重大危险源罐区安全仪表的升级与改造

李传真

重大危险源罐区安全仪表的升级与改造

李传真

（中海油东方石化有限责任公司，海南 东方 572600）

近年来，随着石油化工项目规模扩大，国家安全监管总局对涉及“两重点一重大”的危险化学品储存装置高度重视，相继颁布了相关标准规范和指导意见。以某炼化企业重大危险源罐区安全仪表升级改造为例，从项目的设计、施工、验收全流程出发，阐述了升级改造的内容和原因，分析选择合适的安全仪表系统。

重大危险源；罐区；安全仪表系统；升级改造

随着自动控制技术的飞速发展，炼化产业的规模日益扩大，液化烃储罐容积和布置趋于大型化发展。工业过程控制和工厂都更加关注影响人身财产和社会环境的潜在事故。面对这些需求，重大危险源罐区安全仪表的增设就显得格外必要。而近年来我国发生的重大化工危险化学品事故（如7·16大连输油管道爆炸事故、1·7兰州石化公司火灾爆炸事故）均与罐区储罐安全仪表失效或设置不当有关。

1 项目背景

为了加强安全仪表系统（SIS）管理，充分利用SIS的安全保护手段，预防重特大事故，降低事故损失，按照安监总管三[2016]62号《遏制危险化学品和烟花爆竹特大事故工作意见》“自2017年1月1日起，凡是构成一级二级重点危险源，未涉足紧急停车（紧急切断）功能的危险化学品罐区，一律停止使用”的要求，某公司在集团公司安全仪表系统管理检查时检查出其涉及“两重点一重大”的储存装置丙烯、液化气罐区虽设有紧急切断阀，但联锁设置在DCS内，未建立独立的安全仪表系统；现场传感器、执行机构安全仪表等级也不够SIL等级要求等问题，需要升级改造。

2 前期准备

2.1 危险与可操作性分析

早在2013年和2014年，国家相继颁布《国家安全监管总局关于加强化工过程安全管理的指导意见》（安监总管三[2013]88号）、《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三[2014]116号），意在组织开展安全仪表系统安全完整性等级评估，同时逐步完善安全仪表系统管理制度和内部规范。

88号文指出对涉及“两重点一重大”的审查储存装置进行风险辨识分析，要采用HAZOP技术，一般每3年进行一次。

依据《危险化学品重大危险源辨识》（GB 18218—2018），该公司的丙烯罐区、液化气罐区均构成危险化学品一级重大危险源，涉及2个罐区，12个球形储罐，并增设SIS系统。在进行危险与可操作性分析中，对工艺流程进行全面的评估，确认风险因素会导致的严重后果，并提出须要设置报警和仪表安全联锁，作为SIL定级的设计输入。

2.2 SIL定级

SIL定级就是确定SIF安全仪表功能的安全仪表等级。依据HAZOP分析结果，采用基于事故场景的半定量方法——即LOPA方法进一步评估保护层的有效性。根据影响人员安全、环境安全和造成的经济损失来对可能产生的后果和事故发生频率进行评估，确定出相应的安全功能等级，将风险控制到企业允许的范围之内[1]。定级结果是安全要求规格书（SRS）的一部分，是安全仪表系统设计、采购、功能验证、测试、确认的依据。

一个完整的安全仪表系统应包括传感器、逻辑控制单元、最终执行机构3个部分，所以其安全仪表系统的安全等级是由构成SIS系统的,3个单元的SIL来确定的。

SIL装置= SIL传感器+ SIL逻辑单元+SIL执行机构。

例如传感器为SIL2级，而SIL2每年故障概率平均值为0.01~0.001，取中间值为0.005；逻辑单元为SIL3级，取中间值为0.000 5；执行机构为SIL1级，取中间值为0.05，则：

PFDavg= 0.005+ 0.000 5+ 0.05=0.055 5

安全等级与系统发生故障概率（PFDavg）在IEC61508与IEC61511中做出了规定，如表1所示。

表1 SIL等级与故障概率对应表

综上所述，可以初步确定整个回路安全仪表等级为SIL1级。通俗地说，装置的安全度等级由其构成的3个单元中最低的SIL等级决定。

依据该公司2019年6月的罐区安全仪表系统评估安全完整性等级（SIL）选择分析报告，根据危险发生的概率和危险发生时带来危害程度，最后得出丙烯罐区、液化气罐区的安全仪表等级为SIL1级别。

2.3 SIS的设计及选型

2.3.1 SIS 系统选型

由于该改造项目属于旧罐区改造项目，为了方便SIS系统并网，同时适应全厂控制系统备件管理，进而节约成本，故采用了对已有 SIS 系统利旧并进行适应性扩容改造和系统组态。原SIS系统为霍尼韦尔公司的Safe Manager系统，采用了由 TUV 安全认证 SIL3 的QMR四重化的安全可编程序控制器完成装置的联锁保护或紧急停车（ESD）。按照故障安全型设计，属于SIS 系统中技术先进、成熟可靠的产品。 同时，本次SIS选型考虑到未来其他罐区后续可能增设SIS，为满足其容量需求，也考虑了预留通道和系统负荷等问题，处理器与数据存储器、数据通信网络负载需要控制在40%范围内，电源负载能力控制在50%以内，软件与通信系统扩展能力控制在30%以内[2-3]。

2.3.2 现场仪表选型

现场仪表选型应考虑丙烯、液化气介质易燃易爆的特点，满足过程测量与控制的精度、压力和温度、腐蚀性的要求，以及所处区域的防爆、防护等级的要求。同时在选择仪表测量原理和类型方面，应充分结合其他相关标准要求，如《易燃易爆罐区安全监控预警系统》（GB17681—1999）中指出“液体储罐必须配置液位检测仪表，同一储罐至少配备两种不同类型的液位检测仪表。储存易燃易爆介质的储罐，应配备高、低液位报警回路，必要时应配有液位与相关工艺参数之间的联锁系统”[4]。

3 改造实施

3.1 联锁逻辑及控制方案

罐区改造SIS系统高液位联锁逻辑图如图1所示，储罐的高高液位开关由 SIS 系统实现联锁关闭相应进料罐线的气动切断阀，以保证储罐的安全。

低低液位联锁逻辑图如图2所示。低低液位开关由 SIS 系统实现联锁关闭相应出罐线的气动切断阀并联锁停泵P-01至P-06，并关闭相应泵出口管线电动阀，引入出罐线的气动切断阀阀位全开状态作为输入条件，以免停用或其他异常工况时，引起联锁，导致误关阀、停泵以至于影响生产。每个液位开关信号在系统内增加延时，为避免因未知原因导致的信号波动，对于系统联锁判断造成影响，引起联锁，导致误关阀、停泵以至于影响造成生产。液位开关信号延时时间根据储运专业条件设为5 s。

图2 低液位联锁逻辑图

3.2 改造施工内容

已经明确SIS定级原则和联锁逻辑后，将本次SIS改造分为现场传感器、逻辑控制单元、现场执行机构3个部分进行升级和改造。罐区SIS改造示意图见图3。

图3 罐区SIS改造示意图

3.2.1 传感器

球罐的连通管上原设有高高、低低两浮球液位开关，但浮球液位开关属于机械式液位计，其安全仪表等级不能满足设计定级，故将所有原有浮球液位开关更换为音叉液位开关（SIL2），原每台浮球液位开关有上下两片法兰连接，新音叉液位开关采用原浮球液位下法兰安装，同时为音叉液位开关安装150 mm长法兰短管，原浮球液位上法兰安装法兰盖盲死。新增音叉液位开关利旧原有浮球液位开关电缆，但电缆进入机柜间的DCS系统改为接入机柜间的新增的SIS系统。

3.2.2 逻辑控制单元

原控制系统采用DCS系统控制，本次升级改造后，将液位开关、切断阀、机泵控制完全引入独立SIS中，增加了安全仪表系统的可靠性，有效降低系统发生故障概率对生产安全影响。

3.2.3 现场执行机构

球罐进出管线原有气动闸板阀由于不满足安全仪表等级，故更换为双向密封气动平行双闸板闸阀（SIL2）。新阀门利旧原有电缆，进入机柜间的DCS系统改为接入机柜间的新增的SIS系统。同时利旧原有供气管线、供气设施及储气罐。同时为现场新阀门增设了防火罩，因为按照《石油化工自动化仪表选型设计规范》（SH/T3005—2016）中要求“当工艺安全对紧急切断阀有防火保护要求时，用于紧急切断阀的气动执行机构及附件应有防火保护措施，首选安装防火保护罩，防火保护罩应符合UL1709标准，能够在1 093 ℃下，抵抗烃类火灾30 min”[5]。

除此之外，现场还在防火堤外增设了现场紧急切断按钮（SIL2）与球罐进出管线阀门一一对应，新增现场紧急切断按钮设立于原有防火堤外远程手动关阀按钮旁。

4 验收与维护

SIS系统施工完成后，并不意味着安全仪表功能永久安全，仍需对其进行相应的验收和维护[6]。验收方面，《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》中对应IEC61508和IEC61511标准，明确指出了有资质的安全仪表认证机构，如上海仪器仪表研究所SITIIAS认证、德国TÜV认证、美国EXIDA、Bureau Veritas法国必维等安全仪表认证。用户需针对SIL认证报告开展相应的功能安全审核，确保其认证报告编号与现场实物一致，认证时期未失效，SIL认证等级满足设计定级，相关的附件如电磁阀、安全栅、继电器等是否符合SIL认证及PFD系统发生故障的概率。

维护方面，需制定维护计划及策略，定期检验测试回路，对实现安全功能的安全相关系统的系统性失效、硬件失效进行功能安全评估，以判定安全功能是否满足安全要求规格书（SRS）的要求。

5 改造意义

本次改造是企业首次在重大危险源罐区配备独立的安全仪表系统，对于企业方面满足了企业总部和政府安监部门的检查要求，确保了企业安全生产的合法性，帮助企业顺利换发了安全生产许可证。同时，通过功能安全评估，对高风险场景有效预防控制，优化工艺装置的操作规程，有效提高工艺装置的运行安全，科学合理确定SIS系统中各联锁的SIL等级，针对性配置，提高项目改造的经济性，节约成本。

对于员工而言，通过功能安全评估，帮助员工深刻理解本装置的过程风险，有效提高员工的安全意识和能力，有助于保障人身安全。

6 结束语

罐区安全仪表的升级和改造作为提升设备设施完整性工作的一部分，受到的重视和关注越来越高。石油化工重大危险源罐区危险性较大，如不甚发生次生事故，将造成企业和社会的巨大经济损失。国家安全监管总局三司也相继推出法规条文指导意见，意在加强罐区安全仪表人才培养工作，提高企业罐区安全仪表管理维护水平。在罐区安全生产管理中，应采取多种手段措施确保安全系统功能的实现，充分保护企业的经济效益和人身安全。

［1］ 翟羽鹏，张冬梅，王金昭．SIS系统在丙烯罐区装置中的应用[J]．吉林化工学院学报，2014，31（3）：10-13．

［2］ 赵运昕．石油化工重大危险源SIS系统安全功能设计[J]．石化技术，2019（4）：216-217.

［3］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.

［4］ GB17681—1999，易燃易爆罐区安全监控预警系统[S].

［5］ SH/T3005—2016，石油化工自动化仪表选型设计规范[S]．

［6］ 陈罗汉．重大危险源罐区新增SIS的改造应用[J]．当代化工研究，2020（6）：100-101.

Upgrade and Transformation of Safety Instruments in Tank Farms With Major Hazards

（CNOOC Dongfang Petrochemical Co., Ltd., Dongfang Hainan 572600, China）

In recent years, with the expansion of petrochemical projects, the State Administration of Work Safety has attached great importance to hazardous chemical storage devices involving "two important points and one major", and has successively issued relevant standards and guidelines. In this article, taking the upgrade and transformation of safety instrumentation in a major hazardous source tank farm of a refining and chemical enterprise as an example, starting from the whole process of project design, construction, and acceptance, the content and reasons of the upgrade and transformation were explained, and the appropriate safety instrument system was analyzed and selected.

Major hazard sources; Tank farm; Safety instrumented system; Upgrading

2020-12-16

李传真（1988-），男，满族，辽宁省抚顺市人，中级职称， 2011年毕业于辽宁石油化工大学测控技术与仪器专业，研究方向：仪器仪表自动化。

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1004-0935（2021）06-0795-04