起來的，其能夠快速地實現(xiàn)安全儀表所要執(zhí)行的功能要求。根據(jù)功能要求的不同，我們將其分為傳感器類的檢測元件、邏輯運(yùn)算器類的處理元件以及執(zhí)行的元件。

3.1傳感器的設(shè)計

傳感器的精確程度直接影響著系統(tǒng)的安全和靈敏度，因此對其進(jìn)行設(shè)計有著非常重要的意義。為了不受到其他元件的干擾，采用獨(dú)立設(shè)計原則和冗余設(shè)置原則，也就是第1級安全儀表傳感器采用單一的，并且與DCS公用；第2級的安全儀表傳感器采用冗余的，并且與DCS是分開的；第3級的安全儀表傳感器采用冗余的，并且與DCS是分開的。對于邏輯結(jié)構(gòu)的選擇，我們可以設(shè)置為應(yīng)用性能時，采用或結(jié)構(gòu)；當(dāng)為安全性能時，采用與結(jié)構(gòu)；當(dāng)兩者的性能都需要保證的時候，就需要采取三取二的格式。

3.2邏輯運(yùn)算器的設(shè)計

常用的邏輯運(yùn)算器主要是由3種類型組成的，分別是可編程的電子系統(tǒng)、繼電器系統(tǒng)以及二者的混合系統(tǒng)。當(dāng)所選運(yùn)算器為繼電器系統(tǒng)時，整個系統(tǒng)的邏輯計算比較簡單；當(dāng)所選運(yùn)算器為可編程的電子系統(tǒng)時，其可以很好地實現(xiàn)復(fù)雜功能的設(shè)計，并且與其他通信系統(tǒng)進(jìn)行匹配。因此，很多的石油化工企業(yè)都配備了SIL3級的冗余或容錯可編程控制器。此邏輯運(yùn)算器常用的結(jié)構(gòu)為二取一的自帶診斷性能、三取二結(jié)構(gòu)以及雙重化的二取一等。根據(jù)上面的設(shè)計要求，邏輯運(yùn)算器的容錯性能可以很好的識別和排除故障，保證系統(tǒng)按照正確的程序執(zhí)行。

4安全儀表系統(tǒng)供電方案的探討

在石油化工的供電系統(tǒng)中，經(jīng)常采用的是交流220V、交流110V、直流24V電源供電。如果不能正確地采用供電方式，就會導(dǎo)致一定的安全事故，影響系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)設(shè)計的要求研究了以下3種方式的供電情況。

4.1DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)組成的雙回路供電系統(tǒng)

分散的回路供電系統(tǒng)，能夠保證整個監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行。除此之外，對關(guān)鍵部位的供電都要采取冗余和容錯原則，分別獨(dú)立的供電來源，不會發(fā)生一個出現(xiàn)故障而另外一個就不能工作的情況，使得系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性得到很大的提高。

4.2直流供電的冗余配置

為了保證供電的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對其設(shè)備供應(yīng)的24V直流電采用不同電源來獲得，兩者之間是并聯(lián)形式和相互隔離的，并且加上解耦二極管。兩路的電源分別來自不間斷的穩(wěn)壓電源和市電。

4.3單相交流220V安全儀表供電方案

在石油化工企業(yè)中，所運(yùn)用的監(jiān)控儀表大多為分析儀表、位移儀等。對供電要求相對較低，從經(jīng)濟(jì)性來考慮的話，可以用市電的單相供電，降低了線路的復(fù)雜程度。在供電的時候，采取STS靜態(tài)開關(guān)，其能很好地切換電源，提升了供電的可靠性。

5結(jié)語

自改革開放以來，我國社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來越快，生產(chǎn)事故的頻發(fā)使得安全生產(chǎn)受到越來越多的關(guān)注，為確保工廠生產(chǎn)過程的安全，安全儀表系統(tǒng)已越來越多地得到重視并應(yīng)用。安全儀表系統(tǒng)（SIS）是一種安全系統(tǒng)，其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，對設(shè)備可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化，按照規(guī)定及時響應(yīng)和保護(hù)使生產(chǎn)裝置按程序退出，使風(fēng)險降低到最低限度，以確保人員安全，防護(hù)設(shè)備或避免對周圍環(huán)境的污染。基于此，本文主要闡述了安全儀表系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則、石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計策略

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（作者單位：歐薩斯能源環(huán)境設(shè)備（南京）有限公司）