安全儀表系統(tǒng)的升級改造及應(yīng)用

文/程書華

安全儀表系統(tǒng)在“兩重點一重大”裝置中的SIL 定級與驗證——根據(jù)國家安全監(jiān)管總局的要求，老舊裝置及新建項目如未配套安全儀表系統(tǒng)、未進(jìn)行SIL 的定級與驗證，將不再核發(fā)新的《安全生產(chǎn)許可證》，因此如何借鑒已經(jīng)成功開展SIL 評估工作企業(yè)的相關(guān)經(jīng)驗，未來的發(fā)展趨勢如何，將是化工企業(yè)重點關(guān)注的問題。

根據(jù)《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》安監(jiān)總管三【2014】116 號要求：“對于新建裝置自2018 年1 月1 日起，各地的安監(jiān)局逐步對于‘兩重點一重大項目’要求新項目進(jìn)行SIL 定級與驗證，對于在役裝置應(yīng)在2019 年底之前，完成安全儀表系統(tǒng)的評估工作，并進(jìn)行整改?！崩吓f裝置及新建項目如未配套安全儀表系統(tǒng)、未進(jìn)行SIL 的定級與驗證，將不再核發(fā)新的《安全生產(chǎn)許可證》，這將進(jìn)一步加強(qiáng)對企業(yè)的安全生產(chǎn)的管理與要求。因此如何借鑒已經(jīng)成功開展SIL 評估工作企業(yè)的相關(guān)經(jīng)驗，未來的發(fā)展趨勢如何，將是化工企業(yè)重點關(guān)注的問題。

安全儀表系統(tǒng)

安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented Systems，簡稱 SIS）是實現(xiàn)一個和多個安全儀表功能的儀表系統(tǒng)，是一種自動安全保護(hù)系統(tǒng)，它是保證正常生產(chǎn)和人身、設(shè)備安全的必不可少的措施，已發(fā)展成為工業(yè)自動化的重要組成部分。SIS 由傳感器、邏輯控制器以及最終元件的任何組合構(gòu)成，SIS 可以包括軟件，可以包括人員動作作為安全儀表功能的一部分。安全儀表系統(tǒng)獨立于過程控制系統(tǒng)BPCS（例如分散控制系統(tǒng)等），生產(chǎn)正常時處于休眠或靜止?fàn)顟B(tài)，一旦生產(chǎn)裝置或設(shè)施出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時，能夠瞬間準(zhǔn)確動作，使生產(chǎn)過程安全停止運行或自動導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)。SIS 必須有很高的可靠性（即功能安全）和規(guī)范的維護(hù)管理，如果安全儀表系統(tǒng)失效，往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，近年來發(fā)生的重大化工（危險化學(xué)品）事故大都與安全儀表缺失、失效或設(shè)置不當(dāng)有關(guān)。根據(jù)安全儀表功能失效產(chǎn)生的后果及風(fēng)險，將安全儀表功能劃分為不同的安全完整性等級。不同等級安全儀表回路在設(shè)計、制造、安裝調(diào)試和操作維護(hù)方面都有著不同技術(shù)要求。

通過對在役的“兩重點一重大”裝置進(jìn)行SIL 評估，明確對危險與風(fēng)險分析不足、設(shè)計選型不當(dāng)、冗余容錯結(jié)構(gòu)不合理、缺乏明確的檢驗測試周期、預(yù)防性維護(hù)策略針對性不強(qiáng)及部分老舊生產(chǎn)裝置甚至沒有或不具備配備安全儀表系統(tǒng)等各類問題。針對在役裝置安全儀表系統(tǒng)不滿足功能安全要求的，例如未配備SIS 系統(tǒng)及控制儀表與安全儀表不獨立等問題進(jìn)行系統(tǒng)的整改及改造，切實提升企業(yè)本質(zhì)安全水平，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

SIL 定級與驗證及SIS 系統(tǒng)的整改

某化工公司一、二期化工生產(chǎn)裝置分別在2004 年、2006 年建成開車，已經(jīng)分別運行17 年，15年的時間。建設(shè)期間，緊急停車系統(tǒng)僅用于氣化爐裝置，其他重點監(jiān)管危險化工裝置沒有進(jìn)行SIL定級與驗證，不符合安監(jiān)總局116號文的要求，2018 年開始對其公司內(nèi)在役的“兩重點一重大”裝置進(jìn)行了SIL 評估（定級與驗證），原則為：① 一級、二級重大危險源必須做SIL 評估，三級、四級重大危險源建議考慮。② 重點監(jiān)管危險化工工藝必須做SIL 評估，重點監(jiān)管的危險化學(xué)品達(dá)到一定量需進(jìn)行SIL 評估。

通過招標(biāo)方式，涉及“兩重點一重大”裝置由工業(yè)安全技術(shù)有限公司完成安全儀表系統(tǒng)評估工作。SIL 定級運用保護(hù)層分析（LOPA）技術(shù)確定生產(chǎn)裝置對SIS系統(tǒng)SIF 回路配置的實際需求以及SIF 回路所需的安全完整性等級（SIL）要求，并分別從人員安全、環(huán)境影響和財產(chǎn)損失三個方面來綜合考慮安全儀表系統(tǒng)的配置需求；SIL 驗算根據(jù)SIF 回路的結(jié)構(gòu)組成，對每一SIF 回路進(jìn)行計算并進(jìn)一步審查硬件結(jié)構(gòu)約束特性，同時參考IEC61511 和IEC61598對安全儀表回路的結(jié)構(gòu)約束，得出是否滿足目標(biāo)SIL 等級的可靠性的要求。根據(jù)公司 “兩重點一重大” 裝置劃分共涉及裝置進(jìn)行SIL評估定級工作，見表1。

表1 涉及裝置的SIL 評估定級

SIL 定級評估工作由工業(yè)安全技術(shù)有限公司完成在役“兩重點一重大”裝置HAZOP 分析工作，根據(jù)分析結(jié)果以下裝置存在中、低風(fēng)險：

（1）大 氮肥30 萬t/a 合成、大氮肥硫回收裝置、大氮肥液氮洗裝置。

（2）5#合成裝置、碳一硫回收裝置、碳一液氮洗裝置。

（3）北區(qū)硫回收裝置、北區(qū)液氮洗裝置、6#合成裝置。

對存在風(fēng)險的裝置進(jìn)行LOPA保護(hù)層分析方面，儀表技術(shù)人員對需要驗證回路進(jìn)行現(xiàn)場資料收集，經(jīng)過評估后，目前硫回收、氨合成、液氮洗等裝置聯(lián)鎖回路定級在SIL1 以上，根據(jù)SIL1 要求需要提高現(xiàn)場儀表和現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的等級、準(zhǔn)確性。

根據(jù)工業(yè)安全技術(shù)有限公司完成裝置定級結(jié)果進(jìn)行回路驗算，驗算結(jié)果：現(xiàn)場部分聯(lián)鎖與控制儀表不獨立情況需要進(jìn)行整改，聯(lián)鎖條件需要調(diào)整，使整個聯(lián)鎖回路具備SIS 安全功能。

根據(jù)整改建議對裝置進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)的升級改造，以硫回收裝置廢熱鍋爐液位為例，具體介紹SIS 系統(tǒng)的升級改造過程。LOPA 保護(hù)層分析見表2。

表2 LOPA 保護(hù)層分析

硫回收評級估定結(jié)果

裝置中有1 條聯(lián)鎖分析結(jié)果在SIL1 以上，同時這條聯(lián)鎖需要獨立設(shè)置，需要分離出DCS 系統(tǒng)見表3。

表3 SIL 驗證定級

改造方案

將原現(xiàn)場兩臺液位變送器LT1301/LT1303 二取二聯(lián)鎖引至SIS 系統(tǒng)中，同時增加一臺液位變送器LT1302，新液位計在DCS 控制LV1302，實現(xiàn)DCS 的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)SIS 與DCS 系統(tǒng)回路的獨立控制?，F(xiàn)場在燃料氣總管上增加一臺兩位閥XV1305，風(fēng)機(jī)出口管道上增加一臺閥門XV1306，在酸性氣體管道上增加一臺閥門XV1307，有SIS 實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，聯(lián)鎖時直接關(guān) 閉XV1305、XV1306、 XV1307和SIS 把數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)紻CS 系統(tǒng)顯示。通過增設(shè)安全儀表系統(tǒng)，實現(xiàn)了SIS 儀表與DCS 儀表回路的獨立性，SIS 系統(tǒng)用于非安全狀態(tài)下的緊急停車控制，DCS 系統(tǒng)對生產(chǎn)裝置進(jìn)行實時控制，達(dá)到了SIS 系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)的分離控制。改造方案見表4。

表4 改造方案

硫回收SIS 系統(tǒng)在2019 年10月完成安裝調(diào)試投運工作，裝置完成了安全儀表系統(tǒng)的評估，整改工作。

未來發(fā)展趨勢

國家安監(jiān)總局在2014 年11月發(fā)布的116 號文“加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見”中對新建裝置及在役裝置設(shè)計建立安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)要求中也提到，DCS 的聯(lián)鎖投用管理、報警管理（Alarm Management）、火災(zāi)報警及可燃?xì)鈾z測系統(tǒng)（Fire and Gas Detection System，F(xiàn)GS）的可靠性及布局合理性分析等方面的分析應(yīng)參照安全儀表功能進(jìn)行管理和檢驗測試。

因此如何對DCS/FGS/SIS 進(jìn)行維護(hù)管理、故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、儀表準(zhǔn)入制度管理等將是企業(yè)未來面對的挑戰(zhàn)與難題。 ●