合成氨装置SIS改造方案与实践.docx

檱檱檱檱殗电仪技术合成氨装置SIS改造方案与实践何 谦泸天化股份公司总工办针对化工装置如何合理、有效、经济地实施安全仪表系统( SIS) 改造，结合合成二装置的实际摘 要改造案例，对 SIS 系统改造的方案、内容、步骤等方面进行了全面阐述，并对改造过程中的要点进行了总结。关键词合成氨SIS改造实践在设计 SIS 时，一般应遵循下列 4 个原则2。2 2 1独立设置原则指整个 SIS 系统应独立于过程控制系统 ( 如 DCS) ，以降低控制功能和安全功能同时失效的概 率。解读: 在实际应用中，指作为联锁保护的 SIS 系统应独立设置，不能与 DCS 等控制系统发生关 联，尤其是不能采 用 DCS 等控制系统替代实现， 这种独立，严格意义来讲是包括逻辑运算处理、输 入 / 输出信号、检测单元、以及执行单元，甚至供电 单元( 如 UPS) 在内的整个系统独立。1引言省安监局根据国务院安委会和国家安监局精神要求，于 2009 年 7 月份下发了关于推进全省 危险化学品生产、储存企业自动化控制及安全联 锁技术改造 的 意 见( 川 安 监2009159 号) ，其 中合成氨属于 15 类高危险化工工艺，被列入了改 造范围，要求 2010 年底完成安全仪表系统技术改造，最迟不得超过 2012 年底1。由于上世纪六七十年代国内成套引进的化肥 生产企业，当时的设计都没有 SIS 概念，因此绝大 多数企业的 SIS 是在靠后期的 DCS 改造实现的， 不符合现行 SIS 设计理念和原则。随着国家对生 产安全的高度重视以及上述有关 SIS 改造的明文 规定，这类化工企业实施 SIS 改造势在必行。2 2 2中间环节最少原则指构成 SIS 整个系统的环节应该最少，以 尽可能减少故障点。解读: 在实 际 应 用 中，尽量不用或少用接线 箱、端子柜、端子板、转换器、隔离器、继电器等，且逻辑运算组态优化、力求简洁。安全仪表系统( SIS)22 2 3故障安全型原则2 1SIS 的概念安全仪表系统 ( Safety InstrumentSystem 指当内部或外部原因 使 SIS 失 效 时，被 保 护的对象( 装置) 应按预定的顺序安全停车，自动转 入安全状态。解读: 在实 际 应 用 中，主要包括如下具体情 况:a) 作为输入用的开关信号，采 用 常 闭 触 点， 正常时触点闭合，达到安全极限时触点断开;b) 用于 DO 输出信号隔离用的继电器，采用 正常励磁，联锁正常时其线圈带电，联锁动作时线 圈失电;c) 作为执行单元的电磁阀，采 用 正 常 励 磁， 联锁正常时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电，SIS) 是一种经专门机构认证、具有一定安全度等级，用于生产过程的安全保护系统，是 由 检 测 元 件、各种 I / O 卡件、逻辑运算单元( 控制单元) 、最 终执行机构或元件、以及它们之间的信号传输关系所构成的完整系统。安全仪表系统不仅能响应生产过程因超出安全极限而带来的危险，而且能 检测和处理自身的故障，从而按预定的条件或程 序使生产过程处于安全工况，以确保人员、设备及 工厂周边环境的安全。2 2SIS 设计原则檱殗檱殗258泸 天化科 技2012 年第 4 期值得注意的是，电磁阀不应带手动机构。锁保护。b) 采用国际上成熟、先进的“三取二”电子超 速保护器，实现对透平压缩机组的超速跳车联锁 保护。2 2 4冗余或容错结构原则冗余: 具有指 定 的 独 立 的 N: 1 重 元 件，并 且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。容错: 指在硬件和软件发生故障的情况下，系 统仍具有继续运行的能力。它包括约束故障、检 测故障、故障恢复三方面的功能。解读: 在实际应 用 中，主 要 指 SIS 系 统 CPU、 I / O 卡件、通讯、电源单元等应具有冗余或容错功 能，尤其是系统中央处理器单元CPU，应同时 满足冗余和容错功能。3 3系统规模SIS 系统规模见表 1，系统架构拓扑图如图 1所示。表 1 SIS 系统 I / O 点统计表用途AIDIDO合计工艺联锁机组联锁 小计393574145468521365105102207改造案例3下面以合成二装置 SIS 改造为实际案例，对改造的方案和实施情况进行阐述。3 1装置现状3 1 1 主要解决的问题a) 装置所有联锁均采用 DCS 予以实现，不符 合安全保护系统独立设置的设计原则;b) DCS 无 SOE 功能，快速联锁动作的原因难 以查找，影响事故分析;c) DCS 可靠性、安全性不足以承担装置的安 全保护功能;d) 四大机组 101 J、102 J、103 J 和 105 J 压缩机是 1976 年引进，其超速保护跳车仍采用 机械飞锤实现，存在调试时间长、精度低、可靠性 差、安全性低的问题。3 1 2 改造目的a) 合 规 性: 为符合省安监局下发 的 川 安 监2009159 号文规定要求，进行合成氨装置 ESD技术改造;b) 达标性: 针对蒸汽透平机组，APISTD6122005 明确规定应提供一个完全独立的电子超速 保护系统3，在 APISTD6702000 中对电子超速 保护系统的配置提出了具体要求4，为达到现行 国际标准要求，进行合成氨装置四大机组和引风 机电子超速保护系统技术改造。3 2 总体方案a) 采用国际成熟、先进的、具有 SIL3 安全等 级认证的 ESD 系统对装置的工艺联锁系统和机 组联锁系统进行改造，实现装置和机组的安全联图 1 SIS 系统架构拓扑图3 4主要内容3 4 1联锁系统改造根据改造要求，首先进行联锁分级，采用经验法或 HAZOP 分析方法，结合企业经济状况，对装 置现状进行分析，确定 SIS 系统的安全度等级，以 及需引入 SIS 系统的联锁保护系统。主要考虑如 下:a) 将涉及系统停车、安全环保的重要联锁和 四大机组安 全 保 护 引 入 SIS，将一般联锁保留在 DCS，以减少改造投资;b) 考虑四大机组 ITCC 改造的可能性，在 SIS 中将压缩机联锁保护与工艺联锁相对独立设置， 便于 ITCC 改造时分离。3 4 2机组超速保护系统改造a) 保留四大机组机械飞锤测速装置的基础2592012 年第 4 期泸 天化 科 技上，增设“三取二”电子超速保护系统;SIS 系统。b)每台机组各增设 3 支转速探头，引入“三3 4 6a)时钟同步在 SIS 系统中设置 GPS 时钟主同步装置，取二”电子超速保护系统中实现超速保护跳车联锁;配置 GPS 时钟接收器及客户端软件，实现 SIS 系统主时钟、操作站和工程师站时钟的同步，使趋势 记录、SOE 记录、事件记录等的时钟同步，便于联 锁动作分析和原因查找;c)利用超速保护器的模拟输出，将转速测量信号( 一般为最高转速) 引入 DCS 实现对机组转速的监视。b)3 4 3a)机房及机柜改造机房: 对 现 有 DCS 机房进行相应扩建改 在 SIS 系统的时钟同步装置中预留多个 时钟同步接口，以供 DCS 等其它系统的时钟同步应用。造，设置专门的 SIS 机房;b)3500 系统: 将 3500 系统机柜移至 SIS 机3 4 7HMI 组态房，以便施工维护管理;在操作站 HMI 中通过组态实现如下维护、操作和管理:c)d)继电器: DO 设置隔离继电器;电缆: 除新增点需补放电缆外，原有点均a)1)权限分级管理: 设置如下三级权限:操作员权限: 主要进行所有 HMI 画 面 调利旧继续使用。由于旧点需从 DCS 机柜改至 SIS机柜，造成施工难度大、耗费时间长等问题，因此 采用在端子柜中转接的方式予以实现;e) 共用信号点: 由于个别输入信号既要引入 DCS 控制，又要引入 SIS 参与联锁保护，为了减少 投资，采用信号分配器实现;显、联锁系统复位操作;2)仪表工权限: 主要进行联锁系统的旁路切除和投用操作;3)作。b)1)工程师权限: 主要进行系统维护、管理操f)工程 师 室: 在工程师室内对 DCS 工 程 师系统总貌画面( 如图 2 所示) :可以直接调用查看动态联锁逻辑、历史趋站、SIS 工程师站、3500 组态工作站和数据库服务器站进行统一布置和规范。势、联锁报 警、实 时 报 警、事 件 记 录、SOE 事 件 记录、系统状态等画面;3 4 4a)现场改造对仪表电源制式 进 行 统 一 规 范，将2)在屏幕下方可以实时显示当前报警信息，110VAC 电源改 型 为 24VDC，并 对 其 中 一 些 正 常非励磁的电磁阀改为正常励磁，同时将带手动复 位电磁阀的手动装置取消;并进行确认操作;3)在屏幕下方显示系统通讯、报警旁路、系统机架等状态，以及时间日期和当前权限。b)由于热电偶、热电阻信号易受干扰，且 SISc)1)2)3)4)d)联锁逻辑动态画面( 如图 3 所示) :动态显示各联锁系统的输入、输出状态; 联锁说明;联锁系统复位按钮; 切除 / 投用开关。记录画面: 分为趋势、SOE、报警和事件记系统一般不直接接收 mV 或 RTD 信号，因此进入SIS 的温度测点采用增设现场温度变送器的方法 进行信号转换，同时方便现场温度指示巡检;c)改型。3 4 5a)配合改造对现场联锁接线箱进行更换和通讯原则: 所有参与联锁、控制的 I / O 点均采录画面，方便操作人员及时调显和事故分析;e)报警画面: 分为工艺报警和压缩机报警画用硬接线方式实现;面，以报警示号器的方式进行显示，方便操作人员及时了解报警信息;b)所有 SIS 系统中的 I / O 点通过 Modbus 方式通讯至 DCS 监视;c) 所有 3500 状态监 测 点 通 过 Modbus 方 式 通讯至 DCS 监视，其中联锁点在 3500 系 统 中 采 用继电器卡进行逻辑处理，再用硬接线方式进入f)联锁系统投用统计画面( 如图 4 所示) : 通过对联锁切除开关的状态统计计算，实时显示联锁投用率，便于联锁管理。260泸 天 化 科 技2012 年第 4 期图 2 SIS 系统总貌画面图 3 联锁逻辑动态画面图 4 联锁投用总貌4结束语4 1SIS 改造步骤2612012 年第 4 期泸天化科 技实施 SIS 改造的步骤总结如下:的、非操作性的系统，一般只配置一台工程师站兼SOE 站，放在工程师室内，缺乏灵活性，但是通过 增设操作站，赋予联锁复位、切除、投用等操作，以 及各种画面的显示功能，可以使 SIS 更具操作、维 护、管理等适用性;a)1)立项:根据改造要求，采用经验法或 HAZOP 分析方 法，结合企业经济状况，对装置现状进行分 析，确定 SIS 系统的安全度等级，以及需引入 SIS系统的联锁保护系统;d)1)其它:SIS 与超速保护器连接 跳车电磁阀的方 2)确定具体改造方案，包括现场仪表、配套设施等的改造;式: 由于老装置中的压缩机组跳车电磁阀一般只设置一只，因此在 SIS 和超速保护器连接方式上， 有多种方式供选择，推荐采用 SIS 和超速保护器 的输出接点串联方式，无论两个系统中任何一个 系统出现故障拒动，都不会影响另外一个系统动 作，从而提高系统安全性;3)统计 SIS 系统的规模、新增或更换的仪表设备、主材等;4)5)计算投资估算、编排项目工期计划;项目可研报告、项目立项申请书编写、评审、报批;6)b)1)2)3)下达投资计划，成立项目组。设计: 编写改造方案; 委托项目初步设计，确定项目概算;施工 图 设 计 ( 设 备 采 购合同签订之后 ) ，2)软按钮、开关的设置: 对联锁复位按钮和联锁切除开关，实现的方式也有多种，最原始简单的方式就是在辅助操作台上设置开关、按钮，以硬 接线引入 SIS 的 DI 卡件实现; 或者在 DCS 上采用 组态做成软开关、按钮，以通讯方式引入 SIS 来实 现。上述两种方式都有较大的缺陷，前者会增加 大量的 DI 点，并增加开关、按钮的维护量; 后者须 通过 ModBus 通 讯 方 式 对 SIS 进 行 写 操 作，有 悖 SIS 设计原则。这里推荐通过 SIS 组态在 HMI 上 设置软按钮开关来进行操作，节省 DI 卡件投资， 并能提高可靠性，减少维护量。确定项目预算。c)1)采购:编制 SIS 技 术 规 格 书、仪表采购技术要 求;2)d)1)2) e) f)招投标、评标、签订合同。工程组态:SIS 系统设计联络会、开工会; SIS 系统培训、工程组态、FAT。 安装、调试、投运; 编写、汇总改造竣工资料，组织竣工验收。参考文献1 四川省安监局四川煤监局办公室 川安监2009159 号， 关于推进全省危险化学品生产、储存企业自动化控制及安全联锁 技术改造的意见 2009 7 134 2改造要点实施 SIS 改造时要点总结如下:2中国石化集团北京石油化工工程公司 SHBZ061999石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则 北京: 中 国 石 油 化工集团公司工程建设标准发行站，1999a)联锁分级管理: 实施 SIS 改造的关键在于3APISTD6122005Petroleum，PetrochemicalandNaturalGas-事先对装置进行合理的安全评价，以选择合适的安全度等级，并确定引入 SIS 和保留在 DCS 的联 锁保护系统;IndustriesSteamTurbinesSpecial purposeApplications4 APISTD6702000MachineryProtectionSyste