重大危险源罐区新增SIS的改造应用

2022-09-12

1. 项目背景

2017年11月安监总局发布了安监总管三[2017]121号文件《化工和危险化学品生产经营单位重大生产安全事故隐患判定标准(试行)》中的第5条明确要求指出：“涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级、二级重大危险源的危险化学品罐区未配备独立的安全仪表系统”。罐区通过配置独立的SIS，增加联锁保护控制系统的可靠性，有效防止因联锁保护回路失效导致危险的事件或发生事故。由于是旧罐区增加SIS的改造项目，所以在项目设计的初期，需要提前考虑兼顾的因素更多，设计方案更需慎重和全面。

2. SIS工程项目前期准备

(1)危险与风险分析

针对涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级、二级重大危险源的危险化学品罐区组织了危险与风险分析，我们采取的技术方法是危险与可操作性研究HAZOP，确认风险因素和导致的严重后果。在重大危险源罐区生产应用中，一般都会采取不同的安全措施来防止危险事情的发生或者降低其后果，这样单一保护层的失效不会导致严重的后果。通过HAZOP分析，如果现有保护层不能满足安全生产的要求，导致发生事故出现企业不能承受的严重后果概率较大，此时，则有必要增加多一层来降低风险。

此次属于旧罐区改造，我们具体的操作办法是在原来HAZOP分析的结果基础上，结合后来相关变更，重新组织讨论，形成新的HAZOP分析报告，以作为罐区增加配置独立的SIS系统的依据。

(2)风险等级评估

根据HAZOP分析报告，针对需要增加保护层的罐区，在设计SIF回路前，首先要确认罐区风险等级评估。一般情况，会根据国家的标准或企业的标准来计算所需的风险等级。现阶段很多企业没有应用的经验，所以一般没有明确的计算标准，此时大多数是根据国家的标准进行计算评估。有些企业有明确标准的，原则上一般要求都高于国家标准。此计算的过程较为复杂，而且有些因数采取的是设备在工业大量及长期应用得出的经验数值，计算的团队需要丰富的工厂应用经验。

(3)SIS的设计及选型

SIS系统是由现场传感器、变送单元、逻辑控制单元、执行器等主要仪表设备构成。从项目投资的成本、施工周期和兼顾日常生产等因素考虑，SIS设计方案需考虑满足多方面的要求。结合这些要求先完成安全要求规格书，相当于SIS基础设计文件，具体包含安全功能、安全完整性的设计要求，以及软件的安全要求等。

SIS设备的选型一般采取两个原则：基于经验使用和相关标准认证。一般情况下，对于现场单一仪表选型，采用经验使用的原则具有可行性，但是对于较为复杂的逻辑控制器等设备，采用经验使用的原则并不可行，一般基于IEC61508认证[1]。

(4)SIF的SIL评估

SIS工程项目中最基本的单位是SIF(安全仪表功能)，大概示意图如图1。

每个SIF至少包含传感器、控制器和执行器组成。最终的SIF是否达到预期的SIL要求，则需要对SIL进行评估计算。SIF的SIL评估，通常须满足两个要求：

(1)评定SIS子系统满足了“结构约束”要求，即子系统或设备的容错能力对所能达到的SIL水平的限制，原则上可通过两个参数去判定：硬件故障裕度(HFT)和安全失效分数(SFF)。

(2)对每一个SIF进行PFD avg的值计算，确认PFD avg的值低于安全要求规格书中指定的目标值。对于PFD avg值的计算方法，在工程应用上，常采用故障树分析、马尔可夫分析等[2]。

3. SIS系统应用的配置

(1)SIS系统的硬件配置

例如某炼厂目前液态烃球罐现有的主要仪表配置是1台球罐配套1台雷达液位计、1台伺服液位计、2台超声波液位开关和1台紧急切断阀。现有的伺服液位计采用的是总线通讯信号方式，其余仪表采用的是硬接线4-20mA或开关量信号。如果在新建的液态烃罐区，安全仪表联锁回路一般建议采取3取2的联锁控制回路，但由于本次的应用是在旧罐区基础上改造，受现场仪表信号传输等限制，安全仪表联锁回路采用利旧现场超声波液位开关和紧急切断阀，高高超声波液位开关联锁触发关断紧急切断阀，起到保护罐的作用。控制系统则采用Tricon控制系统，其控制系统主要包含：Tricon主系统、工程师/SOE站、操作站、辅助操作台和报警器等。具体的系统硬件架构图如图2。

SIS控制系统的硬件主要特点如下：

(1)SIS系统获得TUV AK5/AK6级安全认证，可靠性高。

(2)采取了三重模件冗余结构(TMR)，提高系统容错能力，相对于DCS和PLC等其它的生产控制系统，SIS系统具备更加高的安全性、可靠性和灵活性。

(3)每一I/O模块都有三条独立的分电路，相对于常规DCS系统配置，消除因硬件故障造成的误停车，即使存在任何单一故障也不影响整体，真正意义上实现无需系统停车可在线维修。

(2)SIS系统的软件配置

SIS系统采用的是TriStation 1131软件，支持TRICON/TRIDENT各个版本控制器。该软件按IEC1131标准开发，TriStation 1131程序支持四种语言：函数方块图(FBD)、梯形图(LD)、结构文本(ST)、因果矩阵(CEM)。其中上面三种语言(FBD,LD和ST)完全符合IEC1131国际标准。SIS控制系统的软件主要特点如下。

(1)支持离线仿真与监控。

(2)支持在线程序监控和修改。

(3)对系统中的每一个硬件进行循环诊断。

(4)符合IEC 1131标准的系统支持软件。

4. SIS的现场管理

SIS系统正常投用后，并不代表确保安全仪表功能永久安全，也是需要现场管理。

(1)SIS的现场管理大体内容

(1)SIS的现场操作和维护。

(2)SIS开车前的安全审查。

(3)SIS的功能安全审核，确保系统能力，周期性(一般3-5年)的系统性和独立性的审查。

(4)SIS的检验测试和巡检。

(5)SIS的变更管理。

(6)SIS的信息和文档备份存档工作。

(7)其它相关仪表保护措施管理。

(8)在役SIS的安全完整性评估和改进。

(9)SIS的停用。

(2)SIS现场操作和维护的核心工作

SIS现场管理的总体目标应该是确保在操作和维护期间，每个SIF所要求的SIL持续保持。总体要求如下：

(1)制定操作和维护计划。不同的SIL等级，应有不同的维护策略。

(2)建立操作和维护规程，规程应包括由于维修和测试等旁路或降级状态时的补偿措施，最大允许的旁路或降级的时间，操作限制等。

(3)所有的旁路状态应留存记录和状态显示，获得审批手续后方可执行旁路动作。

(4)建立定期检验测试规程，规程应包括对检验测试有效性的评估。检测的频率应根据各种因素(例如历史测试数据、工程经验等)有所调整。

(5)建立和不断完善SIS相关仪表设备的安全性能监控体系，做好预防性维护工作。

(6)建立备品备件管理规程。

(7)操作人员和维护人员应完成相关培训。

5. 结论

本次改造是在罐区原有仪表配置的基础上，企业首次在重大危险源罐区配备独立的安全仪表系统，在液态烃球罐实现了成功的推广应用。从2018年底投用至今，系统运行安全、稳定、可靠，确保了安全仪表联锁回路起到了至关重要的一层保护作用。此成功的工程应用案例，将会为其它企业后期的罐区改造或者改扩建项目提供很好的工程经验借鉴。

摘要：目前，国家及企业对危险化学品罐区的安全平稳运行要求越来越高，重大危险源罐区配备独立的安全仪表系统是一个新的发展趋势，也是国家法律法规强制要求的新标准规范。涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级、二级重大危险源的危险化学品罐区需配备独立的安全仪表系统，因此某石油炼制企业在液态烃球罐配备独立的安全仪表系统，系统投用至今运行稳定可靠，确保液态烃球罐安全生产。

关键词：安全仪表系统,液态烃球罐,HAZOP,功能安全