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            集气处理站安全仪表系统设计

            文档作者: 刘少宇        文档来源: 胜利油Itl胜利勘察设计研究院有限公司
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            更新时间: 2021年01月08日
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            第47卷第5期 2011年1O月 石油化工 自 动化 AUT0M AT10N IN PETR0一CHEM ICAL INDUSTRY V0l_47,No.5 ()ctober。2011 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 &amp;amp; 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 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,?;ど璞该庠?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 ?;ば怨囟?。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 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应该是完全独立的系统。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 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 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。 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?;鹪?、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??墒侄蜃远?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?;ぷ爸梅乐刮蟛僮?。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?!?”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 的触点是闭合的,当报警时打开??厣璞钢斩松?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。 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 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 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。 c)逻辑运算单元。SIS逻辑运算单元由输入 ???、控制???、诊断回路、输出???部分组成。 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。 SIS采用冗余、容错技术,用于控制的I/O 模件及中央处理器均采用冗余配置,允许???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 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。 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 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 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 切断物流源的信号存在时,才能手动或自动打开 泄压阀。 对于独立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 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 设计SIS时,应根据工厂的流程特点尽量简 单,环节最少,下面总结一些气体处理厂SIS设计 的一些看法,供大家参考。 a)当火灾发生时,设计为一级关断,全厂自动 切换流程至火炬,实施泄压,以免压力容器受热膨 胀,发生爆炸。 b)当关系全厂的参数或气源、电源中断,迫使 全厂停车,此时设计为二级关断。二级关断不实施 泄压,事故排除后,有利于再启动开车。 c)有些工艺参数异常,不牵涉全厂停车时,设 计为三、四级停车。一般三级停车为个别工段、工 区或某列设备,停掉这些设备全厂仍可继续生产。 四级停车就只是个别设备参数发生异常,只停掉该 设备就可以了。 从以上说明可以看出:一级停车一般只有在 发生火灾,或进行停产维护时才实施。至于气体泄 漏引起的停车,可能是二级、三级或四级停车,要根 据工艺流程确定停车。 d)在中心控制室设有停车手动控制盘。一般 盘上装有一、二和部分三级手动停车控制按钮,手 动/自动转换开关,指示灯等,称为矩阵盘。一般 一 、二级停车采取手动,三级停车可自动。 e)ESD逻辑设计。ESD逻辑基于由一些子系 统组成的??榻峁?,每一个??槿范ㄒ桓龆懒⒌墓?艺段的停车逻辑。ESD逻辑应该贯彻最简单、最有 效、最安全的原则;一般采用AND,OR,NOT和定时 功能等基本的逻辑。在紧急停车时,ESD的内部逻 辑应保持在停车位置,系统只设计手动复位。 ” ESD启动禁止功能。在设备初次启动时, 工艺参数一般都处在非正常状态,ESD停车逻辑 应设置启动禁止功能。 g)ESD维护禁止功能。ESD维护禁止时,被 禁止的输入信号不再进入ESD停车逻辑系统,但 这些输入信号的报警功能仍然保留。 h)EsD输出强迫功能。操作员可以使输出置 于强迫状态,此时操作员可根据需要使输出置“1” 或置“0”。 i)安全等级的确定。工艺过程的风险是以恶 性事故概率及其造成的后果来衡量的,讨论每一种 恶性事故过程,引入SIS只能降低恶性事故发生的 频率,而不能改变其造成的后果,因此安全等级不 宜过高,满足要求即可。 5 结束语 安全联锁系统是生产过程中设备、生产、人身 安全的“?;ど瘛?,在设计、选型及配置安全联锁系 统时,要综合考虑装置的可用性与可靠性的要求, 同时结合有关联锁系统的标准、规范,选择合适的 安全联锁系统,并做合理的系统配置,以使安全联 锁系统发挥出真正的安全?;ぷ饔?。 参考文献: [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. [2] 俞曼丽,周学军,屈长龙.SY/T10045 2003工业生产过程 中安全仪表系统的应用[S] .北京:石油工业出版 社,2003. [3] 国际电工委员会.IEC61511—1过程工业领域安全仪表系 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. [4] 美国国家标准化组织(ANSI),美国仪表学会(ISA).ANSI/ ISA一$84.O1 Application of Sa{ety Instrumented Systems for the Process Industries ES].ANSI/ISA,2004. [5] 刘绍亮.科威特西部油田地面工程设计文集EG].北京:中 国石化出版社,2002. [6] 王明春.安全PLC系统EJ].石油化工自动化,2000,36(4): 29—33. [7] 王子平.紧急停车联锁系统的可靠性设计EJ].石油化工自 动化,1997,33(11):24—30. [8] 乐嘉谦.化工仪表维修工[M].北京:化学工业出版 社,2004. [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. [10] 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.
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