SIS系統(tǒng)在義馬氣化廠合成氨裝置中的應(yīng)用

郝　瓊 ， 董少磊 ， 畢　輝

(河南煤氣化(集團(tuán))義馬氣化廠 ， 河南 義馬　472300)

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SIS系統(tǒng)在義馬氣化廠合成氨裝置中的應(yīng)用

郝瓊 ， 董少磊 ， 畢輝

(河南煤氣化(集團(tuán))義馬氣化廠 ， 河南 義馬472300)

摘要：危險(xiǎn)化工工藝設(shè)置獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的SIS系統(tǒng)，才能保證生產(chǎn)過程中的安全性和穩(wěn)定性。該文介紹了SIS系統(tǒng)及其作用原理，闡述了HONEYWELL公司的SIS系統(tǒng)在義馬氣化廠合成氨裝置中的應(yīng)用以及運(yùn)用效果，說明SIS系統(tǒng)在提升邏輯控制與主要化工設(shè)備與裝置的安全性之間發(fā)揮著重要的作用。

關(guān)鍵詞：SIS 系統(tǒng) 合成氨 應(yīng)用

0引言

近些年來，國家對煤化工行業(yè)鼓勵(lì)政策的不斷推出，全國各地煤化工發(fā)展趨勢日漸高漲，基于這種生產(chǎn)物耗、能耗的集中化和擴(kuò)大化趨勢，各地化工工業(yè)生產(chǎn)裝置的密集程度變得越來越高，相對應(yīng)的對操作、控制及安全的要求也越來越嚴(yán)格，化工行業(yè)生產(chǎn)過程安全控制也越來越受到人們的關(guān)注。在這種生產(chǎn)工藝事故高發(fā)、頻發(fā)狀態(tài)之下，SIS安全儀表系統(tǒng)，一種自動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)，用于監(jiān)視生產(chǎn)過程狀態(tài)，判斷危險(xiǎn)條件，防止風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生或者減輕風(fēng)險(xiǎn)造成的后果的裝置，成為了現(xiàn)代化工工業(yè)安全管理所采用的必要手段。

義馬氣化廠合成氨工藝屬于國家安監(jiān)總局公布的首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝。國家安監(jiān)總局116號文件中明確要求，對于涉及機(jī)械設(shè)備故障、控制系統(tǒng)自身故障或能源中斷時(shí)使工藝裝置及操作人員處于安全狀態(tài)的保護(hù)應(yīng)采用性能可靠、技術(shù)先進(jìn)的緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

1SIS系統(tǒng)及其作用原理

SIS安全儀表系統(tǒng)(Safety instrumented systems,SIS)是一種自動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng),它在保證正常生產(chǎn)和人身、設(shè)備安全過程中發(fā)揮著重要的作用，是工業(yè)自動(dòng)化的不可缺少的一部分[1]。在過程工業(yè)中,安全儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性對于發(fā)生事故的影響十分巨大，因?yàn)樵谶^程工業(yè)中發(fā)生的安全事故往往會(huì)造成人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失，因此開展過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)安全評定對于保證過程工業(yè)安全具有十分重要的意義。它的主要作用為企業(yè)內(nèi)控制系統(tǒng)中報(bào)警和聯(lián)鎖部分，對控制系統(tǒng)中檢測到的結(jié)果進(jìn)行報(bào)警動(dòng)作以及調(diào)節(jié)或停機(jī)控制，是工廠企業(yè)自動(dòng)控制中的重要一部分[2]。

安全儀表系統(tǒng)是一種可編程的控制系統(tǒng)，它由(傳感器、邏輯運(yùn)算器和最終執(zhí)行元件，即檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元)組成[3]。它可以監(jiān)測生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的或者隱藏的危險(xiǎn)，對生產(chǎn)裝置以及設(shè)備中有可能發(fā)生的危險(xiǎn)果斷采取緊急措施，發(fā)出預(yù)警信息或者對慢慢惡化的狀態(tài)直接響應(yīng)執(zhí)行預(yù)定的程序，即刻進(jìn)入操作，使裝置進(jìn)入到預(yù)定義的安全停車工況，使得危險(xiǎn)和損失降到最低的程度，保證企業(yè)中生產(chǎn)、設(shè)備、人員和環(huán)境的安全。防止安全事故的發(fā)生、并且降低事故帶來的危害及其影響。

2合成氨裝置SIS系統(tǒng)硬件介紹

義馬氣化廠合成氨SIS系統(tǒng)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通訊，采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)通道，全部控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過交換機(jī)接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，從物理結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從控制系統(tǒng)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的單向傳輸，確保輔助控制系統(tǒng)的安全。完全切斷SIS向生產(chǎn)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，最大程度上防止了可能出現(xiàn)的病毒擴(kuò)散。接口計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，接口機(jī)是實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)從控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到SIS的橋梁。這些接口設(shè)備對于現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀取均采用單向傳輸，不允許這些接口設(shè)備直接進(jìn)行修改、組態(tài)對于下層控制網(wǎng)絡(luò)，也不允許對工藝過程進(jìn)行直接控制，這樣在任何情況下都不會(huì)影響DCS/PLC等下層控制網(wǎng)絡(luò)的安全性。這些數(shù)據(jù)通過全部底層接口通過隔離器及工控機(jī)后，匯總至SIS系統(tǒng)核心交換機(jī)CISCO 2960G，每個(gè)傳輸通道均單獨(dú)配置Vlan，相互之間無法直接訪問，避免了數(shù)據(jù)通道之間的數(shù)據(jù)交換。SIS核心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器由DELLT3500 PC服務(wù)器，數(shù)據(jù)接口機(jī)DELL工控機(jī)，數(shù)據(jù)交換機(jī)CISCO 2960G(24口千兆交換機(jī))、1G的以太網(wǎng)卡、4塊菲尼克斯的直流電源和冗余模塊、倍加福安全柵構(gòu)成，并配獨(dú)立的防病毒服務(wù)器，企業(yè)級殺毒軟件對SIS核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)。數(shù)據(jù)通訊接口支持：TCP/IP、UDP、API等接口。采取模塊構(gòu)件，可靈活選擇配置，系統(tǒng)為B/S結(jié)構(gòu)，管理和維護(hù)都集中在服務(wù)器中。功能儀表安全儀表系統(tǒng)供電采用UPS、IPS雙路供電方式，測量的信號使用故障安全型，確保失電時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于安全停車狀態(tài)，邏輯控制器采用獨(dú)立的SIS與DCS聯(lián)鎖邏輯相結(jié)合的控制方式，測量元件(傳感器)采用冗余、多點(diǎn)測量形式，增強(qiáng)了測量的可靠性，執(zhí)行器采用切斷閥和調(diào)節(jié)閥混合控制的方式，增強(qiáng)了執(zhí)行器的可靠性。系統(tǒng)中使用一次元件測量，信號兩路分配的方式分別送入DCS和SIS系統(tǒng)，輸出雙重控制執(zhí)行器，即DCS既實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)又實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制功能，SIS系統(tǒng)共用信號，邏輯獨(dú)立控制。

3合成氨系統(tǒng)SIS點(diǎn)介紹

義馬氣化廠合成氨裝置中分有進(jìn)料及反應(yīng)單元、余熱回收單元、冷卻分離單元、氣氨液氨的排放處理、開車還原五個(gè)節(jié)點(diǎn)。進(jìn)料及反應(yīng)單元的主要作用是自循環(huán)壓縮機(jī)來的工藝氣經(jīng)熱交換器預(yù)熱升溫后分三股，合成塔零米副線、上層間冷卻器、下層間冷卻器升溫后進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行合成反應(yīng)，反應(yīng)氣送合成廢鍋。自合成氣壓縮機(jī)來的新鮮氣經(jīng)新鮮氣氨冷器冷卻，并分離出氨中夾帶的少量水分后進(jìn)入合成循環(huán)系統(tǒng)；余熱回收單元的主要作用是自合成塔出來的合成氣經(jīng)廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽、熱交換器預(yù)熱工藝氣后進(jìn)入水冷器、冷交進(jìn)一步冷卻后送往下一單元；冷卻分離單元的主要作用是冷卻后的合成氣入一級氨分離器進(jìn)行氣液分離，分離的工藝氣經(jīng)一級氨冷、二級氨冷器用液氨冷卻后入二級氨分，分離出的氣體作為循環(huán)氣返回冷交降低工藝氣溫度后去循環(huán)氣壓縮機(jī)增壓，一級氨分、二級氨分分離的液氨進(jìn)入閃蒸槽減壓閃蒸，閃蒸氣送氨洗，液氨作為成品外送；自冷凍站來液氨與產(chǎn)品液氨換熱后依次進(jìn)一級氨冷器、二級氨冷器冷卻工藝氣后，蒸發(fā)氣氨返回冷凍站；氣氨液氨的排放處理的主要作用是閃蒸氣及液氨球罐來的閃蒸氣進(jìn)入氨洗塔經(jīng)洗滌水洗滌后進(jìn)入放空總管至氨火炬排放，洗滌的氨水送往煙氣脫硫，裝置區(qū)內(nèi)所有含氨排氣均送往含氨尾氣總管送往火炬，所有污氨均經(jīng)污氨總管收集后送冷凍站；開車還原的主要作用是裝置中設(shè)置有開工電加熱爐，為氨合成催化劑提供還原所需的熱量。經(jīng)過危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)對合成氨裝置辨識(shí)出危險(xiǎn)事件及其風(fēng)險(xiǎn)類別，并運(yùn)用SIL評估，結(jié)合最小風(fēng)險(xiǎn)降低要求，全面分析所有的風(fēng)險(xiǎn)降低措施，確定安全儀表系統(tǒng)的效能指標(biāo)，即目標(biāo)SIL等為SIL2。氨合成裝置中運(yùn)用HONEYWELL SIS系統(tǒng)，實(shí)際實(shí)現(xiàn)的是SIL3等級，在氨合成裝置中設(shè)有74個(gè)點(diǎn)。用霍尼韋爾SM系統(tǒng)集中完成全部輸入邏輯處理運(yùn)算和輸出設(shè)備的控制，集中度高、風(fēng)險(xiǎn)高，SIL3的等級高于輸入輸出。這種SIL級別的要求包括系統(tǒng)內(nèi)部邏輯處理器的輸入輸出接口、處理器(CPU)、電源、總線、通信接口和軟件系統(tǒng)，且必須是通過TUV認(rèn)證的?？刂铺幚砥饔扇哂嗟膬蓧KCPU卡構(gòu)成，每個(gè)CPU卡有兩個(gè)微處理器，安全降級模式為4-2-0，正常工作時(shí)為SIL3；當(dāng)一個(gè)CPU卡出現(xiàn)故障時(shí)，仍為SIL3；當(dāng)兩塊都壞時(shí)，系統(tǒng)將宕機(jī)。

在合成氨裝置中，SIS點(diǎn)SISA630250，SISA630251，SISA630252為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速保護(hù)聯(lián)鎖，主要為防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致事故發(fā)生，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高高報(bào)時(shí)機(jī)組三取二聯(lián)鎖停車；SIS點(diǎn)TISA63224A/B，為電加熱器出口工藝氣溫度，主要為防止電加熱器出口溫度過高時(shí)，損壞電加熱器，當(dāng)電加熱器出口工藝氣溫度高高報(bào)時(shí)裝置二取二電加熱器聯(lián)鎖停車；SIS點(diǎn)FISAS63205A/B為電加熱器出口工藝氣流量保護(hù)聯(lián)鎖，主要為防止經(jīng)過電加熱器流量減小時(shí)損壞電加熱器內(nèi)件，；當(dāng)電加熱器出口工藝氣流量低低報(bào)時(shí)電加熱器二取二聯(lián)鎖停車；SIS點(diǎn)TISA63214X為氨合成塔創(chuàng)層溫度保護(hù)聯(lián)鎖，主要為防止合成塔催化劑床層溫度超溫時(shí)，造成催化劑層燒焦結(jié)塊造成催化劑失活，當(dāng)床層溫度高高報(bào)時(shí)裝置一取一聯(lián)鎖停車；SIS點(diǎn)LSH63212A/B/C為二級氨分離器液位保護(hù)聯(lián)鎖，主要防止液位過高時(shí)，氣氨帶液，造成壓縮機(jī)入口帶液，損壞機(jī)組，當(dāng)二級氨分離器出現(xiàn)液位高高報(bào)時(shí)壓縮機(jī)組三取二聯(lián)鎖停車；SIS點(diǎn)LSL63203A/B/C，LISA63208為氨合成廢鍋液位顯示，主要防止液位過低時(shí)，廢鍋干鍋，導(dǎo)致設(shè)備損壞，當(dāng)合成廢鍋出現(xiàn)液位低低報(bào)時(shí)壓縮機(jī)組三取二聯(lián)鎖停車；SIS點(diǎn)LISA18001為液氨球罐F18001A液位顯示，當(dāng)球罐液位出現(xiàn)高高報(bào)或低低報(bào)警時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉或打開，防止球罐液氨外溢或外送裝車泵損壞；SIS點(diǎn)PISA18001 PISA18002為液氨球罐壓力顯示，主要為防止液氨球罐超壓后造成安全閥起跳污染環(huán)境，當(dāng)球罐壓力高高報(bào)時(shí)放空調(diào)節(jié)閥打開泄壓至氨火炬系統(tǒng)保護(hù)球罐安全。

4SIS系統(tǒng)應(yīng)用效果

義馬氣化廠SIS系統(tǒng)的主要作用是當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)失誤時(shí)保證單位(部分或者全部)的安全停車，并規(guī)定了允許單元開車的詳細(xì)條件和后續(xù)應(yīng)該跟進(jìn)的相關(guān)措施。此處的單元部分被分隔成了不同的功能模塊(包括過程子單元、機(jī)械設(shè)備，等等)。在SIS系統(tǒng)中，達(dá)到允許模塊開車的條件時(shí)，這些條件用一個(gè)邏輯函數(shù)“AND”連接，所有的條件必須獲得滿足后單元才能開車。如果模塊正處于運(yùn)行之中，這些條件可以取消，他們對模塊不再起作用。輸入停車模塊可以來自于停車設(shè)定點(diǎn)(溫度、壓力、液面、分析報(bào)告、速度、震動(dòng)┉┉)或者來自于另一個(gè)模塊的狀態(tài)(串聯(lián)停車)，這些輸入值用一個(gè)邏輯函數(shù)OR連接，因此任何一個(gè)輸入值都可以讓模塊停車。一個(gè)模塊的輸出是作用于一部機(jī)器或者一個(gè)閥門或者轉(zhuǎn)換從原料到產(chǎn)品排放閥門控制器的輸出量，或者通過作用于另一個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。這種情況下模塊一直向其他模塊發(fā)送上游或者下游的缺陷或者條件來控制機(jī)器和閥門，所有情形都是這樣，如果滿足開車條件并且沒有停車情形，模塊的開車可以通過操作員按鈕來實(shí)現(xiàn)。模塊的停車可能因發(fā)生失誤引起，或者是通過操作人員按鈕來完成。

SIS系統(tǒng)在合成氨裝置應(yīng)用過程中發(fā)揮了重要的作用，在因廢鍋給水突然中斷時(shí)成功停車，未造成廢鍋干燒，保證了氨合成系統(tǒng)的安全。從用戶角度來說，盡可能的有一種規(guī)?？勺兊南到y(tǒng)來保證靈活的進(jìn)行位置調(diào)度和伸縮組合。運(yùn)用一種有著經(jīng)過權(quán)威認(rèn)證的有著功能齊全的模塊系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算時(shí)可以納入現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，方便設(shè)計(jì)和配置才是重要的。而在安全應(yīng)用問題上，經(jīng)過認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的操作系統(tǒng)對于整個(gè)系統(tǒng)來說才是非常重要的。選擇一個(gè)系統(tǒng)，其可以通過對于全回路使用自動(dòng)檢驗(yàn)測試和改良的診斷功能，來達(dá)到安全和可用率的同時(shí)最大化。

參考文獻(xiàn)：

[1]邊俊.安全儀表系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)方法分析[D].浙江大學(xué)，2011.

[2]龔義文.安全儀表系統(tǒng)在化工裝置中的應(yīng)用[D].自動(dòng)化儀表，2010，31(12):50-54.

[3]胡澤亮.張家口發(fā)電廠SIS設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]華.北電力大學(xué)，2011.

中圖分類號：TQ113.255

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號：1003-3467(2015)05-0045-03

作者簡介：郝瓊(1983-)，女，注冊安全工程師，從事安全管理工作，電話：13939815488。

收稿日期：2015-03-01