石油化工安全论文石油安全论文.pdf

本文由w e n k u z h u c e b a 贡献 p d f 文档可能在WAP端浏览体验不佳 建议您优先选择TXT 或下载源文件到本机 查看 发展与评述 石 油 化 工 自 动 化 2010 5 1 A U T OM A TIO N IN PETR O CH EM ICA L IN DU STR Y 发展与评述 石油化工安全仪表系统的 设计及实施探讨 刘齐忠 林 融 2 中国石化工程建设公司 北京 1 2 1 福建联合石油化工有限公司 一体化项目部 福建 泉州 100101 362800 摘要 随着 石油化工生产 向大型化 一体 化和智能化方 向发展 安全 生产 受到人 们越 来越 多的 关注 从而 使得作 为安 全生产保护 链中最重要一环 的安全仪表系统 SIS 越来越多 地得到研 究和 应 用 介绍 了 SIS 发展 过程 各阶段 安全仪 表设备 的特点及其 与基本过程控制 系统的区别 状及发展趋势 现 基本功 能 全生命 周期和 保护层 的概念 以实 例为 基础详 细探 安 讨了过程风 险分析及 SIL 分 级的方法和步骤 指出了 SIS 在详细设计 和工程实施中的 设计 选型 现场检测和控制 设备配置 联锁 逻辑设 计和工程实施各 阶段的工作要点 并为 SIS 的优化设 计和成功实施提 出 了建设性的 意见 关键词 安全仪表系统 HA ZO P 分析 安全完整性等级 安全生命周期 中图 分类号 T P273 文献标志码 B 文章编号 1007 7324 2010 05 0001 06 Th e Re s e a r c h o n De s i g n a n d Im p l e m e n t a t i o n o f Sa f e t y In s t r u m e n t Sy s t e m s i n Pe t r o c h e m i c a l In d u s t r y L i u Qi z h o n g 1 L i n Ro n g 2 1 F u j i a n Re f i n i n g 2 Si n o p e c En g In c o r p Be i j i n g 100101 Ch i n a Ab s t r a c t A c c o m p a n y w i t h t h e d e v e l o p i n g o f p e t r o c h e m i c a l p r o d u c t i o n t o w a r d s l a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n a n d i n t e l l i g e n t i z a t i o n t h e s a f e t y p r o d u c t i o n i s d e e p l y c o n c e r n e d b y p e o p l e m o r e a n d m o r e t h e r e f o r e t h e Sa f e t y In s t r u m e n t e d Sy s t e m SIS w h i c h i s a m o s t i m p o r t a n t r i n g i n p r o t e c t i v e c h a i n o f s a f e t y p r o d u c t i o n h a s b e e n s t u d i e d a n d a p p l i e d m o r e a n d m o r e T h e d e v e l o p m e n t h i s t o r y d e v e l o p m e n t t r e n d b a s i c f u n c t i o n t h e c o n c e p t o f s a f e t y l i f e c y c l e r i s k a n a l y s i s SIL e v a l u a t i o n d e t a i l e d d e s i g n a n d e n g i n e e r i n g p r a c t i c e h a s b e e n s t u d i e d So m e v a l u a b l e c o m m e n t s h a v e b e e n p r o p o s e d f o r t h e o p t i m u m d e s i g n a n d s u c c e s s f u l i m p l e m e n t a t i o n o f SIS Ke y w o r d s SIS H AZOP a n a l y s i s SIL SL C 0 引 言 随着石油化 工生产持续向着大型化 一体化和 智能化的方向发展 生产规模越来越大 工艺越 来 越复杂 生产事故所带来的危害性和灾难性也越来 越大 同时 由于自动化仪表 检测和控制设备技术 水平的日益提高 可以应用于安全控制的手段也越 来越多 自 20 世纪 70 年代应用继电器搭建的安 全联锁系统 至 80 年代 90 年代的可编程 控制器 紧急停车系统 PL C ESD 到 20 世纪末和 21 世纪 初为实现安全生产和企 业效益的持续提高 具有高 度自动化和安全性的 SIS 应运而生 并在世界范围 内得 到了 广泛的 应用 从 21 世纪 初 以来 尽 管 SIS 在国内的石化行业已得到了较 广泛的应用 但 由于涉及 SIS 的基本概念 定义 设计 制造 检验 及维护 等 方 面 的 标 准 均 来 源 于 国 际 标 准 IEC 61508 及 IEC 61511 等 国内的 设计单位和最终用 户对其并不十分熟悉 在定义 设计 检验 应用及 维护等环 节还 存在 诸多 问题 该文 从基 本概 念 入手 探讨了 SIS 的发 展历程 发展 趋势 基本 功 能 安全生命 周期的 概念 风 险分析 及安 全完 整 性等级 SI L 分级评估 详细设 计和工程实施 等内 容 旨在为 SIS 的优化 设计和成功实 施 提出建 设 p a g e 1 收稿日期 2010 07 10 作者简介 刘齐 忠 1965 男 1987 年 毕业于 湘 潭大学工 业 自动化专业 从事炼油工艺操作 8 年 DCS 维 护开发 7 年 术管理 技 和 项目管理 8 年 现为福建联合石化有限公司一体化项目部 高级技 术经理 仪表经 理 过程控制高级工程师 已发表论文 20 篇 2 石油化工自动化 2010 年 性的意见 为提 高 SIS 的设 计及应用水 平提供有 益的帮助 1 SIS 简介 SIS 的概念按照 IEC 61511 中的定义 由传感 器 逻辑控制器和执行机构组成的 能够行使一项 或多项安全仪表功能的仪表系统 1 1 发展过程各阶段安全仪表设 备的特点 20 世纪 70 年代中期以前 相关安全系统的控 制设备通常由电磁继电器组 成 部分也采用了固态 集成电路构成 安全性高但维护相当繁琐 且对使 用的检测 和控制设备没有严格 要求 20 世纪 80 年代开始采用 P L C 安全性高且易于维护 但没有 与过程控制系统严格分开 对使用的检测和控制设 备没有严格要求 199 6 年 美国国家标准化组织 ANSI 和美国 仪表学会 ISA 的标准 工业生产过程中 安全仪表 系统的应用 发布后 SIS 的概念正式启用 相关规 范性文件也相继推出 特别是在 1998 年 12 月 标 准 IEC 61508 的发布及 2003 年标准 IEC 61511 的 发布 为 SIS 的工业 化应用确定了国际标准 SIS 在随后的时间里逐步得到了大量 的应用 对相关回 路的检测仪表 逻辑控制器和执行器提出了非常明 确的 SIL 要 求或冗余配置要求 使系统在安全性 可 用性和可靠性程度上均达到了一个新高度 但相应 的投资也有了显著的增加 1 2 SIS 与基本过程控制系统的区别 基本过 程控制系统 BPCS 与 SIS 是流程工业 中广泛应用的两种类型的系统 在功能上有 着明确 的分工 其区别见表 1 所列 表 1 BPCS 与 SIS 的区别 内 容 BPCS SIS 监视生 产过程的 状 态 判 断 危 险 条 件 发 生危 险 时 将 生 产 过 程 自动带入安全状态 防止风 险的发生 或 者减轻风险造成的后果 1 3 SIS 的安全生命周期 SIS 功能安全水平的高 低完全取决于其安全 生命周 期 SLC Sa f e t y L i f e Cy c l e 中各阶段实施质 量的 好 坏 IEC 61508 和 IE C 61511 中 规 定 的 SL C 是 在安 全 仪表 功能 SIF Sa f e t y In s t r u m e n t F u n c t i o n 实施中 从项目的 概念设计阶段到所有 安全仪表 功能 停止使 用之 间 的 整个 时间段 如 图 1所示 主 要包括 概念 设计 施 实 运行 测 试 维修及停用等各阶段的活动 以达到必需的安 全完整性水平并实现高水平的功能 安全的一切活 动 并根据工程的规模 被控过程对象的危险和风 险大小 工艺的 成熟和复杂程度等因素 实施 SLC 内必要的功能安全管理活动 以确保 SIS 的设计 安 装 调试及运行 满足功能安全要求和高水平的功能 安全 基本控 制 执行常规正 常生 功能 产 调 节 控 制功 能 PID 和 过 程 顺 序 控制 目的 保证生产过 程正 常 平稳 以及 产品 的产 量和质量 运行状态 主 动 的 态 的 动 和 作 用 和连 续的 方式 系统状 态 控 制系 统 自诊 诊断 断 检测和控制回路 在应用中发现故障 被动 的 眠的 和 瞬 休 间的 系统及 回路通信 的 自诊 断 和 安 全 控 制 回 路的定期测试 图1 SIS 安全生命周期主要活动 SL C 的主要内容如下 a 定义和确定 SL C 活动的各阶段及要求 第5期 刘齐忠等 石油化工安全仪表系统的设计及实施探讨 3 b 编制各阶 段计划 技术标 准和程 序 确 保 SIS 满足安全功能要求 并 满足如下要求 1 保证过程的相关模式达到 SIF 和 SIL 两方 面的要求 2 保证 SIS 正确安装和调试运行 3 保证安装后符合 SIL 的要求 4 在操作过程中保 持 SIL 5 在维护期间管理控制过程危险 c 确定各阶段采用的技术 d 开展 p a g e 2 各阶段的活动 1 4 保护层的概念 随着现代石化工业的规模化和复杂化发展 化 学反应机理和生产控制难度越来越大 速度越来越 快 事故的发生均是在瞬间完成 的 为防止事故的 发生须尽可能多地建立保护层 以便层层挡住事故 诱因 图 2 为系统保护层模型 洋葱图 从图 2 中 可以看出 外部设立了多重保护层 如安全 阀 控制 系统的操作员 等 在发现事故前期 均会采取 SIS 一定的保护措施使过 程处于相对安全状态 保护 层一般分两大类 事故阻止层和后果减弱层 前者 组织 潜在危险发生 后者尽可能减少已发生事故带 来的危害 在基本控制 报警 人 工干预和自运保 护等保护层中 只要一个成功实施就可有效阻止事 故发生或减弱事 故带来的危害 设计的依据 2 1 风险分析 IEC 61508 中对风险的定义 出现伤害的概率 和 伤害严重性的组合 安全的定义 消除了不可 接受的风险 也就是说 风险分析的内 容只针对工 艺对象中可能出现不可接受风险的节点和参数 目 的是将风险降低到可 以接受的水平 而不是完全消 除风险 2 1 1 风险分析方法 国内外目前已提出的 风险分析方法多达几十 种 最常用的方法包括 如果怎么样法 Wh a t If 预 危 险 分 析 法 PH A P r e l i m i n a r y H a z a r d An a l y s i s 安全检查表法 Ch e c k L i s t 危险和可 操作 性研 究 法 H AZ OP H a z a r d a n d Op e r a b i l i t y St u d y 故障模式和影响分析法 FM EA 及故障树 法 F T A 等 各种方法均 具有其 不同的 特点且适 用于不同的对象和需求 其中 H AZ OP 以其分析 全面 系统 细致等突出优势为目前风险分析领域 最常使用的方法之一 进入 21 世纪以来 中 国已 成功实施的几个国际化石油化工大型合资项目均 成功采用该方法 H AZOP 方 法不仅适用 于基础设计阶段和详 细设计阶段 也适用于装置生产阶段 无论是什么 阶段 其中心任务均是发 现相关对象中 存在的风 险 并根据风险可能带来的后果 明确系统中的主要 危害 值得注意的是 H AZOP 分析法只是风险识 别技 术 为 S IL 分 级 提 供 依 据 不 能 直 接 解 决 问题 2 1 2 H AZOP 分析步骤 a 首先 在确定分析目的 对象和范围后 成 立一个由经验丰富的工艺工程 师 操作 人员 安 全工 程师 设备 工程师 仪表 和电气工 程师组成 的 H A ZOP 分 析 小 组 并 由 安 全 工 程 师 主 持 工作 b 准 备 相 关 对 象 的 设计 资 料 并 做 好 分 析 准备 c 由工艺工程师对风险分析对象的工艺原理 进行详 细地讲解 和解释 以便合理地选 取分析节 图2 保护层的 洋葱头 模型 点 对于连续 的流程工业 其分析节点 为工艺单 元 如容器 反应器 塔 管线或机泵等 d 对特定的分析节点以正常运行 设计值 的 工艺参数为标准 值 分析运行过程中工艺参数的变 动即偏差 常用 的 H AZ OP 分析 工艺 参 数为 流 量 温度 时间 压力和液位等 e 确定分析节点的偏差后 再分 别对每 个 偏 2 过程风险分析及 SIL 分级 在石油化工项目的 SIS 设计前 需要明确知道 相 关控制对象 工艺装置 的功能安全需求 这就有 必要对过程对象进行风险分析和 SIL 分级 前者 是系统生命周期中的一个重要环节 后者则是系统 4 石油化工自动化 2010 年 差进行分 析 以 找出偏 差产 生的 原因 能导致 可 的后 果 采 取 的 保 护 措 施 和 建 议 采 取 的 措 须 施等 f H AZOP 分析报告编写 审查和 批准 完成 整个分析过程 g 根据 H AZOP 报告对相关安全回路或参数 进行安全 完整性评估 确定 SIL 等级 h 修改 完善 相应设计图纸 如 P 常用的定量方 法有安全保护层法 LOPA 需首先以可容忍分析 等 级为目标 该目标往往用风险发生的频率表示 然后 利用概率计算法分析即可 其优点是能得到准确的 SIL 一致性好 缺点是复杂且难于得到可靠的数据 SIL 分 级的对象不是以装置为单位 而是针对 装置内的每个工艺控制回路 主要步骤如图 3 所示 在 H AZOP 分析的基础上 提出需要设置报警和联 锁的所有回路 先假定其 没有 SIF 分析危险发生的 概率及其危害程度 得出需要由 SIF 提供多大的风 险降 低水平才能使系统处于可接受的状态 从而选 择相应的 SIL 值 偏差及原因 设计温度为 200 装 置 火灾排放时可 能会超过此 温度 无 法确 认 火 灾 时总 管 的 设 计温度 因膨胀 弯设计不当 高 温 时会 导 致 总 管损坏 核 定 总管 设计 温度 设 计适 当的 膨 胀弯 015 燃料气 可能没有足 够的燃料气供 火炬吹扫 变 冷时 可 能 产 生真 空 并 进 入空气 长明灯 熄灭 导致紧急 停车 确 认 燃料 气是 否够 用 燃料 气吹 扫 移至 水封 罐 处 通 过氮 气 破真 空 2 2 SIL 分级 在完成风险分析后 则可根据风险事故的后 果和发生的概率来 进行 SIL 分析和分级 以便把 风险降低到可以容忍的范围之内 SIL 的分级为 保证 SIS 执 行 其 安 全 功 能 提 供 了 系 统 科 学 的 方法 2 2 1 SIL 的概念 IEC 61508 对 SIL 的定义 在一定时间 条件 下 安全相关系统执行其安全功能 的可能性 SIL 由硬件等级和系统等级两部分组成 SIS 及其安全 控制回路所有的组 成部分必须满足风险分析后选 取的 SIL 它不仅是 SIS 安全性能的衡量标准 也 是整体 SLC 中的主 线 根据安全 仪表功 能回路 的安全和可靠性高低的不同 SI L 共分 1 2 3 4 等四个等级 级别越高实现安全功 能的概率就越 高 对于某一 等级要 达到 的危 险失 效概 率范围 有两种 低要求操作模 式和高要 求操作模 式 但 石油化工 通常 只使用 低要 求操 作模 式 具体数 据见表 3 所列 图 3 安全仪表功能 SIL 的分级 2 2 3 SIL 分级实例 表 4 为风险矩阵 SIL 分析法 表 5 为某大型合资 项目新建 PE 装置的 SIL 分级报告 表 4 风险矩阵 SIL 分析法 危险事件后果 危险事件可能性 较轻 高 中 低 2 1 0 严重 3 2 1 重大 3 3 3 第5期 刘齐忠等 石油化工安全仪表系统的设计及实施探讨 5 表 5 PE 装置 SIL 分级报告 图号 31 2 41 2 0312 0412 5002 5203 设备 反 应器 安全仪表系统 IS 3124 I 3125 排放顺 序 IS 4124 I 4125排放顺序 IS 31 17 在高 高位 停车 IS 4117 在 高 高位停车 基 础 SIL 无 注 释 异常时不可接受风险的发生的可能性不大 p a g e 4 按 HA ZO P 分析 结 果设置安全阀 即可 一台 核检 测器单 独 连 至 IS3117 的 液 位 变送器以便于 控制 反应器 没有来自高位 的联锁 保护 结 果会导 致内 部损 坏 事 故 概 率 很 小 对 设 备 有 轻 微 的 影响 回收系统喘振罐或低压储罐内会形成爆炸 性的烃和氧的 气 体混合 物 若产 生爆炸 会导 致相关容器爆 裂 事故 概率 不大 对设 备影 响较大且可能会对环境和人员造成伤害 催化剂 罐过 压会 导 致爆 裂 并 放出 轻 烃气 体 事故概率较大 对设备影响严重 造成严 重的环境和人员伤害 SIL1 尾气回收 氮气 吹扫流量低联 压缩机 锁使氧 气浓度低于其 燃点要求的 10 催化剂罐 催化剂进料 SIL2 0301 0401 SIL3 在该实例中 用户安全 工艺和设备工程师等 采用了典型的风险矩 阵分析法 来确定 SIL 等级 在分析过程中 首先确定风险的后果和可能性分类 标准 如 后 果风险 较轻 严重 和 重大 可 能性则可分为 低 中 高 两者构 成的矩阵 中后果和可能性分别构成矩阵的行和列 每个矩阵 的元素代表一个 S IL 结果 3 SIS 的设计及实施 在 H AZOP 分析和 SIL 分级完成 后 即可 进 入 SIS 的选型 现场仪表配置 详细逻辑设计 完成 相关选型和设计工作后即可进入 SIS 的实施阶段 控制系统软硬件配置及系统集成 软件组态 第三 方系统通信 测试 工厂验收 F AT 现场安装调试 和现场验收 SA T 最后投入生产 运行 3 1 SIS 设计 在设计一套 SIS 时 应使其具有如下正确的安 全功能 a 监视生产过程的状态 判断生产过程是否 存在某种潜在危险因素 b 当危险出现时 自动执行规定的 SIF 防止 危险事件发生 c 降低危险事件造成的影响 即减少 损失 减 轻后果和降低风险 3 1 1 SIS 选型 在选取经过实际检验且在本地技 术和售后服 务实力雄厚的公司产品外 还应遵循以下原则 a 所选系统应取得 IEC 61508 SIL 或 T UV AK 认证 最高为 SIL3 级或 T UV AK5 6 SIL 4 级一般用于核 工业 具体级别选取应符合其控制 对象 SIS 功能的最高级别要求 b 应具有硬件和软件自诊断和测试功能 具 有顺序事件 SOE 记录和报警功能 c 应独立于 BPCS 独立完成安全保护功能 并能通过数据通信接口与 BPCS 通信 目前常用的 通信协议为 Mo d b u s RT U 采用 冗余的 RS 485 接口 d 控制器应采用双重化 三重化 T M R 或四 重化 QM R 冗余容错结构 3 1 2 现场检测和控制设备配置 现场检测和控制设备 传感器 最终执行元件 是 SIS 安全功能回路的重要组成部分 其配置应严 格按下列要求 执行 a 一般情况下 用于 SIS 与 BPCS 的传感器 含 取压点 最终执行元件 应单独设置 三取二 配 置的 3 台 SIS 传感器的信号经 3 台信号分配器送至 B PCS 内做 三取中 表决 但其回路须由 SIS 供电 在控制阀外还有独立的 SIS 切断 阀时 可以在控制 阀上使用具有 SIL 认证的故障安全定位器 由 SIS 控制跳 车 动 作 或 安 装电 磁 阀 由 SIS 独 立 控 制 气路 b 传感器的冗余配置原则 SIL 1 级 SIS 可采 用单一的传感器 SIL 2 级 SIS 宜采用冗余的传感 器 SIL3 级 SIS 应采用冗余的传感器 冗余输入的 SIS 逻辑应当包括信号偏差报警 c 阀 门的冗余配置原则 SIL1 级 SIS 可采用 单一的阀门 SIL2 级 SIS 宜采用冗余的阀 门 如经 SIL 计算允许 可采用单一的阀门 配套的电磁阀 宜冗余配置 SIL3 级 SIS 应使用冗余阀门 如果经 6 石油化工自动化 2010 年 SIL 计算允许 可采用冗余的电磁阀 d 电磁阀的冗余设置原则 控制阀上的 电磁 阀应安装在阀门定位器与执行机构之间 可以视情 况不同使用两只电磁阀构成 二取一 配置或使用 两只电磁线圈构成 二取二 配置 失电时使阀门跳 车 二 取二 配置应当保证能够进行在线测试 从 SIS 输出使电磁阀失电 排出执行机构中 p a g e 5 的空气 液体使阀门动作 电磁阀的电源应当由 SIS 提供 e SIS 传感器 应采用 变送器 尽量不用 开关 型仪表 以保证检测信号统一和一致的精度等级便 于实时监 视 电动阀不宜用于 SIS 保护功能 3 1 3 SIS 联锁逻辑设计 逻辑设计阶段的主 要工作是以 SIS 控制器选 型 现场仪表设备配置结果为依据进行相关对象的 逻辑 回 路 SIF 的 设 计 此 阶 段 应 遵 循 的 主 要 原则 a 逻辑表决配置 如 一取一 二取一 二取 二 三取二 等 要满足 SIS 的可用性要求 b 应 设计辅助操作台面板 以配置必要的旁 路开关 开车旁路 强制旁路 和维护旁路 复位按 钮等设施直接操作最终执行元件 c 应设计必需的维护旁路 用于正常生 产时 的现场仪表维修和测试 采用在 DCS 操作站上实 施操作的软开关模式 d S IS 的 监 视 画面 所有 操 作 信号 均 应 在 BP CS 的人机界面上显示或报警 3 2 SIS 实施 在详细设计初期 完成现场仪表设备配置后即 可进行 SIS 询价 技术澄清 着手 SIS 软硬件采购 随后进行系统软硬件安装 调试 完成系统组态 准 备 在按计划提供逻辑设计文件后 供货商即开始 SIS 的软件组态 此时还应积 极配合系统集成商对 SIS 通信集成的调试工作 完成组态后 即可视情 况开始系统 的工厂验收测试 FAT F AT 完成并全 面完成相关问题整改后即可装箱运至现场 现 场安 装 上电调试后即开始现场仪表测试 联调和逻辑 功能调试 所有测试