設計安全儀表系統(tǒng)提升化工裝置安全

摘要：為確保化工裝置生產(chǎn)過程的安全，安全儀表系統(tǒng)已越來越多地得到重視和應用。國家安全監(jiān)管總局也提出了關于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見，更加重視化工安全儀表系統(tǒng)的設計、安裝調試和操作維護管理等，如果安全儀表系統(tǒng)失效，往往會導致嚴重的安全事故。因此，設計合理的安全儀表系統(tǒng)至關重要。

關鍵詞：安全儀表系統(tǒng);安全生命周期;安全性等級

一、安全儀表系統(tǒng)基本概念

安全儀表系統(tǒng)，SafetyInstrumentedSystem，簡稱SIS。主要包括安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、有毒有害、可燃氣體檢測保護系統(tǒng)等。安全儀表系統(tǒng)（SIS）獨立于過程控制系統(tǒng)（DCS），主要包括傳感器、邏輯運算器和最終執(zhí)行元件，即檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元三部分構成。安全儀表系統(tǒng)一般由多個SIF構成，每個SIF劃分為不同的安全完整性等級（SIL1-4，化工應用應避免SIL4等級的出現(xiàn)）。不同等級安全儀表回路在設計、制造、安裝調試和操作維護方面技術要求不同。

二、SIS設計步驟

2.1 HAZOP分析

危險和可操作性分析（HAZOP），主要目的是對裝置的安全性和可操作性進行審查。首先，要組織生產(chǎn)管理、工藝、安全、設備、電氣、儀表、環(huán)保等專業(yè)專家組成HAZOP分析團隊。其次，獲取準確的PFD圖，并根據(jù)工藝流程或特點合理劃分節(jié)點，隨后以節(jié)點為單元進行HAZOP分析。第三，針對化工過程參數(shù)（流量、壓力、液位、溫度等）偏離引導詞（無、高、低、多、少、伴隨、異常等）后的后果進行匯總。最后，針對每種后果根據(jù)《后果定性分級表》進行后果定級。通過查閱風險矩陣確定每種后果的可接受發(fā)生概率（低風險不需要采取行動，中風險可選擇性的采取行動，高風險擇機采取行動，很高風險要立即采取行動）。

2.2 LOPA保護層分析

保護層分析（LOPA），化工企業(yè)典型的保護層主要包括過程控制、安全儀表系統(tǒng)、安全閥、爆破片、保護堤、緊急響應等。根據(jù)3.1HAZOP分析結果，對需要進一步提升安全保護的后果要結合當前已有保護層進行LOPA分析，并通過增設安全儀表系統(tǒng)SIS的方式將風險發(fā)生頻率等級降低到風險矩陣中的低或中區(qū)域。期望的風險頻率等級除去當前已有安全保護層的風險頻率等級即為由SIF回路需要達到的風險頻率等級。

2.3 SIF回路設計

依據(jù)3.2確定的風險失效概率合理確定每個SIF回路需要達到了的SIL等級。

每個SIF的失效概率由PFD監(jiān)測、PFD控制、PFD執(zhí)行三部分相累加構成。計算時，應包含回路涉及的安全柵、繼電器等單元，諸如信號電纜、接線端子、保險等一般不予考慮。單個設備能夠達到的SIL等級可以參考設備附帶的SIL等級證書，并參考GB/T21109進行驗算。針對未取得SIL證書的設備，可以參考ISA-TR84.00.02進行經(jīng)驗取值并驗算。

2.4 STR的考慮

為了實現(xiàn)安全性和可靠性、可用性的兼顧，設計時必須考慮由安全儀表系統(tǒng)導致的關鍵過程誤停車率（STR）的問題，即實現(xiàn)安全和運行的統(tǒng)一。安全儀表功能的誤停車率由STR

檢測、STR控制、STR執(zhí)行、STR電源四部分構成。在保證安全的前提下，一般可通過采用冗余容錯等方式提升可用性。通過GB/T50770及SIL等級確定測量儀表、控制單元、執(zhí)行單元是否獨立或冗余。另外，由于提升可用性會造成安全性的降低，因此，對通過采用冗余方式進行可用性改進的SIF回路需要對其安全失效概率重新驗算或改進，以避免安全失效概率無法滿足LOPA分析的要求。

2.5控制單元的設計

一套獨立的SIS系統(tǒng)由多個SIF安全儀表功能構成。在SIS系統(tǒng)設計時控制單元一般采用故障安全性設計。一般采用正常帶電、故障失電的運行方式，確保系統(tǒng)故障時能夠安全動作。一般將控制單元整體設計為SIL3級，以避免對SIF回路的安全風險頻率的影響。供電、接地、通訊、報警、數(shù)據(jù)歷史記錄、第一事故記錄、診斷等功能依據(jù)相關國家規(guī)范設計即可。

三、安全儀表系統(tǒng)的實施提升化工裝置安全

3.1 HAZOP分析在某些方面具有一些不確定性的因素

HAZOP分析的作用是用來分析溫度的高低、流速的快慢和壓力大小等相關的參數(shù)發(fā)生變化帶來的影響，但是對于設備或管子的損壞、應力出現(xiàn)疲勞、人為因素等帶來的壞處可能會無法完全分析或者分析得不徹底，因此這個分析不能分析出所有的安全風險類型。除此之外，不同的操作工人、工人們異常的經(jīng)驗和儲備知識會導致HAZOP分析結果也有一定差別。

3.2 SIS系統(tǒng)僅是提升化工安全的手段之一

LOPA的分析可以發(fā)現(xiàn)，工人們是可以采取不同的方法來維持化工設備的安全工作的。這些方法既有來自于技術知識層面的，還有包含管理層面的方法;既包括事發(fā)之前的，也包括發(fā)生過程中的以及事情發(fā)生以后的。通過安全儀表系統(tǒng)來提升系統(tǒng)的安全只是保證安全的眾多方法之一。

3.3儀表的SIL定級的基礎是規(guī)范使用

具備SIL等級證書的儀表裝置要根據(jù)具體的技術要求來安裝與調試，還要正確的使用和維護它，這樣失效概率才能有效地發(fā)揮作用。如果失效概率不正常的話其產(chǎn)生的后果可能最終會影響SIF回路出現(xiàn)錯誤的反應。錯誤動作的發(fā)生會導致的裝置臨時停止動作或者重新啟動過程，在重啟與停止的過程中會產(chǎn)生安全風險，這要引起操作人員的注意和采取對付措施，才不會發(fā)生由于安全儀表系統(tǒng)的問題反而增加了風險。

3.4規(guī)范的運行維護是SIS系統(tǒng)可靠運行的基礎

SIS系統(tǒng)對于運行有嚴格的要求，要制定有效的管理與落實好相關規(guī)定，才可以保證SIS系統(tǒng)的可靠性能。第一，現(xiàn)場安裝時，要確保儀表的正確安裝、密封好、按時進行準確性檢查，保證能夠準確地進行輸入。第二，安裝邏輯單元的部分時要保證運行環(huán)境具備好的濕度與溫度，要求接地，還要求各個單元的硬件部分、通訊功能、報警系統(tǒng)、自我診斷等功能要可以正常運行。

四、結束語

我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，相信未來我國化工相關行業(yè)也會蓬勃發(fā)展，其化工裝置設備的發(fā)展方向也必然是大型的和智能的，化工生產(chǎn)過程中的安全問題就不容忽視，本文所探討的安全儀表系統(tǒng)是會影響到化工過程設備的安全運行的，如今

過程工業(yè)蓬勃發(fā)展，過程工業(yè)復雜，使得SIS的設置特別重要。以后，化工行業(yè)和研究技術人員在設計和使用安全儀表系統(tǒng)過程中要綜合考慮各方面影響，確保安全儀表系統(tǒng)的正確合理性，防止設計不當帶來的后果。

參考文獻：

[1]李偉敏，韓輝，姜珊.淺析SIS自動儀表控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國科技縱橫，2015（20）：52-52.

[2]孟芳園，董康.安全儀表系統(tǒng)在化工裝置中的設計應用[J].天津化工，2019，33（01）：53-54.

[3]吳承剛.化工裝置安全儀表系統(tǒng)功能安全評估體系的研究與應用[J].化工設計通訊，2017（1）.

[4]孫來寶，劉巖.淺析安全儀表系統(tǒng)實施過程中存在的問題及解決辦法[J].石油化工自動化，2018，54（2）：63-65.

[5]許建.優(yōu)化化工安全設計在預防化工事故發(fā)生中的重要性探討[J].化工管理，2017（31）：104-104.

作者介紹：

傅菲菲（1982.10.25），性別：女;籍貫：山東省博興縣;民族：漢;學歷：研究生、碩士;職稱：工程師;職務：自控儀表設計;研究方向：控制理論與控制工程。