化工安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用

劉冰潔 王力功 齊岳 易超 李飛

（1.中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 北京市 100053 2.山西北化關(guān)鋁化工有限公司 山西省運(yùn)城市 044599）（3.北京五特自動(dòng)化工程有限公司 北京市 100053）

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，化工安全儀表系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)憑借著安全性、智能性等特征，被廣泛地應(yīng)用于化工生產(chǎn)中，并取得了良好的應(yīng)用效果，不僅提高化工生產(chǎn)的高效性和安全性，還促使化工企業(yè)向自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化方向不斷發(fā)展，為進(jìn)一步提高化工企業(yè)的知名度和影響力提供了重要的平臺(tái)支持。因此，如何科學(xué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用化工安全儀表系統(tǒng)工程是相關(guān)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1 化工安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)原則

1.1 可靠性原則

根據(jù)化工安全儀表系統(tǒng)特征，在對(duì)系統(tǒng)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，相關(guān)人員要嚴(yán)格按照可靠性原則，確保系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，從而提高化工生產(chǎn)的安全性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)水平，相關(guān)人員還要盡可能提高化工生產(chǎn)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)周圍相關(guān)設(shè)備的智能化控制和管理，同時(shí)，還要提高系統(tǒng)對(duì)周圍設(shè)備的抗干擾能力，為此，相關(guān)人員要將系統(tǒng)安裝在無(wú)干擾源的場(chǎng)所中。只有這樣，才能提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1.2 穩(wěn)定性原則

為了充分發(fā)揮和利用化工安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，相關(guān)人員要確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，相關(guān)人員要在嚴(yán)格遵守穩(wěn)定性原則的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)工程進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。首先，要采用安裝化工生產(chǎn)裝置的方式，不斷完善和優(yōu)化系統(tǒng)功能，確保系統(tǒng)的信息報(bào)警功能、連鎖控制功能能夠滿足化工生產(chǎn)工藝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[2]，為進(jìn)一步提高化工生產(chǎn)的效率和效果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，還要根據(jù)化工企業(yè)經(jīng)營(yíng)和管理實(shí)際現(xiàn)狀，采用相應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程，確保系統(tǒng)與化工生產(chǎn)進(jìn)行充分結(jié)合，以保證系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性和有效性，確保系統(tǒng)能夠?qū)どa(chǎn)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)某設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行異常問(wèn)題，自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警功能，以引起維修人員的注意。

1.3 便捷性原則

化工安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)目的是保證系統(tǒng)安裝和應(yīng)用的高效性和便捷性，因此，相關(guān)人員在對(duì)系統(tǒng)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要遵守系統(tǒng)便捷性原則，提高系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，為滿足化工生產(chǎn)穩(wěn)定安全需求提供有力的保障。只有這樣，才能提高系統(tǒng)的實(shí)用性，促進(jìn)化工企業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。

2 化工安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法

2.1 系統(tǒng)選型分析

為了提高化工安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)水平，相關(guān)人員要嚴(yán)格按照系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)原則，在結(jié)合化工生產(chǎn)安全需求的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)選型工作落實(shí)到位，確保所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足化工生產(chǎn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。首先，系統(tǒng)要滿足或TUVAK 體系相關(guān)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，然后，針對(duì)配套設(shè)備性能，對(duì)系統(tǒng)安全級(jí)別進(jìn)行科學(xué)劃分和確定[3]。其次，還要針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，確保所選用的系統(tǒng)硬件版本、系統(tǒng)軟件版本、系統(tǒng)儀表版本是正式的，滿足商業(yè)化開(kāi)發(fā)需求。另外，在進(jìn)行工藝連鎖控制的過(guò)程中，系統(tǒng)要根據(jù)不同的信號(hào)，對(duì)旁路開(kāi)關(guān)設(shè)置情況進(jìn)行科學(xué)維護(hù)，從而降低停車次數(shù)。為了避免因操作不規(guī)范而導(dǎo)致生產(chǎn)裝置出現(xiàn)各種故障問(wèn)題，相關(guān)人員嚴(yán)禁針對(duì)系統(tǒng)信號(hào)輸出需求，設(shè)置相應(yīng)的旁路開(kāi)關(guān)。為了提高系統(tǒng)選型的科學(xué)性和合理性，相關(guān)人員要確保所選型的系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)之間保持一定的獨(dú)立性，確保各個(gè)系統(tǒng)能夠在互不影響的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，還要利用數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間信息數(shù)據(jù)的交互和通信，為有效共享系統(tǒng)內(nèi)信息數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高信息數(shù)據(jù)的利用率打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。最后，為了保證信息數(shù)據(jù)連接的可靠性和安全性，相關(guān)人員還要采用只讀方式，避免通過(guò)通信接口，向系統(tǒng)內(nèi)寫入各種信息。同時(shí)，還要嚴(yán)格按照化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，針對(duì)如表1 所示的安全完整性等級(jí)，將化工裝置的SLL 等級(jí)進(jìn)行科學(xué)控制，為后期實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的科學(xué)選型提供重要的依據(jù)和參考。

表1：安全完整性等級(jí)

2.2 安全等級(jí)確定

在對(duì)化工安全儀表系統(tǒng)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，相關(guān)人員要從以下幾個(gè)方面入手，完成對(duì)系統(tǒng)安全等級(jí)的科學(xué)確定：

（1）采用安全保護(hù)矩陣法，該方法在具體的運(yùn)用中，主要是在定性分析過(guò)程危害的前提下，對(duì)相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)的潛在性問(wèn)題進(jìn)行定性分析和評(píng)估，然后，針對(duì)影響評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性的因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的全方位檢修。

（2）采用故障樹(shù)分析法，該方法在具體的運(yùn)用中，主要用于對(duì)故障后果相關(guān)邏輯樹(shù)的全面顯示。邏輯圖所包含的基本事件主要有以下幾種，分別是頂級(jí)事件事故、傳感器事故。

（3）采用危險(xiǎn)與可操作性分析法（HAZOP），該方法在具體的運(yùn)用中，相關(guān)人員在熟練掌握危險(xiǎn)與可操作性分析法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工生產(chǎn)工藝圖紙的科學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)，還在相關(guān)操作程序的應(yīng)用背景下，綜合考慮安全事件發(fā)生的可能性以及相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)安全等級(jí)科學(xué)評(píng)估創(chuàng)造良好的條件。

2.3 系統(tǒng)設(shè)備配置

為了進(jìn)一步提高化工安全儀表系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)水平，相關(guān)人員還要重視對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的科學(xué)配置，在這個(gè)過(guò)程中，首先，要針對(duì)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行設(shè)備相關(guān)參數(shù)的科學(xué)配置，以保證回路的可靠性和安全性，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。其次，在對(duì)系統(tǒng)傳感器進(jìn)行配置的過(guò)程中，要提高系統(tǒng)傳感器的靈敏度和精確度[5]，嚴(yán)格按照安全等級(jí)劃分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將系統(tǒng)的安全等級(jí)劃分為多個(gè)不同的等級(jí)，以簡(jiǎn)化冗余設(shè)置流程。再次，相關(guān)人員還要根據(jù)一級(jí)安全儀表的運(yùn)行性能，對(duì)一級(jí)安全儀表配置相應(yīng)的傳感器，確保傳感器與DCS 系統(tǒng)之間能夠建立起有效的連接。二級(jí)安全儀表在具體的配置中，要利用冗余技術(shù)，通過(guò)借助傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，采用DCS 分離的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的科學(xué)配置。三級(jí)安全儀表在具體的配置的過(guò)程中，通過(guò)利用相應(yīng)的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)報(bào)警結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)置。此外，還要將各個(gè)傳感器輸入和輸出信號(hào)分別傳輸?shù)叫盘?hào)分配器中，確保這些信號(hào)能夠安全無(wú)誤地被發(fā)送到控制器內(nèi)。最后，在對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行配置的過(guò)程中，相關(guān)人員還要采用切斷獨(dú)立路徑的方式，完勝切斷閥的科學(xué)設(shè)置。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)[6]，相關(guān)人員要針對(duì)一級(jí)安全儀表的使用需求，科學(xué)配置相應(yīng)的單一閥門，二級(jí)安全儀表除了要設(shè)置單一閥門外，還要借助電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)冗余裝置的科學(xué)配置，同時(shí)，還要將三級(jí)安全儀表與冗余閥門之間建立起有效連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立開(kāi)關(guān)的科學(xué)設(shè)置。另外，相關(guān)人員還要科學(xué)調(diào)整和控制電磁閥的位置，確保電磁閥與定位器之間建立起有效連接，避免出現(xiàn)跳車現(xiàn)象，為后期更好地提高執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行性能，及時(shí)解決突發(fā)安全事故問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，經(jīng)常用到的邏輯運(yùn)算符主要包含以下兩種類型，一種是可編程電子系統(tǒng)，另一種是中繼系統(tǒng)。其中，可編程電子系統(tǒng)主要用于設(shè)計(jì)復(fù)雜運(yùn)算，而中繼系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單運(yùn)算，由于化工生產(chǎn)所涉及到的安全儀表往往具有復(fù)雜功能，因此，需要利用可編程電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了提高系統(tǒng)邏輯布局的科學(xué)性和合理性，相關(guān)人員還要利用可編程控制器，在保證系統(tǒng)邏輯運(yùn)算結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，確保系統(tǒng)能夠正常、安全地發(fā)出各種邏輯指令。運(yùn)算器結(jié)構(gòu)主要包含冗余繼承和變形組件等組成部分，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行異常問(wèn)題，相關(guān)人員要在第一時(shí)間內(nèi)做好對(duì)事故的識(shí)別和分析[7]，然后，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為旁路狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)功能的優(yōu)化和完善。此外，在選擇系統(tǒng)邏輯形式的過(guò)程中，相關(guān)人員還要針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況，選用符合系統(tǒng)運(yùn)行需求的邏輯形式。需要注意的是，相關(guān)人員在對(duì)系統(tǒng)邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要確保所選用的表決器與控制器能夠有效匹配。在進(jìn)行旁路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還要確保所選用的開(kāi)關(guān)為后期更好地維護(hù)和調(diào)整系統(tǒng)提供相應(yīng)的便利，以達(dá)到提高系統(tǒng)適應(yīng)性的目的。

3 安全儀表系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以某化工企業(yè)實(shí)施氨合成項(xiàng)目為例，對(duì)化工安全儀表系統(tǒng)的具體應(yīng)用流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，化工企業(yè)氨項(xiàng)目的合成生產(chǎn)工藝流程如圖2 所示，為了保證化工生產(chǎn)的效率和效果，降低安全事故發(fā)生的可能性，化工企業(yè)化工安全儀表系統(tǒng)引入到化工生產(chǎn)中，并對(duì)該系統(tǒng)的控制回路進(jìn)行集中化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，然后，嚴(yán)格按照化工生產(chǎn)工藝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，有針對(duì)性地設(shè)置了連鎖回路，以達(dá)到提高系統(tǒng)測(cè)量精確度、可靠性的目的。此外，該系統(tǒng)還安裝了相應(yīng)的化工裝置，采用K 系列硬件與及MACS 軟件相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，從而充分發(fā)揮和利用安全儀表功能的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?；ぐ踩珒x表系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)之間存在一定的獨(dú)立性[8]，化工安全儀表系統(tǒng)在具體的運(yùn)用中，需要相關(guān)人員利用SIL級(jí)測(cè)量回路，提高化工安全儀表系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，確保一級(jí)信號(hào)能夠進(jìn)入到過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS）中，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程控制系統(tǒng)的目的。此外，SIL2 級(jí)和SIL3 級(jí)均借助過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制回路的科學(xué)設(shè)計(jì)，然后，在控制回路的應(yīng)用背景下，將相關(guān)信號(hào)輸入到化工安全儀表系統(tǒng)中，為后期更好地分析和判斷系統(tǒng)邏輯狀態(tài)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，以提高化工生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性，從而縮小化工生產(chǎn)成本，提高化工企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)將化工安全儀表系統(tǒng)工程應(yīng)用于化工生產(chǎn)中，不僅提高了化工企業(yè)的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)水平，還降低了化工生產(chǎn)安全事故發(fā)生的概率，為進(jìn)一步提高化工生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性，提高化工企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮出重要作用。因此，化工企業(yè)要想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，必須要重視對(duì)化工安全儀表系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，促使化工生產(chǎn)向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化方向不斷發(fā)展，為提高企業(yè)的生產(chǎn)力和市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)企業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。