安全仪表系统在石油炼化系统中的应用

洪小红

摘要:本文详细分析了安全仪表系统在现代石油炼化系统中的必要性,对石油化工中安全仪表系统的应用原则,设计方法进行了详细描述。给出了它的发展方向。

关键词:石油化工 炼化 安全仪表 安全监测

0 引言

过去的几十年里,社会经济的不断发展使得过程工业的规模越来越大,带来的整个系统所面临的风险也随之增加。系统设计、实施和操作过程中任何一个小的失误,都有可能给企业带来严重的后果,造成巨大的经济损失,更为甚者,将会给周围的环境带来灾难性的后果。例如:1988年北海阿尔法油田爆炸事件;2006发生的吉化爆炸事件等等,至今还让人们心有余悸。为了防止事故的发生,减少由此带来的损失,保证企业的高度稳定运转,一

套能够检测装置的异常动作,并对可能发生的潜在危害作出相应动作的系统是必不可少的。安全仪表系统(SIS)正是基于该目的被提出来的。

1 石油炼化概念与SIS的必要性分析

石油炼化一般包括如下的一些工业步骤:常压蒸馏和减压蒸馏;原油的脱盐、脱水;催化裂化;催化重整;加氢裂化;延迟焦化;炼厂气加工。

原油一次加工和二次加工的各生产装置都有气体产出,总称为炼厂气,就组成而言,主要有氢、甲烷、由2个碳原子组成的乙烷和乙烯、由3个碳原子组成的丙烷和丙烯、由4个碳原子组成的丁烷和丁烯等。它们的主要用途是作为生产汽油的原料和石油化工原料以及生产氢气和氨。发展炼油厂气加工的前提是要对炼厂气先分离后利用。炼厂气经分离作化工原料的比重增加,如分出较纯的乙烯可作乙苯; 分出较纯的丙烯可作聚丙烯等。

石油化工工业是典型的流程工业,由于多数物料易燃易爆,操作条件为高温高压,易发生安全事故。随着石油化工装置规模的日趋大型化,设计操作指标离安全临界点越来越近,造成发生危险的可能性也在增加,人们对安全系统的认识也在提高,这就对安全系统提出了新的要求。由于过程的复杂性、原料的变化、最终产品的质量要求、装置规模以及设备、人身、环境的保护等因素,适当的过程控制以及安全系统的设置尤其显得十分必要。一套合理的SIS系统能够有效降低整个系统的风险,能够提高系统装置的可用性,在石化等行业, SIS系统已经成为保障企业安全可靠运行的必备方法之一。

2 基于SIL的应用原则

典型的炼化装置为安全所设置的层层保护包括:工艺过程设计;基本调节,过程报警及操作员监视;紧急报警,操作员监视并且手动干预;安全仪表系统SIS;物理保护(爆破膜,安全阀);工厂紧急响应;所在社区紧急响应等。由此可见,从第2层到第4层的保护都是由仪表及其控制系统来实现的。尤其仪表系统的最后一层保护——SIS 更是至关重要。目前许多装置的设计中增加了工厂危害和可操作性研究HAZOP和仪表保护功能研究IPF Study,其中包括仪表安全度等级SIL确定。这使得仪表安全保护系统的设计更加科学与完善,有助于避免在设计中发生安全性能达不到要求或采取过多安全保护的现象。SIL是用来描述安全仪表系统安全综合评价的等级,指在规定的条件及时间内,安全系统成功实现所要求的安全功能的概率。SIL越高,安全系统实现所要求的安全功能失败的可能性就越低。

SIL的划分与HAZOP(危险与可操作性分析) 的研究结果有着密切的联系,HAZOP的研究结果为SIS 的设置提供坚实的基础。SIL评级前应先进行HAZOP研究,它是以系统工程为基础的一种可用于定性分析或定量评价系统化的危险性评价方法,用于解决危险识别与安全操作两方面的问题,探明生产装置和工艺过程中的危险及其原因,寻求必要对策。通过从工艺流程、状态及参数、操作顺序、安全措施等方面着手,分析生产运行过程中工艺状态参数的变动,操作控制中可能出现的偏差,以及这些变动与偏差对系统的影响及可能导致的后果,找出出现变动和偏差的原因,明确装置或系统内及生产过程中存在的主要危险、危害因素,找出装置在工艺设计、设备运行、操作以及安全措施等方面存在的不足,并针对变动与偏差的后果提出应采取的措施,为装置的安全运行与安全隐患整改提供指导。HAZOP研究对装置所有的报警和联锁都进行相应的SIL评级。经过SIL评级后,可以确定哪些报警需要提高等级到安全联锁,哪些安全联锁有可能降低等级到报警,哪些报警有可能被取消。

SIL的确定是比较复杂的,需要由一支多方面的、专业的、熟练的技术队伍对装置的各种危险性及关键风险等进行分析计算,最后才能确定系统应采用的SIL。

3 系统的设计

3.1 检测与执行元件设计 安全仪表系统检测、执行元件作为整个安全仪表系统的主要组成部分。①为减少检测元件自身的故障率,安全仪表系统的检测元件应选用高性能高质量的产品,特别是智能产品、安全水平认证产品。近来世界著名的自动化公司都推出了具有安全水平认证的变送器产品, 相关产品达到了IEC61508 SIL1～4 安全等级并获得TUV 认证。使得部分检测元件产品的安全等级(可靠性) 有了明确的认定。②在执行元件的设置上,SIL2 以上等级的安全仪表系统宜采用独立或冗余配置的执行元件。在独立单台执行元件和冗余元件两种方法都有效时,采用高可靠度执行元件通常比执行元件冗余更好,执行元件应优先选用符合IEC61508 安全度等级并取得相关认证的产品(如电磁阀、智能阀门定位器等) 。执行元件采用冗余配置一般有下列两种方式:采用冗余的阀门,每套阀门配套冗余的电磁阀。对于切断回路执行设备应为串联安装的2台切断阀;对于放空回路执行设备应为并联安装的2台放空阀。执行元件的冗余设置提高了系统的可靠性和可用性。

3.2 系统的逻辑设计与PLC逻辑设计 安全仪表系统的逻辑运算是系统的“灵魂和精髓”,一套好的安全仪表系统除了可靠合理的硬件配置外,逻辑设计对系统性能至关重要。

合理使用冗余检测元件的运算逻辑,如检测元件三重冗余配置的“3取2”、检测元件二重冗余配置的“2取1”或“2取2”等逻辑形式,以满足所要求的可靠性和可用性。应采用触发器逻辑电路完成安全保护动作的触发、复位等,减少或避免使用自锁逻辑电路实现安全保护动作。

4 系统发展趋势

安全仪表系统的实现经历了从气动系统,继电器系统,固态继电器系统到PLC系统几个发展阶段。从新推出的安全系统可以看出,安全仪表系统将力求具备更高的过程可用性及更低的维护成本,作为一个系统,本身也存在出现故障的可能性,但是未来的安全仪表系统将借助自身的故障诊断系统在线监视设备及过程状态,并同时能够向操作人员发出包括可能或适当应对措施在内的警报,从而提高系统的可用率。

5 总结

安全仪表系统作为现代过程工业降低风险和保障安全的有效方法正得到越来越多的重视。在石油炼化生产中,尤其是伴随着新型安全系表系统的应用,这些系统将为工业的安全生产提供更为安全的保障。

参考文献:

[1]IEC61511 (2003), Functional safety2Safety inst rumented sys2 tems for t he process indust ry sector2Part 1～3.

[2]SH/ T 3018 22003,石油化工安全仪表系统设计规范.

[3]石油化工装置过程控制设计手册.北京:中国石化出版社.995.267～295.