石油化工工艺包安全仪表系统设计探讨

翟仲曦，李俊杰

(中国石化 上海石油化工研究院，上海 201208)

石油化工工艺包安全仪表系统设计探讨

翟仲曦，李俊杰

(中国石化 上海石油化工研究院，上海 201208)

以GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》为依据，简述了工艺包编制阶段有关工艺包安全仪表系统(SIS)的设计特点及安全性需求，从SIS输入、输出、逻辑三方面提出了SIS回路设计中的重点及注意事项。结合工程项目实例，针对具体工艺操作要求及安全联锁工况，介绍了石油化工装置工艺包编制阶段安全联锁回路的设计方案，合理地保证SIS的可靠性及可用性。

安全仪表系统 联锁回路 逻辑 控制策略

安全仪表系统(SIS)由测量仪表、逻辑控制器、最终元件及相关软件组成[1]。通常，将安全仪表归入安全系统的范畴，SIS对保障石油化工流程安全、平稳生产起到至关重要的作用[2]。笔者从石油化工装置工艺包开发的角度入手，讨论了SIS的设计原则及相关设计重点。

1 工艺包SIS设计特点

石油化工装置SIS设计主要依据GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》和GB/T 21109—2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》，在工艺包编制阶段的设计除遵循SIS规范要求的基本设计原则外，主要有如下几个特点：

1) 反应过程安全控制策略的制订。从反应特性及催化剂机理出发，确定反应过程的安全边界条件，并针对可能出现的反应失控工况提出有效的检测方法及应对策略。

2) 工艺过程的危险分析。明确工艺过程中主要介质的关键物性，如燃爆特性、分解特性等；同时针对不同工况确定工艺过程参数的设定值和联锁值，并估算重要联锁过程的时间裕度，为后续危险与可操作分析提供基础。

3) 安全完整性等级(SIL)的预估。在工艺包设计初期，基于项目的工艺技术特点和已有的生产运行经验，初步评估项目安全回路的SIL等级，并以此为依据在基础设计阶段通过HAZOP分析和LOPA确立安全回路的SIL等级。原则上，石油化工装置的SIL等级不应高于SIL3，对于包含易燃、易爆、有毒等物质或易超温、易超压等危险工况时，按照SIL2及以上等级设计。

2 工艺包SIS安全性需求

由于工艺包编制处于石油化工装置总体设计的源头，该阶段的SIS设计应提出工艺包安全性需求，为安全生命周期的后续活动提供依据，其内容主要包括：

1) 总则。确定项目采用标准、分析方法、管理团队说明、执行策略、安全回路的意义和确立原则；具体提出故障率要求、独立性要求和共因失效分析要求。

2) SIS输入端安全性要求。包括触发SIS动作的所有原因；SIS输入端的操作值、报警值及联锁值的设定；SIS输入端检测方式设计、测量精度及响应时间；SIS手动联锁停车使用条件等。

3) SIS逻辑关系安全性要求。SIS输入与输出之间的逻辑关系描述；SIS启动后的复位条件；SIS逻辑旁路的使用要求。

4) SIS输出端安全性要求。SIS输出动作及最终状态描述；SIS输出端从联锁状态到安全状态整体响应时间；SIS输出端控制方式设计要求，包括得/失电联锁、电磁阀配置及旁路设置原则等。

3 工艺包SIS设计

工艺包编制阶段的SIS设计主要从工艺安全角度出发，分析过程危险程度，确定主要安全控制策略、措施及相应说明，配置安全仪表回路，设计内容主要包括SIS输入设计、SIS输出设计及SIS逻辑设计。

3.1 SIS输入设计

SIS输入主要指SIS回路中的测量仪表，包括模拟量和开关量的测量仪表。

1) SIS输入端的性能和设置应满足SIS的SIL等级要求，但测量仪表的SIL等级并不完全对应SIS的SIL等级。例如由3台SIL2变送器组成的“3取2”SIS输入设计也可以满足SIL3的设计要求。

2) 仪表选型应优先选用隔爆型测量仪表，以减少中间环节，降低SIS误停车的概率；优先选用4～20 mA叠加HART传输信号的模拟量测量仪表。

3) 针对一些特殊工况下的SIS输入设计，应结合工艺、设备等专业的设计要求，保证SIS安全保护的时效性。例如，在列管式反应器中，参与SIS输入的多点热电偶温度元件对所在列管的催化剂装填量有较大影响，进而降低了SIS回路的响应速度及准确性。该回路的设计需仪表专业与工艺及设备专业协同完成，计算并调整热电偶所在反应器列管的直径，以提升SIS输入的准确性。

4) 对于无法在线维修的SIS测量仪表，在设计时需考虑冗余配置，避免因仪表损坏导致的SIS保护失效。例如设置在反应器催化剂中用于SIS检测的多点热电偶，维修时需要停车卸剂才能完成，在设计阶段可适当增加温度检测点，提升SIS输入的可靠性及可用性。

3.2 SIS输出设计

SIS输出主要指SIS回路中的最终元件，包括调节阀、切断阀及其电磁阀、阀位开关等附件。

1) SIS控制阀优先采用带电磁阀和阀位开关的气动阀门，增强SIS输出的安全性和可靠性，确保SIS动作的响应时间。电磁阀优先选择耐高温绝缘线圈、隔爆型，正常带电励磁、失电非励磁的故障安全型，保证断气、断电等故障工况时，工艺过程仍处于安全状态。

2) SIS控制阀有较高密闭性要求时，应选择IEC 60534中规定的Ⅴ和Ⅵ级密封要求的阀门，并根据介质温度、压力等工况选择合适的阀门类型及阀座密封形式。

3) SIS输出冗余初始设计原则： SIL1的SIS输出可与基本控制过程共用单一控制阀；SIL2及以上等级冗余设计则设置双控制阀，包括2台切断阀或1台调节阀和1台切断阀两种情况。在不宜设置冗余控制阀的工况下，可采用冗余电磁阀的设计方案，包括串联和并联两种。双电磁阀串联设计方案具有高可靠性的特点，如图1所示： 电磁阀a和b同时励磁带电，a和b气路均1-2连通，控制阀A为正常操作状态；a和b 2个电磁阀任意1个失电非励磁，使其气路2-3连通，控制阀A执行机构失压，转为联锁状态。双电磁阀并联设计方案具有高可用性的特点，如图2所示： 只有当电磁阀a和b均为失电非励磁时，气路2-3同时连通，控制阀A执行机构才失压，转为联锁状态。只要电磁阀a和b任意1个带电励磁，均可保证执行机构气路带压，控制阀A为正常操作状态。

图1 冗余电磁阀串联配置示意

图2 冗余电磁阀并联配置示意

3.3 SIS逻辑设计

SIS逻辑设计的主要内容： 配置由各种逻辑单元构成的布尔运算结构，实现SIS因果表输入/输出的对应关系。其中，逻辑单元包括与(AND)、或(OR)、非(NOT)、取反(NOT)、异或(XOR)等基本逻辑单元，和延时开/关、低/高选器、“MooN”表决器、R-S触发器等典型逻辑单元。

1) SIS逻辑设计应与工艺过程紧密结合，除满足正常工况下因果关系表的动作要求外，还应确保其他工况下系统的正常运行，如在开车工况下应设置输入信号的低限联锁旁路，以保证开车流程的正常运转。

2) SIS的逻辑设计均采用负逻辑设计，即正常状态下逻辑输入/输出的DI/DO信号状态为“1”，非正常状态下信号状态为“0”。SIS逻辑图中的所有逻辑单元也应采用负逻辑设计，方便后续的设计与校验工作。

3) 每个SIS动作都应设置自锁开关，以确保联锁停车工况下相应工艺参数满足开车条件后，才允许开启人工恢复按钮。

4) SIS逻辑回路设计完成后，需认真、反复测试，避免出现死循环等逻辑错误，并在项目组态完成后对SIS的输入/输出及逻辑控制功能进行测试。

4 SIS设计在石化项目中的应用

某厂甲醇制丙烯项目MTP固定床反应器超温联锁流程如图3所示。该反应过程为强放热反应，催化床层的热点温度过高易导致反应温度失控，不利于催化剂的稳定及装置运行的安全。反应器有操作和再生两个工况： 操作工况下，当反应器内温度检测达到联锁限值时，则触发超温联锁动作，关闭调节阀FV101和FV103，切断阀UV101，打开调节阀FV102，关闭进料电加热器E-101；再生工况下，该反应器处于联锁停车状态，需单独复位调节阀FV103和进料电加热器E-101待用，并需满足工艺气与再生气完全隔离。

图3 反应器超温联锁简示意

基于反应器催化床层易局部飞温的工艺特点，该SIS回路输入端配置9个独立的热电偶TT101A～TT101I，采用“9取2”表决设计，分布方式为轴向3层、每层120度均匀分布。输出端工艺气进料管线采用双阀切断配置，调节阀FV101和切断阀UV101均为Ⅵ级密封，可在SIS触发后严格切断工艺进料，同时也能保证再生工况下工艺气与再生气完全隔离，保障了装置生产安全。其他管路上的阀门采用单控制阀带双电磁阀串联配置，以平衡装置设计中安全性与经济性的要求。该回路的SIS逻辑关系如图4所示： 逻辑设计采用负逻辑，即联锁工况为“0”，正常工况为“1”；逻辑设计中加入R-S触发器模块实现逻辑自锁功能，其中R-S触发器为置位端S为优先端，连接SIS的逻辑输入，实现联锁状态优先输出，且SIS输入没有恢复正常前，装置无法手动复位；设置操作/再生模式选择开关，以满足不同工况下的操作需求；设置SIS输入旁路开关，可暂时旁路发生故障的SIS输入端，方便其在线检修、校验；设置手动联锁开关，可实现装置在非正常工况下的人工紧急停车。

图4中工艺流程已经过实际生产运行检验，该SIS回路能准确检测联锁工况，快速启动并完成联锁动作，同时能够满足再生工况下的操作需求。

图4 反应器超温SIS回路逻辑关系示意

5 结束语

工艺包SIS设计处于石油化工装置方案设计阶段，是SIS安全生命周期的源头，对于整个SIS设计具有基础性、导向性的作用。因此，该阶段SIS设计必须在充分了解工艺特点、严格遵循相关设计标准、合理配置SIS回路下进行，以确保工艺流程安全、平稳地运行。

[1] 黄步余，叶向东，范宗海，等.GB/T 50770—2013石油化工安全仪表系统设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2013.

[2] 黄步余，范宗海，马蕾.《石油化工安全仪表系统设计规范》解读[J].石油化工自动化，2013，49(06)： 1-9.

[3] 张建国.安全仪表系统在过程工业中的应用[M].北京： 中国电力出版社，2010.

[4] 张华莎.安全仪表系统逻辑设计浅谈[J].石油化工自动化，2003，39(04)： 3-7.

[5] 祝敬辉.SIS设计中可用性和安全性浅析[J].仪器仪表标准与计量，2010(04)： 25-27.

[6] 钟声.设计联锁逻辑图应注意的问题[J].石油化工自动化，1998，34(02)： 23-25，64.

[7] 王东峰.安全仪表系统的回路设计探讨[J].石油化工自动化，2014，50(04)： 10-15.

[8] 刘瞻.石油化工安全仪表系统的设计[J].石油工业计算机应用，2013(77)： 11-14.

[9] 刘伟，苏成利，任泓.安全仪表系统的设计[J].当代化工，2012，41(12)： 1358-1360.

[10] 马科斌.安全仪表系统在汽油加氢装置的应用与安全性分析.化工自动化及仪表,2013,40(01)： 94-95,101.

Discussion on Design of Safety Instrumented System in Petrochemical Process Package

Zhai Zhongxi, Li Junjie

(Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology, Sinopec, Shanghai, 201208, China)

Based on GB/T 50770-2013CodeforDesignofSafetyInstrumentedSysteminPetrochemicalEngineering, design feature and safety requirements of safety instrumented system(SIS) in package drafting stage is described briefly. The consideration and design idea about design of SIS loop from three aspects of SIS input, SIS output and SIS logic. Combined with engineering project, design scheme of safety interlock loop in the stage of preparation of petrochemical process package according to process operation requirements and safety interlock condition is introduced. The reliability and availability of safety instrumented system are reasonably guaranteed.

safety instrumented system; interlock loop; logic; control scheme

翟仲曦(1984—)，男，吉林辽源人，2010年毕业于华东理工大学控制科学与工程专业，获硕士学位，现就职于中国石化上海石油化工研究院，从事自控设计工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)03-0021-03

稿件收到日期： 2017-03-22。