基于SIS与DCS集成的罐区安全控制

胡 金 文（抚顺齐隆化工有限公司，辽宁 抚顺 113004）



基于SIS与DCS集成的罐区安全控制

胡 金 文
（抚顺齐隆化工有限公司，辽宁 抚顺 113004）

摘要：烃类球罐区属于重大危险源，DCS系统在安全控制方面存在诸多漏洞，一旦发生事故就不可控，因此，SIS系统的应用势在必行。依据IEC61511、IEC61508标准，从技术经济角度对比分析SIS与DCS几种不同集成方案的可行性，结合齐隆化工C5球罐区工艺设计对SIL进行安全定量评估，并针对齐隆化工在SIS与DCS无缝集成系统在安全控制方面存在的问题，提出适合企业现状的解决方案。

关键词：控制器；连锁；重大危险源；无缝集成

人类历史上首台球罐始建于美国，据统计目前世界范围内在役的球罐约8万余台，服役球罐平均每10年就会发生3～4次恶性爆炸事故，对球罐区的安全控制必须重视。近年来国内外液化烃罐区安全事故时有发生，1978年5月30日，美国德克萨斯州1台800 m3球罐发生爆炸，球罐碎片遍布全厂，20 min内，6台球罐及4台储罐被碎片击毁导致沸腾液体膨胀蒸汽引发连锁爆炸，造成重大人员伤亡，直接经济损失1.22亿美元。2015年7月16日，山东日照石大科技1 000 m3球罐因泄露发生爆炸，经济损失惨重。

为了提高风险控制，保障罐区运行安全，降低安全隐患，我国近年颁布了《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR004等众多球罐区安全运行标准，从设备制造、自动控制、工艺系统等环节进行安全风险控制。随着我国化工装置、危险品存储设施规模大型化、自动化控制水平逐步提高，一旦发生事故就不可控，这就要求化工企业从源头去保障安全。SIS系统（安全仪表系统）又称紧急停车系统，它独立于过程控制系统（例如分散控制系统等），生产正常时处于休眠或静止状态，一旦生产装置或设施出现可能导致安全事故的情况时，能够瞬间准确动作，使生产过程安全停止运行或自动导入预定的安全状态。因此，用好化工安全最后一道防火墙SIS系统就变得十分紧迫和必要。

1　 SIS与DCS集成现状分析

以前，由于控制系统的可靠性不足以保障安全系统的可靠性，工业上DCS系统与SIS系统相互独立，分别设计、分别建造，给企业增加巨大的经济负担。近年来，3C技术取得飞速发展，DCS系统的可靠性也得到了大幅度提高，特别是系统的健壮性（ROBUST）也接近了SIS系统，虽然无法实现国家强制性要求的IEC61508、ISC61511安全标准［1，2］，但为实现SIS与DCS的无缝集成奠定的扎实的技术基础，只要非安全系统的失效不会导致安全功能存在失效的危险，就可以考虑SIS与DCS集成使用［3］

1.1MODBUS集成

MODBUS集成是指SIS与DCS通过控制器实现硬链接的方式将SIS数据传送至DCS系统中。该方案属于异种分离，采用不同的组态工具、不同的人机界面、不同的控制网络，虽然有利于减小共因失效，但现实成本较高不够经济。

1.2OPC集成

OPC集成是指SIS与DCS通过面向过程控制的OPC技术，实现系统与设备间的通讯来完成向SIS提供数据。由于该方案需要依赖于价格昂贵的国外原厂服务器，且国外厂商面对国内项目缺乏灵活性，故该方案目前并不适合国内中小型化工企业使用［4］。

1.3SIS与DCS无缝集成

SIS与DCS无缝集成是指二者在物理上集成，在逻辑上分开，控制程序和安全程序相互独立、平行执行，使用统一的控制网络、组态工具、硬件结构，数据交换流畅，无需接口单元。共同的监控和操作平台，在操作时更加有效，SIS系统位号可以DCS系统的信号同时处理，无需特别组态。无缝集成更节省人力物力、更经济、系统的整体性能更优越（图1）［5］。

图1　SIS与DCS无缝集成应用实例Fig.1 SIS and DCS integration application instance

2　SIS在裂解C5球罐区的应用

齐隆化工球罐区存储的物料是裂解C5馏分，因其固有的物料特性，潜在的安全风险不容忽视。近年来，国内外发生的化工危险品重大事故大都与仪表失效或设置不当相关，现阶段SIS系统是保障化工企业生产运行安全的最后一道行之有效的防火墙。

2.1裂解C5球罐区应实现的安全仪表功能

当球罐区工艺操作压力达到设定值时，通往火炬气管道上的调节阀自动开启，若调节阀故障导致压力持续上升，则灌顶设置的两个安全阀将会自动起跳，向火炬线泄压。同时，设有一条DN65的旁路，紧急情况下可以人工控制向火炬系统泄压。另外，控制室内设有液位报警系统，当液位过高达到设定值时，进料阀自行紧急切断；当液位过低达到设定值时，出料阀自行紧急切断，以保障罐体不被抽瘪。

2.2球罐区风险评估及SIL定量分析

依据球罐区实际状况制定用于评估的风险矩阵表，涵盖经济损失、环境污染、人员伤亡三个方面。依据IEC61511，、IEC61508标准，对风险结果进行SIL定量分析。安全仪表失效造成人员伤亡7～9人，依据人员风险控制矩阵表，从保障人员安全角度出发，安全仪表功能应该达到SIL3；依据环境风险控制矩阵表，一旦发生事故造成环境污染，可能引发区域性事故，从保护环境安全角度出发，安全仪表功能应该达到SIL2；若因安全仪表失效导致C5球罐区事故，造成的经济损失将会达到4 000千万元以上，依据经济风险控制矩阵表，从经济安全角度出发，安全仪表功能应该达到SIL3。综上所述，我厂C5球罐区的SIS系统应满足SIL3，以实现球罐区的安全保护功能（表2）。

表1　安全仪表失效将会导致的风险Table 1　The risk of safety instrument failure

表2　安全仪表系统逻辑结构选择表Table 2　Safety instrument system logic structure selection

3　SIS与DCS无缝集成存在的问题

SIS与 DCS无缝集成系统在球罐区安全控制中，存在以下几方面安全隐患。

（1）仪表选型及设置问题。连锁回路中存在部分液位仪表输出信号为开关量，该类型传感器具有故障率高，可靠性低的缺点。

（2）SIS与DCS仪表及设备共用问题。连锁回路中存在部分仪表与DCS共用，这将有可能造成严重的失效后果，特别是紧急切断阀与进出料阀存在共用问题。

（3）罐区压力变送器带有报警设定器，这将会延缓SIS系统的反应速度。

（4）控制器为 1oo2或 2oo3，而执行机构为1oo1。

4　满足安全仪表功能的解决方案

现场二次仪表是安全仪表系统中最薄弱的环节，在仪表选型时应尽量选用带危险自诊断及平均危险失效率小的仪表。球罐区压力变送器宜选择冗余设置，尽量不设置安全栅，取消报警设定器，使安全仪表系统的中间环节尽量简化。紧急切断阀宜冗余配置，且要与控制系统分开，突出其安全功能的重要性。同时SIS系统运行期间，SOE软件要开启，SOE事件要到期导出，要定期对终端执行机构、传感器进行PST测试，以便消除未检测到的故障，确保SIS系统安全运行的时效性。

5　结 论

目前，化工行业正在向装置大型化、集约化方向发展，一旦发生事故，将会造成人员重大伤亡，给经济、环境、社会造成重大损失。当前，社会各界对化工事故的容忍度很低，任何一次事故，都会对化工行业持续健康发展造成深远影响。SIS系统是现阶段保证化工行业安全的最后一道防线，化工行业务必要意识到加强SIS系统应用和管理的重要性及迫切性。本文结合SIS系统在化工行业应用的实际情况和普遍存在的问题，提出了一些改进方案，除此之外，还应该在以下几个方面给予高度重视。

（1）企业在SIS系统的选型、实用、维护过程中，务必严格遵守相关安全标准和规范，使安全仪表充分发挥其安全运行的时效性。

（2）相关部门要进一步完善SIS系统的技术标准和认证体系，大力推广SIL定量安全评估体系，建立设备及仪表失效数据库。

（3）各企业要重视加强SIS方面相关技术和管理人才的培养，确保SIS系统安全保障功能的实现，使企业人员、经济、环境安全得以充分保障。

参考文献：

［1］IEC61508，FunctionalSafety of Electrial / Elctronic / Programmable Electronic Safety - RelatySystems，International Electrotechnical Commission ［S］.

［2］IEC61511，Functional Safety Intrumented SystemsFor the Process Industrie［S］.

［3］郭海涛.安全仪表系统的功能安全［M］.北京：清华大学出版社，2007.［4］刘建侯.功能安全技术基础［M］.北京：机械工业安全出版社，2008.［5］翟羽鹏，张东梅.SIS系统在丙烯罐区中的应用［J］.吉林化工学院学报，2014，31（3）：78-82．

Integrated Safety Control of Tank Farm Based on the SIS and DCS

HU Jin -wen
（Fushun Qilong Chemical Co.，Ltd.，Liaoning Fushun 113004，China）

Abstract：Hydrocarbon spherical tank area belongs to the major danger source.DCS system has many loopholes in the aspect of safety control.Therefore，application of the SIS system is imperative.In this paper，on the basis of IEC61511 and IEC61508 standards，from technical and economic aspects，the feasibilities of several SIS and DCS integrated schemes were compared and analyzed.Combined with the technological design of C5 spherical tank area in Qilong Chemical Co.，Ltd.，SIL safety quantitative assessment was carried out.According to the safety control problems of SIS and DCS integration system in Qilong Chemical Co.，Ltd.，the solutions were put forward.

Key words：Controller；Chain；Major danger source；Seamless integration

中图分类号：TP 273

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0075-03

收稿日期：2015-08-26

作者简介：胡金文（1972-），男，辽宁抚顺人，工程师，硕士研究生，2012年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：油气储运与安全控制。E-mail：hujinw197285@sina.com。