浅谈设计安全仪表系统提升化工装置安全

2022-10-26

如今，石油化工行业平时作业过程中所需要的装置设备都是比较大型的机械，生产过程中机械设备的自动化程度也很高，故对生产过程中设备以及技术工人的安全也提出了更高的要求。从2014年颁发《安全生产法》就可以发现国家开始抓这些方面。

在保证化工设备生产过程的安全时，安全仪表系统就应运而生。如果工作过程中安全仪表系统出现失灵的现象，就会发生比较意想不到的后果。因此，需要合理地对安全仪表系统进行设计与应用，从而保证安全。

1. 安全仪表系统概述

安全仪表系统(Safety Instrumented System,SIS)是由国际电工委员会(IEC)标准IEC61508及IEC6151l定义的专门用于保证安全的相关系统。

安全仪表系统的作用是根据用于生产的机械装置或设备在生产过程中可能发生的危险进行及时的反映，使该装置或设备进入一个事先设置好的安全工况，从而将危险避免或者损失减小，来保证生产过程的安全。

安全仪表系统在企业安全控制中是不可或缺的系统。在工厂的实际生产中，会对安全管理划分不同的等级，划分等级的标准核心是工艺的生产过程或生产设备的问题，最开始要建立一个有针对性的控制系统，就像某些设备中涉及的分散控制系统。这个系统由传感器、逻辑运算单元和控制元件交互组成，当这个系统感受到周围生产环境有任何危险时，会及时反映迅速自动停止工作，使整个生产环境不受到破坏。生产条件环境会受到很多因素的影响，例如当前的设备工作压力、温度等。一旦安全仪表察觉到了工作状态出现危险的信号时，控制系统会通过可以控制的逻辑器来决定设备开关是否处于切断或导通的状态，从而达到保护设备和操作人员的目的。

安全仪表系统是最开始的防护，用于监控化工设备运行过程中的状态，判断危险发生的可能，及时执行一些保护功能，防止危险的发生，做到减轻危险事件造成的损失，保护工人和生产设备的安全。因此，安全仪表系统的设计要合理规范。

2. SIS的安全生命周期

安全仪表系统的安全生命周期SLC(Safety Life Cycle)是指的系统安全功能正常的全部时期，安全生命周期中各时期质量的好坏就决定了SIS安全水平。SIS的安全生命周期是指从刚开始的系统设计方案布局到后来的工人运行使用和日常保养维修的阶段，一直到整个系统全面停止工作的整个过程，整个过程会涉及到工程设计和机械制造、生产运行等多学科的知识。技术工人可以根据一项工程任务所涉及的规模内容、控制对象的特点、工艺技术的构成等因素，实施系统的功能进行安全管理运行，从而确保整个安全系统各个方面可以满足工厂车间的严格控制要求。

安全生命周期涉及工程方案最原始的设计，生产过程中有关危险可能发生的预测和分析，有关安全的等级划分标准的制定与划分复核，满足安全仪表系统涉及的技术要求，和系统详细的设计，安全仪表系统总装、试验测试，整个系统的日常维护注意事项与售后服务等。

3. 安全完整性等级（SIL）划分

人们根据生产时的条件分析其危险性，工人、工艺、装备的安全性能，以及国家规定的安全性等级的具体条件来评价安全等级。因此把安全等级划为1、2、3、4四个等级。

我们知道安全性等级越高，安全仪表系统越可靠。在一般工作条件下，不同级别的安全仪表，仪表内工作原理与具体元件设计也有较大的差别。

4. 安全仪表系统设计

石油化工装置安全仪表系统包括用于测量的仪表仪器、逻辑控制器和终端元件等。在环境正常的时候，安全仪表系统是不工作的，属于“静止”状态，开始运行时，一直监测生产设备的具体状态，但不影响生产过程。工作环境出现异常时，该系统会按照设计好的情况开始运行，会致使生产装置安全地停止工作，所以整个环境对安全仪表系统的要求是很高的。

安全仪表系统与基本过程控制系统是分开工作的，他们之间没有可以共用的地方，各部分独立工作，并且可以独立地实现功能。

安全仪表系统还有可以判断故障的系统。一般来说，安全仪表系统的终端元件是带电但是不会产生具体动作;出现异常环境时，安全仪表系统会出现失电，显示全部非安全。

(1)测量仪表设计

安全仪表系统采用的是可以测量的仪表，例如压力、温度等。一般不采用那种现场开关控制的，因为用开关的仪表如果长期不运行的话，会出现一些接触不好的情况，可能会发生工作时做出错误的指令动作，从而影响其功能的实现。安全仪表系统需要给测量过程中供电。

(1)测量仪表有独立设置的要求。SIL1级时，测量仪表可以共用基本过程控制系统;SIL2级和SIL3级时，这个时候测量仪表与基本过程控制系统分开效果会比共用好很多。(2)测量仪表的冗余设置原则。SIL1级时，为了满足安全要求用单一的测量仪表就可以达到了;SIL2级与SIL3级时最好采用较多的仪器。(3)测量仪表的冗余选择原则。当工作环境对安全有较高要求时，这时采用“或”的单元逻辑;当环境对功能要求比较高时，这时采用“与”的单元逻辑;当工作环境对二者都有高的要求时，这时需要采用三取二的单元逻辑。当然，测量仪表的冗余设置和安全性等级，二者没有具体的对应关系。

(2)终端元件设计

终端元件包括电磁阀、电机和气动控制阀等，气动控制阀又包括调节阀和切断阀。(1)控制阀的独立设置原则。SIL1级时，气动控制阀共用基本过程控制系统，这时还可以保证安全仪表系统的动作要优先发生;SIL2级与SIL3级时，这时气动控制阀不要与基本过程控制系统一样，要相互独立。(2)控制阀的冗余设置原则。SIL1级时，这时用一个的控制就可以达到要求;SIL2级时，最好用上冗余控制;SIL3级时，是需要冗余控制的。控制阀冗余控制方法可以用一对一样的切断阀，也可以调节阀和切断阀各用一个。(3)气动控制阀配置也有一定要求。其中涉及的电磁阀应该是可以在高温下运行的，并且要求绝缘，还要长时间隔爆。在系统正常运行时，电磁阀处于不带电的情况。在工作环境出现危险时，电磁阀带电工作。

(3)逻辑控制器设计

逻辑控制器是SIS中可以同时完成几个逻辑功能的元件。这个适合可编程的电子系统。(1)逻辑控制器的独立设置原则。SIL1级与SIL2级时，这时控制器需要独立于系统;SIL3级时，不同的是这时逻辑控制器也是要独立的。(2)逻辑控制器的冗余设置原则。与之前的设置不同的是，此时三个等级全部都要采用冗余设置，才能保证逻辑控制器的正常工作。

(4)通信接口

两个系统的串行通信接口都是采用RS485，然后通信协议是采用MODBUSRTU或TCP/IP。这个时候的通信接口要求冗余配置，而不是单一，这是为了确保诊断功能的正常运行。

5. 安全仪表系统的实施提升化工装置安全

(1)HAZOP分析在某些方面具有一些不确定性的因素

HAZOP分析的作用是用来分析温度的高低、流速的快慢和压力大小等相关的参数发生变化带来的影响，但是对于设备或管子的损坏、应力出现疲劳、人为因素等带来的坏处可能会无法完全分析或者分析得不彻底，因此这个分析不能分析出所有的安全风险类型。除此之外，不同的操作工人、工人们异常的经验和储备知识会导致HAZOP分析结果也有一定差别。

(2)SIS系统仅是提升化工安全的手段之一

LOPA的分析可以发现，工人们是可以采取不同的方法来维持化工设备的安全工作的。这些方法既有来自于技术知识层面的，还有包含管理层面的方法;既包括事发之前的，也包括发生过程中的以及事情发生以后的。通过安全仪表系统来提升系统的安全只是保证安全的众多方法之一。

(3)仪表的SIL定级的基础是规范使用

具备SIL等级证书的仪表装置要根据具体的技术要求来安装与调试，还要正确的使用和维护它，这样失效概率才能有效地发挥作用。如果失效概率不正常的话其产生的后果可能最终会影响SIF回路出现错误的反应。错误动作的发生会导致的装置临时停止动作或者重新启动过程，在重启与停止的过程中会产生安全风险，这要引起操作人员的注意和采取对付措施，才不会发生由于安全仪表系统的问题反而增加了风险。

(4)规范的运行维护是SIS系统可靠运行的基础

SIS系统对于运行有严格的要求，要制定有效的管理与落实好相关规定，才可以保证SIS系统的可靠性能。第一，现场安装时，要确保仪表的正确安装、密封好、按时进行准确性检查，保证能够准确地进行输入。第二，安装逻辑单元的部分时要保证运行环境具备好的湿度与温度，要求接地，还要求各个单元的硬件部分、通讯功能、报警系统、自我诊断等功能要可以正常运行。

6. 结束语

我国经济不断发展，相信未来我国化工相关行业也会蓬勃发展，其化工装置设备的发展方向也必然是大型的和智能的，化工生产过程中的安全问题就不容忽视，本文所探讨的安全仪表系统是会影响到化工过程设备的安全运行的，如今过程工业蓬勃发展，过程工业复杂，使得SIS的设置特别重要。以后，化工行业和研究技术人员在设计和使用安全仪表系统过程中要综合考虑各方面影响，确保安全仪表系统的正确合理性，防止设计不当带来的后果。

摘要：化工生产通常是危险的，生产环境是易燃、易爆、易中毒的，并且该生产对工艺要求又很严格。化工生产是比较特别的，存在很多的安全隐患问题，因此该行业更加看重对生产过程中的安全保证。本文详细介绍了安全仪表系统的组成部分、安全使用寿命周期，并且定义了保护层，行业中安全性等级的划分及其原则。

关键词：安全仪表系统,安全生命周期,安全性等级