第４７卷第５期 石油化工 自 动化 Ｖ０ｌ＿４７，Ｎｏ．５ （）ｃｔｏｂｅｒ。２０１１ ２０１１年１Ｏ月 ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ ＩＮ ＰＥＴＲ０一ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ 集气处理站安全仪表系统设计 刘少宇 （胜利油Ｉｔｌ胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营２５７０２６） 摘要：介绍了安全仪表系统（ＳＩＳ）设置的必要性和重要性。介绍了安全系统的应用现状、基本理念的形成和发展、标准和 安全等级的划分等，并对雅克拉集气处理站安全仪表系统各部分的设计作了较详细的论述，从设计的角度分析了安全仪表系统 的组成、设计目的和原则以及手操盘、因果图的一些实例。 关键词：安全仪表系统；安全等级；紧急关断系统；火气监控系统；因果图 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００７—７３２４（２０１１）０５—００２０—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｌｉｕ Ｓｈａｏｙｕ （Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ，２５７０２６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｅｅｄ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ＳＩＳ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ＳＩＳ，ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔ，ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｒａｎｋ ｄｉｖｉｄｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＳＩＳ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｙａｋｅｌａ ｇａｓ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｕｒｐｏｓｅ，ｂｕｉｌｄｕｐ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｉｚｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ．Ｅｘａｍｐｌｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｎｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐａｎｅｌ， ｃａｕｓｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｒｅ ａｌｓｏ １ｉｓｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＩＳ；ｓａｆｅｔｙ ｒａｎｋ；ＥＳＤ；ＦＧＳ；ｃａｕｓｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｄｉａｇｒａｍ ０ 引 言 业应用场合属于ＡＫ４ ＡＫ６级，其中一般锅炉、加 热炉为４级，石油化工生产装置ＳＩＳ的安全等级 一安全仪表系统（ＳＩＳ）的作用是在工艺生产装置 出现故障或可燃气体泄漏、发生火灾时，及时、准确 地自动对事故进行处理，把事故消灭在发生前或防 止事故扩大，以保证人员安全，保护生产设备免遭 般为ＳＩＬ３，即相当于ＴＵＶ的ＡＫ５，ＡＫ６级。表 １列出了国际上ＤＩＮ，ＩＥＣ和ＩＳＡ三个标准的安全 要求等级对比情况。 表１ 安全要求等级对比 ＤＩＮ Ｖ ＶＤＥ０８０１ ＡＫ１ ＡＫ２ ＡＫ３ ＡＫ４ ＡＫ５ ＡＫ６ ＡＫ７ ＡＫ８ ＩＥＣ ６１５０８ ＳＩＬ１ ＳＩＬ１ ＳＩＬ１ ＳＩＬ２ ＳＩＬ３ ＳＩＩ ３ ＳＩＩ ４ ＳＩＩ ４ 破坏。其功能是接受各种报警信号（包括人为的报 警信号、ＦＧＳ检测的报警信号、生产过程中来的极 限报警信号及突发事故状态信号），按预定程序发 出指令，由设在现场的应急关断阀、放空阀等执行 保护性关断。该文就雅克拉集气处理站ＳＩＳ的设 计问题进行阐述。 １ ＳＩＳ的设计原则及目标 ＩＳＡ Ｓ８４．Ｏ１ ＳＩＬｌ ＳＩＬ１ ＳＩＩ １ ＳＩＩ ２ ＳＩＩ ３ ＳＩＩ ３ １．２ ＳＩＳ设计的目标 ａ）必须保证安全停车。 ｂ）在那些只有泄压才能防止危险条件进一步 扩展的地方实施泄压。 ｃ）应最少甚至没有虚假停车，保证生产的连 续性。 收稿日期：２０１１一Ｏ４—１８。 作者简介：刘少宇（１９７３），男，１９９７年毕业于东北电力学院 生产过程自动化专业，学士学位，现工作于胜利油田胜利勘察设计 研究院有限公司，从事石油化工自动化设计工作，任自控室主任、 高级工程师。 １．１ ＳＩＳ的设计原则 ＳＩＳ设计原则：当工厂本身发生危险情况，或 如果不采取行动就会最终导致风险增加，在这些情 况下，ＳＩＳ必须产生及时、正确的输出，来防止任何 危险发生或减轻后果。 ＳＩＳ应该是完全的系统。即传感器、控制 器和控制逻辑、切断阀和泄压阀、手动操作接口等 都是ＳＩＳ专用的。虽然ＳＩＳ设计要瞄准最大的可 靠性和可用性，但又不能把硬件配置和软件的组态 设计得过于复杂。根据经验，大多数使用ＳＩＳ的工 第５期 刘少宇．集气处理站安全仪表系统设计 ２集气处理站ＳＩＳ的设计 雅克拉集气处理站ＳＩＳ由紧急关断系统 （ＥＳＤ）和火气监控系统（ＦＧＳ）组成。两套系统共 用一套控制器，安全等级为ＳＩＬ３级（ＡＫ６级）。 ２．１ ＥＳＤ设计 雅克拉集气处理站ＥＳＤ采用冗余控制器，双 电源的冗余结构，互为热备。在操作站上能监视 联锁动作及报警显示；ＥＳＤ采用事故安全型，检 测端和执行端采用正常带电、事故断电的原则； 在ＥＳＤ上还设置旁路功能，以便于系统启动、操 作、维修。 ａ）ＥＳＤ关断级别分为三级。 １）ＥＳＤ一１为全站关断。该关断级别最高，终 端设备除应急支持系统（延时关断）外全部关断并 紧急放空为该级别关断为手动启动。火灾、爆炸或 重大自然灾害等，属于ＥＳＤ一１级关断。 ２）ＥＳＤ一２为工艺关断。它可由操作人员手 动启动，也可自动启动。除能执行本级关断功能 外，ＥＳＤ一２级关断能触发ＥＳＤ一３级关断。仪表风 源压力过低、系统供电中断、某些关键工艺过程区 可燃气体泄漏严重等，属于ＥＳＤ－２级关断。 ３）ＥＳＤ一３为工艺段关断。可手动或自动 启动。 ＥＳＤ一１，ＥＳＤ一２，ＥＳＤ一３级按钮设有明显的 标志及警告牌，并有保护装置防止误操作。需要注 意：某一级别的关断指令均不引起较高级别的关 断，只能引起本级别及较低级别的关断。 ｂ）ＥＳＤ矩阵盘，设置于中控室操作台上。在 ＥＳＤ面板上完成１，２，３级关断，并对重要参数进 行报警灯指示。 ｃ）系统要求。ＥＳＤ接受所有与工厂状态相关 的信号，并按照每一个逻辑功能图进行动作。在运 行逻辑方面，ＥＳＤ设计成失效一安全型。“１”逻辑 信号为正常状态，“０”逻辑信号是跳闸状态。在失 电或部件出故障时，逻辑输出信号是故障状态，即 “０”状态。 ＥＳＤ的输入在报警或不正常条件下移向开 路位置，在正常状态下，逻辑电路输出保持带电 状态，任何输入变成开路时将导致相应的输出电 路关电。所有模拟和数字输入都为“失效一安 全”设计。输出到电磁阀和泵的信号也应当是 “失效一安全”设计，报警和指示器的输出不是 “失效一安全”设计。所有的输出卡提供与跳闸 点和输出状况有关的输入状况的可视显示，并显 示输出信号的状况。 强制使Ｉ／Ｏ信号通过工程师工作站。强制是 在“钥匙一锁闭”条件下进行的，当打开钥匙后，强 制性取消。ＰＣＳ操作员站的操作员能看见Ｉ／Ｏ的 强制性，并且有事件顺序记录（ＳＯＥ）信息。 ｄ）ＥＳＤ与ＤＣＳ的关系如图１所示。 图１ ＥＳＤ与ＤＣＳ关系示意 ２．２ ＦＧＳ设计 ＦＧＳ设计与ＥＳＤ正好相反，ＦＧＳ逻辑电路是 非带电状态，因此对于输入卡件，ＦＧＳ的卡件有 顺序控制功能，而输出卡件则有循环控制的 功能。 ＦＧＳ矩阵盘安装在中控室操作台上，在完成 所有消防设施的手动释放。该矩阵盘的配置要 求如下：对每个含有消防设施的防火分区在矩阵 盘上都应设有相应的手动／自动／屏蔽切换开关 以及手动按钮。当开关在手动／自动位置时，可 根据控制逻辑进行自动泄放，或可利用矩阵盘上 的手动按钮进行泄放；当开关在屏蔽位置时，手 动与自动都被禁止，系统只能报警，该屏蔽主要 用于系统维护。 ２．３ ＳＩＳ组成设计 ＳＩＳ设计原则：触发元件和最终执行元件，以 及与它们相关的连接和电路都应该是专用于ＳＩＳ 的，ＳＩＳ系统结构如图２所示。 愿 图２ ＳＩＳ系统结构示意 ａ）触发元件。根据设计原则，触发元件的安 装位置应仅仅局限于工艺参数偏离正常范围而又 危及安全的地方。来自ＦＧＳ的信号及操作员接口 设备的手动停车按钮信号都可直接触发停车。根 据工艺流程和设备的实际需要设置现场和控制室 操作盘的触发停车按钮。触发停车按钮信号送入 ＥＳＤ逻辑控制器，由逻辑控制器按因果关系表输 出停车信号。 触发元件的输出应是模拟信号或开关信号，优 选模拟设备；如果是开关信号，开关触点容量一般 ２２ 石油化工自动化 第４７卷 应满足５ Ａ，２５０ Ｖ。在正常运行条件时，引发器件 ｃ）逻辑运算单元。ＳＩＳ逻辑运算单元由输入 模块、控制模块、诊断回路、输出模块４部分组成。 的触点是闭合的，当报警时打开。开关设备终端设 线路监视电阻，检测线路始终处于正常状态。对有 防爆要求的仪表，在安装线路监视电阻后，生产厂 家应确认不影响该仪表的防爆性能。 依据逻辑运算单元自动进行周期性故障诊断，基于 自诊断测试的ＳＩＳ具有特殊的硬件设计，借助于安 全性诊断测试技术保证安全性。 ｂ）执行元件。整个气体处理站工艺流程用紧 急关断阀隔离成若干段，万一非正常条件发生时， 可尽量减少危险的扩展。一旦被关断阀隔离，该工 艺段内所容纳的碳氢物质就可以通过泄放装置直 接泄放到火炬。每个泄放装置由紧急泄放阀、限流 ＳＩＳ采用冗余、容错技术，用于控制的Ｉ／Ｏ 模件及处理器均采用冗余配置，允许模块 在线插拔、更换，设备可在线自诊断，排除报警， 无差错切换。系统具有完善的硬件、软件故障 自诊断功能，可自动记录故障报警并提示维护 人员维护。 ３ ＳＩＳ因果图设计 孔板和到火炬的管线组成。因此，执行器件主要是 紧急关断阀和紧急泄放阀。 执行器件是ＳＩＳ中危险性最高的设备。由于 ＳＩＳ正常工况时是静态的、被动的，系统输出不变， 最终执行元件一直保持原有状态，很难确认最终执 ３．１ 集气处理站ＥＳＤ因果图 为了使工厂在停车之后能够快速再启动，排放 泄压应由操作员在操作台上进行手动操作。除非 因为安全要求，自动排放泄压为必不可少时才设计 成自动排放泄压逻辑。雅克拉集气处理站ＥＳＤ因 果图（部分）见表２所列。 行元件是否有危险故障。因此要选择符合安全度 等级要求的控制阀及配套的电磁阀作为ＳＩＳ的最 终执行元件。 表２雅克拉集气站ＥＳＤ因果图（部分） 注：×——设备动作。 所有ＥＳＤ联锁信号应在工程师站设有自动／ 屏蔽切换开关，当开关在自动位置时，可根据控制 切断物流源的信号存在时，才能手动或自动打开 泄压阀。 逻辑进行自动关断，当开关在屏蔽位置时，自动都 被禁止，系统只能报警。 在工艺开车时，工艺参数都处在非正常状 态，ＥＳＤ停车逻辑应设置启动禁止功能。每组输 对于装置的停车逻辑也纳入ＥＳＤ主系 统，并受其管理和控制。例如透平膨胀机、压缩 机以及加热炉等都要接受来自ＥＳＤ的接点信号 进行紧急停车。这些接点正常情况下是不带电 的干触点。 ３．２ ＦＧＳ因果图 入信号设置一个启动旁通开关（软件旁通开关）。 启动旁通开关的作用是使有关工艺段的紧急停 车功能禁止，待现场工艺参数达到正常值并处于 稳定状态时，启动旁通开关的作用消失，紧急停 车功能恢复。任何启动禁止功能都是由操作员 通过操作员键盘设置，工艺过程达到正常稳定， ＥＳＤ紧急停车逻辑开始运行，并启动紧急停车。 停车的顺序应是先切断物流源才打开泄压阀。 因此，在设计打开泄压阀的逻辑时，必须确认已 火气探测设备（可燃气体探测器、火焰探测器、 手动报警站）检测到现场的气体泄漏或火灾信号， ＦＧＳ可根据逻辑进行自动关断和消防喷淋，也可 以根据报警确定故障位置在矩阵盘上手动操作。 雅克拉集气处理站ＦＧＳ因果图（部分）见表３所 列，表３中所有的设备都为雨淋阀，其作用都为ＯＰ 作用。 第５期 刘少宇．集气处理站安全仪表系统设计 ２３ 注：×——设备动作。 ４ ＳＩＳ设计应注意的几个问题 ｈ）ＥｓＤ输出强迫功能。操作员可以使输出置 设计ＳＩＳ时，应根据工厂的流程特点尽量简 于强迫状态，此时操作员可根据需要使输出置“１” 单，环节最少，下面总结一些气体处理厂ＳＩＳ设计 或置“０”。 的一些看法，供大家参考。 ｉ）安全等级的确定。工艺过程的风险是以恶 ａ）当火灾发生时，设计为一级关断，全厂自动 性事故概率及其造成的后果来衡量的，讨论每一种 切换流程至火炬，实施泄压，以免压力容器受热膨 恶性事故过程，引入ＳＩＳ只能降低恶性事故发生的 胀，发生爆炸。 频率，而不能改变其造成的后果，因此安全等级不 ｂ）当关系全厂的参数或气源、电源中断，迫使 宜过高，满足要求即可。 全厂停车，此时设计为二级关断。二级关断不实施 ５ 结束语 泄压，事故排除后，有利于再启动开车。 安全联锁系统是生产过程中设备、生产、人身 ｃ）有些工艺参数异常，不牵涉全厂停车时，设 安全的“保护神”，在设计、选型及配置安全联锁系 计为三、四级停车。一般三级停车为个别工段、工 统时，要综合考虑装置的可用性与可靠性的要求， 区或某列设备，停掉这些设备全厂仍可继续生产。 同时结合有关联锁系统的标准、规范，选择合适的 四级停车就只是个别设备参数发生异常，只停掉该 安全联锁系统，并做合理的系统配置，以使安全联 设备就可以了。 锁系统发挥出真正的安全保护作用。 从以上说明可以看出：一级停车一般只有在 参考文献： 发生火灾，或进行停产维护时才实施。至于气体泄 ［１］黄步余．ＳＨ／Ｔ３０１８—２ｏｏ３石油化工安全仪表系统设计规 范Ｅｓ３．北京：中国石化出版社，２００３． 漏引起的停车，可能是二级、三级或四级停车，要根 ［２］俞曼丽，周学军，屈长龙．ＳＹ／Ｔ１００４５ ２００３工业生产过程 据工艺流程确定停车。 中安全仪表系统的应用［Ｓ］．北京：石油工业出版 ｄ）在中心控制室设有停车手动控制盘。一般 社，２００３． 盘上装有一、二和部分三级手动停车控制按钮，手 ［３］ 国际电工委员会．ＩＥＣ６１５１１—１过程工业领域安全仪表系 动／自动转换开关，指示灯等，称为矩阵盘。一般 统功能安全第一部分：结构、定义、系统、软件及硬件要求 Ｅｓ］．ＩＥＣ，２００３． 一、二级停车采取手动，三级停车可自动。 ［４］美国国家标准化组织（ＡＮＳＩ），美国仪表学会（ＩＳＡ）．ＡＮＳＩ／ ｅ）ＥＳＤ逻辑设计。ＥＳＤ逻辑基于由一些子系 ＩＳＡ一￥８４．Ｏ１ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓａ｛ｅｔｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ 统组成的模块结构，每一个模块确定一个的工 ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ＥＳ］．ＡＮＳＩ／ＩＳＡ，２００４． 艺段的停车逻辑。ＥＳＤ逻辑应该贯彻最简单、最有 ［５］刘绍亮．科威特西部油田地面工程设计文集ＥＧ］．北京：中 效、最安全的原则；一般采用ＡＮＤ，ＯＲ，ＮＯＴ和定时 国石化出版社，２００２． 功能等基本的逻辑。在紧急停车时，ＥＳＤ的内部逻 ［６］王明春．安全ＰＬＣ系统ＥＪ］．石油化工自动化，２０００，３６（４）： ２９—３３． 辑应保持在停车位置，系统只设计手动复位。 ［７］ 王子平．紧急停车联锁系统的可靠性设计ＥＪ］．石油化工自 ”ＥＳＤ启动禁止功能。在设备初次启动时， 动化，１９９７，３３（１１）：２４—３０． 工艺参数一般都处在非正常状态，ＥＳＤ停车逻辑 ［８］乐嘉谦．化工仪表维修工［Ｍ］．北京：化学工业出版 应设置启动禁止功能。 社，２００４． ｇ）ＥＳＤ维护禁止功能。ＥＳＤ维护禁止时，被 ［９］《石油化工仪表自动化培训教材》编写组．安全仪表控制系 统（ＳＩＳ）［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００９． 禁止的输入信号不再进入ＥＳＤ停车逻辑系统，但 ［１０］张建国．安全仪表系统在过程工业中的应用［Ｍ］．北京：中 这些输入信号的报警功能仍然保留。 国电力出版社，２０１０．
