化工装置中安全仪表系统的应用简述

杨韬（河南吉成安全技术有限公司，河南 郑州 450000）

化工装置中安全仪表系统的应用简述

杨韬（河南吉成安全技术有限公司，河南 郑州 450000）

化工装置往往涉及易燃易爆、有毒介质，且部分反应过程在高温、高压状态下进行，具有较高的危险性，安全仪表系统可降低化工装置的事故风险。本文就化工装置中安全仪表系统的应用及实施要点进行简要的分析和论述。

化工装置；安全仪表系统；应用

随着我国化学工业的发展,化工产品的种类越来越多，生产方法越来越多样化，化工装置日益向规模大型化、生产过程连续化、自动化的方向发展。同时，化工装置往往涉及易燃易爆、有毒介质，且部分反应过程在高温、高压状态下进行，具有较高的危险性。安全仪表系统（SIS，Safety Instrumented System）作为本质安全的重要手段之一，可降低化工装置的事故风险，在化工装置中的应用越来越广泛，安全仪表系统的设计、安装、调试、维护管理也得到越来越多的重视。

1 安全仪表系统概述

安全仪表系统也是指实现一个或多个安全仪表功能的仪表系统，其常常独立于过程控制系统（例如分散型控制系统DCS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，其在化工装置的安全控制中处于举足轻重的作用。如图1所示，对于化工过程的安全控制采用独立保护层洋葱模型进行分析，它的核心是化工装置或工艺过程，首先要设置基本过程控制系统（Basic Process Control System，BPCS）对过程对象进行操作、控制，化工装置的基本过程系统通常使用DCS。再往外一层，若过程对象出现了超温、超压等工艺偏差，则BPCS会进行报警提示，操作人员进行操作干预将偏差拉回至安全范围。若工艺偏差无法控制，则由它的外部安全保护层逐一进行保护，这其中就包括了安全仪表系统。从图1可见，安全仪表系统处于外部安全保护层的第一层，若其发挥作用，则可避免过程对象的失控，并可杜绝将相应的危险介质释放至装置管线、设备的外部，避免工艺安全事故的发生。

图1 化工装置或工艺过程独立保护层洋葱模型

因此，在化工装置中使用安全仪表系统至关重要。目前，国家安全监管总局出台了相关文件对安全仪表系统的设置提出了相应的要求，如《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》中规定：涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或者二级重大危险源，配备独立的安全仪表系统（SIS）。安全仪表系统必须有很高的可靠性（即功能安全）和规范的维护管理，如果安全仪表系统失效，往往会导致严重的安全事故。

2 化工装置中安全仪表系统的应用

安全仪表系统工程安全程度的高低取决于其安全生命周期中各阶段实施质量的好坏。安全生命周期包括从工程方案设计阶段安全仪表系统的设计策略，到操作维护阶段，直到安全仪表系统停用的全过程，涉及工程设计、集成调试及验收测试、运行维护等多方面的工作。具体到化工装置中的应用来看，应把握好以下几个方面：

2.1 确定安全完整性（SIL）等级

根据化工装置的危险及可操作性分析，人员、过程、设备及其安全保护，以及安全完整性等级要求确定安全仪表系统的功能。在化工装置的应用中，安全完整性等级可分为SIL1、SIL2、SIL3。安全完整性等级越高，其实现安全仪表功能的能力越强。安全完整等级评估可采用保护层分析法、风险矩阵法、校正的风险图法、经验法及其他方法。

2.2 合理选择安全仪表系统的设备

安全仪表系统由测量仪表、逻辑控制器、最终元件及相关软件组成，因为要保护人和生产的安全，所以其要求要高于基本过程控制系统，并要求设计成故障安全型，确保在系统故障状态下保证生产装置进入安全状态。

逻辑控制器是执行逻辑功能的设备，宜采用可编程电子系统，并应取得功能安全认证。测量仪表是测量过程变量（温度、压力、液位、流量等）的设备，安全仪表系统宜采用模拟量测量仪表，如压力、液位变送器等，变送器宜采用4～20mA叠加HART通讯协议的智能变送器，不宜采用现场开关量仪表，开关量仪表长时间不动作，会出现触点粘合或接触不佳，出现不动作或误动作。采用冗余测量仪表，当要求高安全性时，应选择“与”逻辑结构；当系统需要兼顾高安全性和高可靠性时，宜采取三取二逻辑结构。测量仪表应采用仪表电缆硬接线方式作为安全仪表系统的输入信号，不应采用现场总线等通讯方式。最终元件执行逻辑控制器指令或设定的动作，使过程达到安全状态的设备，包括气动控制阀（调节阀、切断阀）、电磁阀、电动机等。在采取冗余时，控制阀冗余方式可采用一个调节阀和一个切断阀，也可采用两个切断阀。

逻辑控制器、测量仪表、最终元件的独立、冗余设置原则见表1。

表1 SIL级别及SIS系统设置原则

2.3 安装、调试安全仪表系统

在完成安全仪表系统的设计后，根据技术要求采购安全仪表系统的硬件和软件，随后按照规范及产品技术要求进行系统软硬件安装、调试，完成系统组态的准备；在设计单位提供用于安全联锁的逻辑设计文件后，开始安全仪表系统的软件组态，完成组态工作后开始系统的工厂验收测试，工厂验收测试合格后即可装运至化工装置现场，进行现场安装、送电调试，然后开始现场仪表测试、单回路测试、联动调试和逻辑功能调试，所有测试完成并确保无问题后，最终交付用户，伴随化工生产装置投入试生产、运行。

2.4 安全仪表系统的管理、维护

在安全仪表系统投入使用后，良好的管理、维护是确保其正常运行的重要手段。常见的措施有：①对相应的维护人员进行培训，使其掌握安全仪表系统硬件、软件的功能及维护、使用方法；②制定管理制度及操作维护规程，明确维护人员的职责，并在停车或检修期间对系统进行检查、测试，确保其有效。③对安全仪表系统的工程设计、应用软件组态编程等文档应保存，发生增加或修改逻辑等变更时，应及时更新相关信息，并存档备份。

3 结语

综上所述，对于化工装置运行过程中安全仪表系统的有效应用而言，为了确保发挥其在工艺过程中安全保护层的功能，确定其独立性、冗余性是比较重要的一个方面，除了要做好设计、安装、调试环节外，后续的维护管理同样也需要进行重点关注。

[1]中国石油化工集团公司.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]王东峰.安全仪表系统的回路设计探讨.石油化工自动化,2014.8第50卷第4期:10-15.

[3]魏华.安全仪表的可靠性和可用性分析[J].石油化工自动化,2009.(1):10-13.