某化工廠項(xiàng)目配套罐區(qū)SIS 系統(tǒng)改造實(shí)踐研究

姚 瑞

（國(guó)家能源集團(tuán)煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

0 引言

本化工項(xiàng)目配套的罐區(qū)采用分散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行操作控制及連鎖。DCS 系統(tǒng)具有控制功能完善多樣、易操作、易擴(kuò)展及維護(hù)方便等特點(diǎn)，但是并不適用于安全控制?；ろ?xiàng)目罐區(qū)要比一般油庫(kù)操作更加頻繁，導(dǎo)致誤操作的概率就更大。依據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕116 號(hào)國(guó)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(jiàn)》，需要增加一套安全性更高、容錯(cuò)能力強(qiáng)、故障自診斷功能完善、順序事件記錄功能（SOE）的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。以達(dá)到對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行可靠和優(yōu)質(zhì)控制，實(shí)現(xiàn)裝置的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，同時(shí)為與罐區(qū)原有系統(tǒng)兼容，擬利用原有系統(tǒng)控制器多余負(fù)荷，擴(kuò)展輸入輸出卡件，充分體現(xiàn)安全、健康、環(huán)保和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，降低生命周期成本，使企業(yè)獲得最大利潤(rùn)[1-3]。

1 改造背景

本配套罐區(qū)共有72 具儲(chǔ)罐，主要危險(xiǎn)化學(xué)品有：兩臺(tái)650 m3的液氨球罐，構(gòu)成一級(jí)重大危險(xiǎn)源；3 臺(tái)2 000 m3石油液化氣球罐，2 臺(tái)400 m3不合格液化氣球罐，2 臺(tái)2 000 m3加氫穩(wěn)定原料拱頂罐，2 臺(tái)2 000 m3汽油內(nèi)浮頂罐。16 臺(tái)4 000 m3汽柴油及混合芳烴、石腦油等介質(zhì)的儲(chǔ)罐，以上構(gòu)成二級(jí)重大危險(xiǎn)源[4]。

球罐液位測(cè)量采用鋼帶液位計(jì)作為就地液位計(jì)，伺服液位計(jì)作為遠(yuǎn)傳連續(xù)量測(cè)量。常壓罐及內(nèi)浮頂罐使用雷達(dá)液位計(jì)及高液位開(kāi)關(guān)兩個(gè)遠(yuǎn)傳測(cè)量，就地測(cè)量采用靜壓式液位計(jì)[5]。

按照國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第40 號(hào)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》第十三條要求：對(duì)重大危險(xiǎn)源中的毒性氣體、劇毒液體和易燃?xì)怏w等重點(diǎn)設(shè)施，設(shè)置緊急切斷裝置;毒性氣體的設(shè)施，設(shè)置泄漏物緊急處置裝置。涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級(jí)或者二級(jí)重大危險(xiǎn)源，配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。依據(jù)該規(guī)定，本項(xiàng)目需要對(duì)現(xiàn)有一、二級(jí)重大危險(xiǎn)源儲(chǔ)罐進(jìn)行改造，以滿足40 號(hào)令的安全要求。

本項(xiàng)目罐區(qū)因初期建設(shè)時(shí)按照老規(guī)范設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)行業(yè)內(nèi)對(duì)化工廠自建罐區(qū)并沒(méi)有專門安全儀表系統(tǒng)的要求,全部依靠DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連鎖及保護(hù)，從自控水平到罐區(qū)安全要求等與現(xiàn)有要求相差甚遠(yuǎn)。油罐區(qū)安全標(biāo)準(zhǔn)提升項(xiàng)目的DCS 信號(hào)接入罐區(qū)控制室（UCR8）原有DCS 系統(tǒng)，完成本裝置的基本過(guò)程操作、監(jiān)視、控制、記錄、在線計(jì)算、超限報(bào)警和過(guò)程聯(lián)鎖等功能。用于控制和聯(lián)鎖保護(hù)功能的輸入輸出在DCS端冗余設(shè)置，用于監(jiān)測(cè)不進(jìn)行控制調(diào)節(jié)的輸入信號(hào)DCS 端非冗余設(shè)置。DCS 系統(tǒng)的基本組成如下：

1）操作員站、工程師站：利舊。

2）歷史站、OPC 站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：利舊。

3）報(bào)表及報(bào)警激光打印機(jī)：利舊。

4）冗余控制器、冗余電源模塊、冗余通訊模塊：核實(shí)負(fù)荷后決定是否利舊。

5）DCS 系統(tǒng)擴(kuò)展柜、繼電器：新增（機(jī)柜應(yīng)預(yù)留20%的備用安裝空間，備用點(diǎn)數(shù)（新增卡件）為實(shí)際設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)的20%。）本次增加的DCS 系統(tǒng)相關(guān)機(jī)柜和元器件品牌與原系統(tǒng)保持一致。

部分儲(chǔ)罐并未對(duì)其高液位聯(lián)鎖切斷控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，致使類似儲(chǔ)罐在儀表自動(dòng)化控制方面存在安全缺陷。在多次安全檢查、評(píng)估中，各方面一致認(rèn)為，有必要對(duì)存在安全缺陷的儲(chǔ)罐逐步改造為液位儀表聯(lián)鎖及閥門快速切斷控制系統(tǒng)。本次改造實(shí)現(xiàn)油品罐區(qū)內(nèi)一、二級(jí)重大危險(xiǎn)源能按照有關(guān)規(guī)范設(shè)置獨(dú)立SIS 系統(tǒng)，建立安全屏障，保障安全生產(chǎn)。本文主要討論實(shí)施過(guò)程及改造中出現(xiàn)的問(wèn)題及整改方法。

2 改造過(guò)程

2018 年，本項(xiàng)目開(kāi)展重大危險(xiǎn)源安全評(píng)估，評(píng)估報(bào)告根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》（GB 18218—2018）規(guī)定，對(duì)油品罐區(qū)的危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源進(jìn)行分級(jí)。經(jīng)第三方對(duì)本罐區(qū)SIL 評(píng)估定級(jí)，最終確定為SIL1 級(jí)。依據(jù)SH/T 3007—2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》、SH/T 3184—2017《石油化工罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、SH T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》及依據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第40 號(hào)等要求，最終確定為≥3 000 m3甲B 和乙A 可燃液體儲(chǔ)罐設(shè)高高液位報(bào)警及聯(lián)鎖，由現(xiàn)有高液位開(kāi)關(guān)及雷達(dá)液位計(jì)高高液位報(bào)警二取一聯(lián)鎖關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)口管道控制閥。

2.1 依托現(xiàn)有公用工程采用彈簧返回式單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在用于緊急切斷閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸上加裝易熔塞，易熔塞的熔點(diǎn)為250 ℃，當(dāng)氣缸溫度達(dá)到或超過(guò)易熔塞的熔點(diǎn)時(shí)，易熔塞熔化將氣缸內(nèi)的壓力泄放掉，使另一側(cè)氣缸內(nèi)的彈簧或儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣推動(dòng)活塞將閥門關(guān)閉。

2.2 配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）

本次改造中SIS 系統(tǒng)考慮到國(guó)產(chǎn)化，采用北京康吉森完全自主品牌的TSx-plus 系統(tǒng)。本系統(tǒng)以IEC61508 作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，容錯(cuò)性的三重冗余系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的硬件故障裕度，單一故障不會(huì)導(dǎo)致SIS 安全功能喪失。自診斷覆蓋率大，工人維修時(shí)需要檢查的點(diǎn)數(shù)比較少。響應(yīng)速度快，從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時(shí)間一般在15 ms 以內(nèi)，應(yīng)用于小型SIS 的響應(yīng)時(shí)間更短。應(yīng)用程序容易修改，可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)軟件進(jìn)行修改?？蓪?shí)現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行元件所組成的整個(gè)回路的安全性設(shè)計(jì)，具有I/O 短路、斷線等監(jiān)測(cè)功能。

油品罐區(qū)安全標(biāo)準(zhǔn)提升項(xiàng)目的信號(hào)接入罐區(qū)控制室（UCR8）原有SIS 系統(tǒng)，完成本裝置的安全聯(lián)鎖等功能。油罐區(qū)安全標(biāo)準(zhǔn)提升項(xiàng)目涉及一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源，安全聯(lián)鎖回路設(shè)置為故障安全型，安全完整性等級(jí)按SIL2 設(shè)計(jì)。用于安全聯(lián)鎖的信號(hào)采用二選一冗余設(shè)置。SIS 系統(tǒng)的基本組成如下：1）操作員站、工程師站：利舊；新增一臺(tái)SIS 操作臺(tái)。2）SOE 站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：利舊；3）報(bào)表及報(bào)警激光打印機(jī)：利舊；4）冗余控制器、冗余電源模塊、冗余通訊模塊、I/O 卡件：新增；5）SIS 系統(tǒng)柜、擴(kuò)展柜、繼電器：新增（機(jī)柜應(yīng)預(yù)留20%的備用安裝空間，備用點(diǎn)數(shù)（新增卡件）為實(shí)際設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)的20%。）本次增加的SIS 系統(tǒng)相關(guān)機(jī)柜和元器件品牌與原系統(tǒng)保持一致。

2.3 康吉森TSxPlus 控制系統(tǒng)

康吉森TSxPlus 系統(tǒng)的通訊包括以太網(wǎng)通訊、MODBUS 通訊和I/OBus 通訊三種。以太網(wǎng)通訊用于實(shí)現(xiàn)工程師站的組態(tài)下裝以及，MODBUS 通訊用于TSxPlus 系統(tǒng)與第三方DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享。I/OBUS 是TSxPlus 系統(tǒng)內(nèi)部控制器與I/O 模塊間的通訊方式，通過(guò)光纖可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架間的數(shù)據(jù)傳輸。

康吉森TSxPlus 控制系統(tǒng)是真正的實(shí)時(shí)多任務(wù)開(kāi)放式系統(tǒng)，采用先進(jìn)的TMR 構(gòu)架；三重化冗余容錯(cuò)的硬件體系結(jié)合全面的冗余容錯(cuò)技術(shù)和診斷方案，使得系統(tǒng)可靠性達(dá)到99.999%。已通過(guò)TüVRhineland（TüV 萊茵）公司認(rèn)證。TSxPlus 滿足IEC61508 定義的系統(tǒng)能力SC3 等級(jí)和硬件安全完整性等級(jí)SIL3，系統(tǒng)具有SOE 事故記錄功能，分辨率為ms 級(jí)，DI、AI 模塊本身均支持SOE 功能。圖1 為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。

2.4 本次改造的通訊信號(hào)

本次改造中液位檢測(cè)優(yōu)先進(jìn)入SIS，再由SIS 系統(tǒng)通訊至DCS.液位開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)入SIS 系統(tǒng)與液位檢測(cè)形成1oo2 邏輯。DCS 命令通訊至SIS 系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器完成控制。SIS 系統(tǒng)命令優(yōu)先，當(dāng)觸發(fā)SIS 系統(tǒng)連鎖時(shí)DCS 對(duì)執(zhí)行器控制命令無(wú)效。

2.5 一級(jí)重大危險(xiǎn)源液氨儲(chǔ)罐（球罐）改造實(shí)例

1）進(jìn)罐氣動(dòng)球閥和出罐氣動(dòng)球閥改進(jìn)SIS 系統(tǒng)。

2）增加一臺(tái)鋼帶液位計(jì)，帶現(xiàn)場(chǎng)顯示和遠(yuǎn)傳功能，遠(yuǎn)傳信號(hào)進(jìn)DCS 系統(tǒng)。原有伺服液位計(jì)利舊，信號(hào)進(jìn)SIS 系統(tǒng)。增加2 臺(tái)外貼式液位開(kāi)關(guān)。伺服液位計(jì)與高高液位二取一聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)罐氣動(dòng)球閥（新增）。伺服液位計(jì)與低低液位二取一聯(lián)鎖關(guān)閉出罐閥（新增）和泵。

3）進(jìn)罐罐根二次閥更換氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氨閥接入DCS 系統(tǒng)，作為DCS 工藝操作控制閥。

4）出罐線罐根二次閥入泵線、來(lái)料線、卸車線、入泵線、倒罐線更換氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，5 臺(tái)氨閥，接入DCS系統(tǒng)，作為DCS 工藝操作控制閥。

3 改造過(guò)程中存在的難點(diǎn)分析

3.1 罐區(qū)內(nèi)動(dòng)火作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大

罐區(qū)內(nèi)動(dòng)火作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，所以將罐根一次手閥更換為氣動(dòng)閥不能動(dòng)火，只能采購(gòu)法蘭規(guī)格、間距相同的氣動(dòng)閥直接更換。更換過(guò)程中有個(gè)別切斷閥氣缸體積過(guò)大，安裝困難。后期又對(duì)氣缸進(jìn)行換向。

3.2 新增電纜量較大

液位開(kāi)關(guān)從DCS 系統(tǒng)移位至SIS 系統(tǒng)，新增電纜量較大，工作量比較大。

3.3 倒罐耗時(shí)長(zhǎng)

在役裝置要更換儲(chǔ)罐根部閥必須要將該儲(chǔ)罐內(nèi)所有儲(chǔ)存油品全部清空或者倒罐。歷經(jīng)10 個(gè)月左右倒罐及安裝調(diào)試最終完成該項(xiàng)目。

4 改造過(guò)程中存在問(wèn)題

4.1 檢測(cè)器及執(zhí)行器共用問(wèn)題突出

為了既能滿足相關(guān)規(guī)定，起到安全屏障的作用，又能節(jié)約費(fèi)用，依據(jù)GB/T 50770—2013 6.2.1、7.2.1 內(nèi)對(duì)SIL1 規(guī)定：執(zhí)行器及檢測(cè)器可與基本過(guò)程系統(tǒng)共用?；谝陨蠗l款，本次采用了液位計(jì)及控制閥在共用策略整改。但在2021 年進(jìn)行安全生產(chǎn)許可證換證申請(qǐng)，現(xiàn)場(chǎng)專家進(jìn)行評(píng)審時(shí)，提出以下整改意見(jiàn)：“部分儲(chǔ)罐及生產(chǎn)裝置DCS 系統(tǒng)與SIS 系統(tǒng)共用傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，雖符合規(guī)范要求，但因設(shè)計(jì)僅滿足了最低規(guī)范要求，仍存在共用的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致DCS 和SIS 系統(tǒng)同時(shí)失效，不能實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)?！?/p>

4.2 自動(dòng)化水平低

部分儲(chǔ)罐進(jìn)、出口采用手閥控制，未設(shè)DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制閥。切罐、倒罐等存在大量手動(dòng)閘閥開(kāi)關(guān)作業(yè)，需要進(jìn)入儲(chǔ)罐圍堰，為安全生產(chǎn)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。不符合國(guó)家安全監(jiān)管總局《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》（安監(jiān)總管三〔2014〕68 號(hào)）的要求。

4.3 影響安全完整性

作為DCS 及SIS 兩個(gè)獨(dú)立保護(hù)層的共用原件，需要同時(shí)負(fù)擔(dān)來(lái)自DCS 和SIS 對(duì)安全保護(hù)的職責(zé)。本項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行12 年以上，檢測(cè)器及執(zhí)行器故障率已經(jīng)逐年上升，并不能滿足共用原件足夠低的危險(xiǎn)失效率，同時(shí)也有可能改變安全完整性要求，從SIL1 變成SIL2。

本次改造設(shè)計(jì)并沒(méi)有充分理解保護(hù)層概念，對(duì)規(guī)范要求理解不深刻，只是增加的控制部分的獨(dú)立性，對(duì)共用元件并無(wú)改動(dòng)。同時(shí)參考GBT 32857—2016 對(duì)獨(dú)立保護(hù)層的確定，提出了第二次改造。

5 第二次改造

本次改造新增雷達(dá)液位計(jì)及超聲波液位開(kāi)關(guān)，原液位計(jì)也參與連鎖邏輯，改為三取二高高液位連鎖關(guān)閉一次閥，同時(shí)也為個(gè)別內(nèi)浮頂罐增加了低低連鎖，防止浮盤落底。將一次閥獨(dú)立由SIS 系統(tǒng)控制。二次手閥更換為氣動(dòng)閥由DCS 控制。真正實(shí)現(xiàn)了將SIS 系統(tǒng)及DCS 系統(tǒng)獨(dú)立,建立了兩層獨(dú)立的保護(hù)層。具體見(jiàn)圖2。

圖2 二次改造效果圖

施工時(shí)充分吸取經(jīng)驗(yàn)，前期對(duì)氣動(dòng)閥進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，考慮安裝方式、氣缸大小、現(xiàn)場(chǎng)布局等問(wèn)題。新增一臺(tái)液位計(jì)及液位開(kāi)關(guān)，部分手閥改為氣動(dòng)閥，提高現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化水平，對(duì)倒罐、切罐等操作可以盡量減少人員進(jìn)入罐區(qū)圍堰內(nèi)作業(yè)。為保障安全施工，現(xiàn)場(chǎng)最大限度不動(dòng)火，使用外貼式超聲波液位開(kāi)關(guān)。使用原罐頂?shù)娜丝孜恢冒惭b液位計(jì)。擴(kuò)大了改造范圍，除一、二級(jí)重大危險(xiǎn)源進(jìn)行了相關(guān)改造，同時(shí)也對(duì)其他部分的油品罐區(qū)一并改造，提高了重大危險(xiǎn)源及油品罐區(qū)的安全保障。

6 保護(hù)措施

所有現(xiàn)場(chǎng)安裝的就地壓力、溫度、流量和液位指示表的防護(hù)等級(jí)不低于IP55，所有現(xiàn)場(chǎng)安裝的電子式儀表和儀表盤柜防護(hù)等級(jí)不低于IP65。儀表井內(nèi)地下管道上安裝的儀表防護(hù)等級(jí)為IP68。

對(duì)測(cè)量低溫介質(zhì)的變送器，采用延伸導(dǎo)壓管線的方式對(duì)儀表進(jìn)行保護(hù)。對(duì)測(cè)量易凍結(jié)、易凝固介質(zhì)的導(dǎo)壓管線，采用蒸汽伴熱。測(cè)量高黏度、腐蝕性、易結(jié)晶、易堵的介質(zhì)，采用帶隔離膜片儀表或采取反吹或沖洗等措施。

裝置的儀表接地采用等電位接地原理，儀表控制系統(tǒng)側(cè)設(shè)有儀表信號(hào)接地和儀表安全接地兩個(gè)匯流條，并兩點(diǎn)連接至接地總板。

現(xiàn)場(chǎng)盤、儀表電纜橋架、儀表設(shè)備、儀表現(xiàn)場(chǎng)接線箱和儀表密封接頭的儀表安全接地在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)框架直接與電氣接地網(wǎng)連接；儀表的信號(hào)接地統(tǒng)一在儀表控制系統(tǒng)側(cè)接至儀表信號(hào)接地匯流條上。

裝置的設(shè)計(jì)中考慮抗電磁干擾措施為：對(duì)于低電平信號(hào)采用對(duì)屏加總屏電纜，本安信號(hào)采用對(duì)屏加總屏本安電纜。對(duì)于電纜的敷設(shè)，采用將不同信號(hào)種類的電纜分開(kāi)槽板敷設(shè)的措施，分類為本安信號(hào)電纜、220 V AC 電源電纜和其他信號(hào)電纜。

儀表設(shè)備防雷保護(hù)根據(jù)GB 50057 和參照IEC 1312 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。儀表設(shè)備，尤其是貴重儀表應(yīng)盡量選用具有防雷功能的儀表。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，使油品罐區(qū)滿足政府安全生產(chǎn)換證要求、集團(tuán)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃要求，也符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及文件的要求，同時(shí)加強(qiáng)了化工安全儀表系統(tǒng)管理，防止和減少了危險(xiǎn)化學(xué)品事故發(fā)生。