液氨罐区SIS安全仪表系统在众泰煤焦化的应用研究

张路杰，翟红明，屠金财

（拜城县众泰煤焦化有限公司，新疆 拜城 842300）

液氨是一种易燃、有毒、强腐蚀性的危险化学品，被列入国家首批《重点监管的危险化学品目录》中，根据《危险化学品重大危险源辨识》要求，众泰煤焦化有限公司的液氨储存单元已列为一级重大危险源。随着现代焦化生产的不断发展,焦化生产装置朝着集成化、规模化的方向发展。生产过程具有易燃、易爆、有毒、高温高压的特点,因此焦化生产中对安全的要求越来越高。目前，在重要的焦化生产中除了采用DCS系统对生产过程进行自动控制外,根据《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》（国家安全生产监督管理总局40号令）的要求，还需要有另外一套独立的SIS安全仪表系统实现异常情况下化工生产装置的紧急停车，以保证化工生产过程中人身和设备的安全。鉴于此，众泰煤焦化对液氨工段进行SIS安全仪表系统升级改造。

1 什么是SIS安全仪表系统

SIS是安全仪表系统，根据美国仪表协会（ISA）对安全系统控制系统的定义而得名，也称紧急停车系统（ESD）、安全联锁系统（SIS）或仪表保护系统（IPS）。

安全仪表系统是指能实现一个或多个安全功能的系统，用于监视生产装置或独立单元的操作，如果生产过程超出安全操作范围，可以使其进入安全状态，确保装置或独立单元具有一定的安全度。安全系统不同于批量控制、顺序控制及过程控制的工艺联锁，当过程变量（温度、压力、流量、液位等）超限、机械设备故障、系统本身故障或能源中断时，安全仪表系统自动（必要时可手动）地完成预先设定的动作，使操作人员、工艺装置处于安全状态。

2 SIS与DCS的区别

（1）DCS一般是由现场控制站、工程师站、操作员站和附属设备等构成；而SIS系统是由传感器（测量仪表、逻辑解算器和检测执行元件）、关联软件及部件等构成。而DCS不含检测执行部分。

（2）DCS用于对工艺操作所需要的各种操作参数均引至计算机控制系统，并视其重要程度分别进行指示、调节、记录、积算、报警及联锁等，实现过程控制、顺序控制和逻辑控制，实现对整个生产过程的集中控制监视和管理；而SIS是超越极限安全即将工艺、设备转至安全状态。

（3）DCS是主动的、动态的，它始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程进行动态控制，以确保产品质量和产量。而SIS系统是被动的、休眠的，如遇突发安全状况，使生产装置安装安全联锁或停车。

（4）DCS安全级别低，不需要安全认证；而SIS系统级别高，需要安全认证。

3 液氨罐区安全仪表系统改造前现状及相关背景情况

我公司液氨工段现有408m3球罐两台，储量为916m3。液氨罐区现场仪表严格按照相关标准规范与设计要求，选用国内外安全可靠的仪表。过程控制采用成熟可靠的集散控制系统（Distributed Control System，英文简称DCS），严格按照国建相关法律法规及标准规范，完成了安全设施与生产装置及液氨罐区的“三同时”。众泰煤焦化运用危险与可操作性分析方法，分析氨区可能存在的安全隐患，评估氨区安全防护措施的充分性。根据现场条件和实际需要提出具体要求，委托有设计资质的中冶焦耐大连工程技术有限公司为我公司氨区改造SIS安全仪表系统设计和施工，由阿克苏地区金峰信息技术有限公司根据设计要求，进行SIS安全仪表系统软件的组态和调试工作。

4 液氨罐区安全仪表系统改造

4.1 安全仪表系统改造前存在问题

氨区改造前，氨区系统控制采用集中控制系统（DCS）与现场操作人员巡检操作相结合的方式，主要存在以下几方面问题：

（1）原设计缺少必要的安全联锁，各工艺参数只有上下限的报警在DCS，根据现场报警由DCS总控通知现场巡检工进行人工操作控制，一旦出现问题或安全突发事件，必须依赖操作人员的紧急应变处置能力。

（2）缺少足够的、必要的紧急切断阀，原设计只在每个储罐出口安装有电动切断阀通过DCS系统远程控制，如在液氨卸车过程中发生意外泄漏事故，无法立即进行切断来阻止事故的扩大蔓延。

（3）DCS选用控制阀门为防爆电动型，在发生意外断电情况下，无法起到应有的作用，不符合安全仪表系统规范要求的安全型气动切断阀。

（4）因原DCS控制系统未设计必要的安全联锁，所以控制器的中央处理单元、输入输出单元、通信单元及电源单元等就更未做到冗余，如系统出现故障，则无法确保液氨罐区的安全操作与停车。

为从根本上改善和解决以上问题，必须升级改造一套与DCS操作控制系统分开、独立的SIS安全仪表系统。

4.2 SIS安全仪表系统升级改造

（1）在众泰煤焦化60万吨焦化液氨区域安装一套液氨SIS安全仪表控制系统，该系统分为中控、现场两部分。系统设计为在中央控制室机柜间内安装一套三重冗余的PLC系统，在操作室内安装操作员站和工程师站，根据生产工艺和联锁要求进行程序的组态和编制。

根据设计要求在现场安装各种传感器、调节阀和切断阀。铺设到液氨各个区域的控制电缆，将安全生产运行所需要的各种温度、压力、流量、液位等信号传输至PLC控制系统，使其按照设计的程序和要求自动对整个无水氨的生产、存储过程进行有效监控。

（2）采用先进的三重冗余PLC控制技术，提高系统的稳定性，在一套系统出现问题时,另外的后备系统能无缝地切换上去。通过OPC数据接口和工业以太网技术，将工艺参数和设备运行状态通过web发布到特定的用户终端。

（3）SIS系统的硬件配置:本项目配置的控制器，其硬件性能指标优异，充分保证了本项目工艺过程和装置设备对SIS系统的性能需求。SIS系统控制器主处理采用专用工业级CPU。所有IO模件都配有专用的端子板ETP。现场信号接入端子板。开关量端子板上有回路保险，模拟量端子板上有电压/电流调整等功能。

系统结构:本项目成套的SIS系统的硬件为ABB PM865K0控制器，控制器为机架扩展式结构，机架之间采用三冗余的I/O BUS相连，SIS系统配有一个主机架，并根据I/O点数的多少，最多可连14个扩展机架。系统还支持远程扩展机架，最大距离为12千米。每套系统最多可支持除系统主机架所在地外共6个远程地址。

软件开发平台是SIS系统的基本软件开发平台，提供给用户的编程语言有功能块（FBD）梯形图（LD）、结构文本（ST），并具有在线修改程序和在线下装功能，较大地方便了用户。该软件支持IEC1131-3标准图库。

（4）调试完成后，SIS安全仪表系统投入试运行，经连续无故障运行72h后，验收合格。

4.3 SIS安全仪表系统升级改造后运行效果

液氨罐区SIS安全仪表系统升级改造完成后，所有的液氨球罐、氨水槽、不合格液氨储槽的压力、温度、液位及储罐输氨压力等共计32个工艺参数全部完成了SIS逻辑控制联锁的安装，任何一个工艺参数达到联锁值，系统将会立即运行，及时安全停车，切断相关阀门；另设有紧急停车按钮，用于紧急状态下氨区的停车与切断，达到了无需依赖巡检工的人为操作处置，即可快速转为安全状态的效果。

5 结束语

项目完成安装调试，投入运行后，公司氨区的本质安全水平得到了根本的改善和提升，液氨生产操作实现自动连锁，提高产品质量。当设备出现重大隐患、关键工艺参数波动超过上下限时，SIS安全仪表系统能及时介入干预，防止出现大的安全事故和环境污染事故。各生产区域设备运行状态和关键工业参数实时上传至中控室和操作间，并通过互联网技术发布到指定的用户终端，运行信息化、自动化手段提高了日常安全生产管理水平，增加了企业经济效益，杜绝人身和设备事故的发生。经过测算，系统投入使用后，产品液氨合格率提高3.2%以上，每年为企业增加76万元效益，减少设备事故和环境污染造成的损失82万元。

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