安全儀表系統(tǒng)中測(cè)量?jī)x表的設(shè)置

王德生，婁悅

(中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司 吉林設(shè)計(jì)院，吉林 吉林 132002)

石油化工裝置的規(guī)模越來(lái)越大型化，安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著國(guó)家和企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)的重視，頒布了SHB-Z 06—1999《石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[1]與SH/T 3018—2003《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，GB/T 21109—2007/IEC 61511《過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》[3-5]，最近又頒布了GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。筆者主要針對(duì)同一個(gè)被控變量既需要對(duì)該變量進(jìn)行過(guò)程控制，同時(shí)該變量又參與聯(lián)鎖邏輯的冗余設(shè)置時(shí)測(cè)量?jī)x表的設(shè)置方案進(jìn)行探討。

1 防爆型式的選擇

安裝在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的測(cè)量?jī)x表，文獻(xiàn)[2]規(guī)定“宜采用隔爆型”，文獻(xiàn)[6]規(guī)定“應(yīng)采用隔爆型或本安型。當(dāng)采用本安系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采用隔離式安全柵?！备鶕?jù)GB 50058—2009《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]的要求，如果隔爆型能夠滿足防爆要求時(shí)，應(yīng)選用隔爆型，減少中間環(huán)節(jié)；當(dāng)隔爆型不能滿足防爆要求時(shí)選用本安型。

2 信號(hào)型式的選擇

“測(cè)量?jī)x表宜采用4～20mA疊加HART傳輸信號(hào)的智能變送器。測(cè)量?jī)x表不應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線或其他通信方式作為安全儀表系統(tǒng)的輸入信號(hào)”[8]。

3 測(cè)量?jī)x表的設(shè)置

測(cè)量?jī)x表的獨(dú)立設(shè)置原則與冗余設(shè)置原則，文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[6]規(guī)定的含義相同，只是個(gè)別用詞稍有差別，文獻(xiàn)[6]規(guī)定：

1) 測(cè)量?jī)x表的獨(dú)立設(shè)置規(guī)定：“SIL 1級(jí)安全儀表功能，測(cè)量?jī)x表可與基本過(guò)程控制系統(tǒng)共用；SIL 2級(jí)安全儀表功能，測(cè)量?jī)x表宜與基本過(guò)程控制系統(tǒng)分開(kāi)；SIL 3級(jí)安全儀表功能，測(cè)量?jī)x表應(yīng)與基本過(guò)程控制系統(tǒng)分開(kāi)”。

2) 測(cè)量?jī)x表的冗余設(shè)置規(guī)定：“SIL 1級(jí)安全儀表功能，可采用單一的傳感器；SIL 2級(jí)安全儀表功能，宜采用冗余的傳感器；SIL 3級(jí)安全儀表功能，應(yīng)采用冗余的傳感器”。

3) 測(cè)量?jī)x表的冗余方式規(guī)定：“當(dāng)系統(tǒng)需要兼顧性和高可用性時(shí)，宜采用‘三取二’邏輯”。

3.1 設(shè)置方案的選擇

對(duì)于同一個(gè)被控變量既需要過(guò)程控制，同時(shí)又參與聯(lián)鎖邏輯的情況，采用“三取二”邏輯冗余設(shè)置的測(cè)量?jī)x表的設(shè)置方案[9-10]。以流量作為被控變量為例，介紹兩種設(shè)置方案，如圖1，圖2所示[11]。

圖1 過(guò)程控制與安全聯(lián)鎖PI方案一

圖2 過(guò)程控制與安全聯(lián)鎖PI方案二

圖1所示方案為通常采用的，安全儀表系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立冗余設(shè)置的測(cè)量?jī)x表(流量變送器)FT-1A，F(xiàn)T-1B，F(xiàn)T-1C采集過(guò)程參數(shù)，經(jīng)安全儀表系統(tǒng)FY-1“三取二”邏輯判斷之后進(jìn)行邏輯處理與運(yùn)算，通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥FV-1的電磁閥FSOV-1與切斷閥XV-1的電磁閥XSOV-1，從而控制FV-1與XV-1，實(shí)現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)功能；基本過(guò)程控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量?jī)x表(流量變送器)FT-1D采集過(guò)程參數(shù)，經(jīng)調(diào)節(jié)器FC-1進(jìn)行邏輯處理與運(yùn)算，控制最終執(zhí)行元件FV-1的電/氣閥門定位器，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制功能。

圖2與圖1方案比較，在于過(guò)程控制部分的不同。由安全儀表系統(tǒng)的FY-1B對(duì)FT-1A/B/C的測(cè)量值取中值或平均值以硬線連接的方式，作為過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器FC-1的測(cè)量信號(hào)，即取消了測(cè)量?jī)x表FT-1D。

3.2 方案二的合理性分析

1) 文獻(xiàn)[6]中規(guī)定：“安全儀表系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于基本過(guò)程控制系統(tǒng)，并應(yīng)獨(dú)立完成安全儀表功能”。安全儀表系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)在裝置設(shè)計(jì)時(shí)即應(yīng)各自獨(dú)立設(shè)置；如圖2所示，安全儀表系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立冗余設(shè)置的流量變送器FT-1A，F(xiàn)T-1B，F(xiàn)T-1C采集過(guò)程參數(shù)，經(jīng)安全儀表系統(tǒng)的FY-1A進(jìn)行“三取二”邏輯判斷之后進(jìn)行邏輯處理與運(yùn)算，F(xiàn)V-1與XV-1的電磁閥實(shí)現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)功能，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有過(guò)程控制系統(tǒng)參與，是符合規(guī)定的。

2) 文獻(xiàn)[6]中規(guī)定：“安全儀表系統(tǒng)不應(yīng)介入或取代基本過(guò)程控制系統(tǒng)的工作”。如圖2所示，安全儀表系統(tǒng)的FY-1B對(duì)FT-1A/B/C的測(cè)量值取中值或平均值以硬線連接的方式，只是作為FC-1的測(cè)量信號(hào)。過(guò)程控制方案及參數(shù)的設(shè)定都是在過(guò)程控制系統(tǒng)中完成，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制功能。即安全儀表系統(tǒng)并沒(méi)有介入或取代過(guò)程控制系統(tǒng)的工作，也是符合文獻(xiàn)[6]的規(guī)定的。

3.3 兩種方案的比較

對(duì)于方案一，如果測(cè)量?jī)x表FT-1D一旦發(fā)生故障，可能使過(guò)程自動(dòng)控制功能失效，引起被控參數(shù)波動(dòng)而超出設(shè)定范圍，導(dǎo)致安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖動(dòng)作，將FV-1與XV-1強(qiáng)制置位于安全位置，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)中斷。

而對(duì)于方案二，在FT-1A/C/B都工作正常時(shí)，安全儀表系統(tǒng)的FY-1B輸出中間值通過(guò)硬線傳輸給過(guò)程控制系統(tǒng)的FC-1，作為測(cè)量信號(hào)；當(dāng)其中1臺(tái)測(cè)量?jī)x表發(fā)生故障時(shí)，安全儀表系統(tǒng)將自動(dòng)切除該臺(tái)儀表的測(cè)量信號(hào)，F(xiàn)Y-1B的輸出自動(dòng)地將“三取中”改為取平均值傳輸給過(guò)程控制系統(tǒng)的FC-1，作為測(cè)量信號(hào)，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，提示維護(hù)人員排除故障，待故障排除后，F(xiàn)Y-1B再自動(dòng)改為“三取中”；如果其中2臺(tái)均發(fā)生故障，將導(dǎo)致安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖動(dòng)作，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)中斷。

通過(guò)比較，方案二不僅減少了1臺(tái)測(cè)量?jī)x表，而且實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制系統(tǒng)測(cè)量?jī)x表的冗余設(shè)置，同時(shí)可以避免方案一中FT-1D發(fā)生故障時(shí)可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在大型的石油化工裝置中，如氧化反應(yīng)器的控制，參與反應(yīng)的各種原料的流量、溫度、壓力，包括反應(yīng)器的溫度、壓力等被控變量之間關(guān)聯(lián)密切，安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯復(fù)雜，過(guò)程控制要求嚴(yán)格，方案選擇應(yīng)經(jīng)過(guò)充分地比較論證以保證裝置安全長(zhǎng)、滿、優(yōu)的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)石化集團(tuán)北京石油化工工程公司.SHB-Z 06—1999石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].北京： 中國(guó)石化出版社，1999.

[2]中國(guó)石化工程建設(shè)公司.SH/T 3018—2003石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)石化出版社，2004.

[3]機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)研究所.GB/T 21109.1—2007/IEC 61511-1 過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第1部分： 框架、定義、系統(tǒng)、硬件和軟件要求[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)研究所.GB/T 21109.2—2007/IEC 61511-2過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第2部分： GB/T 21109.1的應(yīng)用指南[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5]機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)研究所.GB/T 21109.3—2007/IEC 61511-3過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第3部分： 確定要求的安全完整性等級(jí)的指南[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[6]中國(guó)石油化工集團(tuán)公司.GB/T 50770—2013石油化工安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[7]中國(guó)寰球工程公司.GB 50058—2014爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[8]黃步余，范宗海，馬蕾.《石油化工安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范》解讀[J].石油化工自動(dòng)化，2013，49(06)： 1-9.

[9]繆煜新.石油化工裝置中SIS的安全功能[J].石油化工自動(dòng)化，2013，49(03)： 10-12.

[10]劉齊忠，林融.石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施探討[J].石油化工自動(dòng)化，2010，46(05)： 1-6.

[11]全國(guó)化工自控設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.HG/T 20505—2000過(guò)程測(cè)量與控制儀表的功能標(biāo)志及圖形符號(hào)[S].北京： 全國(guó)化工工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，2001.