现代化大型石化企业安全仪表系统设计应用(新版)2

安全仪表系统设计应用黄步余2010.4国内石化行业发展概况„石化行业处于景气时期，原油价格波动。„石化产品需求增长，生产成本提高。„世界级规模石化项目建设并投产运行。„石化产品产量和质量提高，自给能力增强。„石化企业面临机遇和挑战，强化现代化企业管理。„降低生命周期成本，节能，环保，获取大的利润。新建大型炼油项目„8MTA海南炼油项目„8MTA福建炼化一体化项目„10MTA青岛炼油项目„10MTA独山子炼化一体化项目„10MTA天津炼化一体化项目„10MTA抚顺炼化一体化项目„10MTA钦州炼油项目„12MTA惠州炼油项目新型大型乙烯项目„900KTA上海赛科乙烯项目„800KTA广东惠州乙烯项目„700KTA扬巴一体化乙烯项目„1,000KTA茂名石化乙烯项目（扩建）„800KTA福建炼化一体化项目„1,000KTA天津炼化一体化项目„1,000KTA独山子炼化一体化项目„1,000KTA抚顺炼化一体化项目„1,000KTA镇海乙烯项目„800KTA武汉乙烯项目控制及信息管理集成系统的总目标„健康、安全及环境保护有可靠保证；„高质量的过程测量，调节控制，友好人机界面；„仪表及控制系统故障引起非计划停车最少；„提供准确、无缝的信息数据（实时及历史）；„提供维修计划，存量控制和采购计划；„提供生产调度优化，满足市场需求；„工厂、供应商和客户信息集成互联电子商务平台；„降低生命周期成本，获取大的利润。石油化工企业面临的安全挑战„生产装置安全评估；„防止非计划停车；„人员伤害、经济损失、环境污染；„缩短恢复生产时间；„保障人身和设备安全。石油化工企业安全解决方案„安全评估（安全生命周期，风险评估，功能安全管理）；„风险预防（对人身、设备及环境的损害，重复事件减到最少）；„安全仪表系统（减少不必要的停车，故障原因分析，损失减少）；„快速恢复生产（缩短恢复生产时间，避免相同故障重复发生）。石油化工企业安全生命周期„风险评估„安全功能分配„安全需求规格„设计及其工程„安装、开车、确认„操作维护„修改或处理„确认„功能安全管理石油化工企业安全保护级别„Independent„ProtectionLayers1.Process2.DCS-集散控制系统3.AlarmOperators-操作员报警4.SIS安全仪表系统5.ReliefDevices释放设备6.Physicalprotection(F&G）物理保护7.EmergencyResponse紧急响应工艺过程SIS系统对风险的控制机械安全保护层安全仪表系统（SIS）报警系统/操作工艺控制系统工艺设备HAZOPSIL危险与可操作性审查(HAZardandOperabilitystudy-HAZOP)„对生产装置的安全性和操作性进行设计审查;„根据标准、工艺参数等按工艺流程（PID）进行系统分析，正常/非正常工况可能出现的问题、产生的原因、可能导致的后果及应采取的措施；„有生产经验、工艺、安全、设备、电气、仪表、环保、经济等专家共同研究；„HAZOP作业流程:选择研究节点→选择工艺参数→选择引导词→发现有价值的偏差→分析产生偏差的原因、后果及现有措施→评估风险→提出控制风险建议。风险合理化控制(ALARP)(AsLowAsReasonablePractice)„根据风险矩阵识别关键设施和操作，位于高风险区的设施研究；„降低风险设施投资的合理性的研究；„方案投资费用与风险的比选优化。安全保护级别分析„集中研究后果严重和高频发事件；„考虑识别的引发事件和原因；„确认对各引发事件有效的保护层；„有效分配降低风险的资源；„确定安全仪表系统（SIL）等级。安全仪表系统(SafetyInstrumentedSystem-SIS)〔仪表保护系统(InstrumentProtectionSystem-IPS)〕〔安全联锁系统(SafetyInterlockingSystem-SIS)〕〔紧急停车系统(EmergencyShut-DownSystem-ESD)〕仪表系统用于实现1个或多个安全仪表功能，安全仪表系统包括传感器（Sensor）、逻辑运算器（Logicsolver)和最终执行元件(Finalelement)。安全仪表系统(SIS)„IEC61508FunctionalSafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystem„IEC61511FunctionalSafetyInstrumentedsystemsfortheProcessIndustrySection„IEC61131ProgrammableControllers„ANSI/ISA-84.01ApplicationofSafetyInstrumentedSystemsfortheProcessIndustries„DINV19250ProgrammableSafetySystem„SH/T3018石油化工安全仪表系统设计规范（中华人民共和国石油化工行业标准）目前SIS采用标准规范Designcodeforsafetyinstrumentedsysteminpetrochemicalindustry„安全仪表系统（SIS）在生产装置的开车、停车阶段，运行以及维护操作期间，对人员健康、装置设备及环境提供安全保护。无论是生产装置本身出现的故障危险，还是人为因素导致的危险以及一些不可抗拒因素引发的危险，SIS系统都应立即作出正确反应并给出相应的逻辑信号，使生产装置安全联锁或停车，阻止危险的发生和事故的扩散，使危害减少到最小。„SIS系统应具备高的可靠性（Reliability)、可用性（Availability）和可维护性（Maintainability）。当SIS系统本身出现故障时仍能提供安全保护功能。SIS功能及要求„DCS用于生产过程的连续测量、常规控制（连续、顺序、间歇等）、操作控制管理，保证生产装置的平稳运行；SIS用于监视生产装置的运行状况，对出现异常工况迅速处理，使危害降到最低，使人员和生产装置处于安全状态；„DCS是“动态”系统，始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程进行动态控制，确保产品的质量和产量；SIS是“静态”系统，正常工况时，始终监视生产装置的运行，系统输出不变，对生产过程不产生影响；非正常工况时，按照预先的设计进行逻辑运算，使生产装置安全联锁或停车；„SIS比DCS在可靠性、可用性上要求更严格，IEC61508、IEC61511、ISAS84.01、SH/T3018强烈推荐SIS与DCS硬件独立设置。SIS与DCS区别安全（SIL）等级SafetyIntegrityLevel危险等级„I级无法忍受的严重危险（Intolerablerisk）„II级较严重危险（Undesirablerisk)„III级可以忍受的危险（Tolerablerisk)„IV级轻微的危险（Negligiblerisk)危险性分组危险等级说明因果关系（C）C1轻微伤害C2严重伤害，会导致1人或多人死亡C3造成多人死亡C4造成很多人死亡危险出现的频率F1长期出现F2经常出现避免危险事件发生P1在一定条件下可能出现的可能性P2有可能出现意外事故发生的可能性W1几乎不可能W2有可能W3很可能SIS系统设计选用原则„SIS独立于过程控制系统(PCS），独立完成安全保护功能。当过程达到预定条件时，SIS系统动作使过程转入安全状态；„根据对过程危险性及可操作性分析，人员、过程、设备及环保要求，确定SIS的功能等级；„设计成故障安全型；„采用经TUV安全认证的PLC系统；„具有硬件、软件诊断和测试功能；„构成中间环节最少；„传感器、最终执行元件宜单独设置；„能和DCS、MES等进行通信；„SIS实现多个单元保护功能时，其公用部分应符合最高安全等级要求；SIS传感器设计选用„独立设置原则：1级SIS传感器可与DCS共用；2级SIS传感器宜与DCS分开；3级SIS传感器应与DCS分开；„冗余设置原则：1级SIS传感器可采用单一的传感器；2级SIS传感器宜采用冗余的传感器；3级SIS传感器应采用冗余的传感器；„冗余选择原则:保证系统的安全性时，采用“或”逻辑结构；保证系统的可用性时，采用“与”逻辑结构；当系统的安全性和可用性均需保证时，采用“三取二”逻辑结构；„传感器宜采用隔爆型的变送器（压力、差压、差压流量、差压液位、温度），不宜采用开关型传感器；传感器由SIS系统供电。SIS逻辑运算器设计选用„SIS逻辑运算器：可编程序电子系统，混合系统；„可编程电子系统用于I/O点较多,逻辑功能复杂，与DCS、MES通信等场合；„可编程电子系统是经TUV认证的PLC系统；„独立设置原则：1级SIS逻辑运算器宜与DCS分开；2级SIS逻辑运算器应与DCS分开；3级SIS逻辑运算器必须与DCS分开；„冗余设置原则：1级SIS可采用单一的逻辑运算器；2级SIS宜采用冗余或容错逻辑运算器；3级SIS应采用冗余容错逻辑运算器；SIS执行元件设计选用„执行元件：气动切断阀（带电磁阀），气动控制阀（带电磁阀)；„独立设置原则:1级SIS阀门可与DCS共用，应确保SIS优先于DCS动作；2级SIS阀门宜于DCS分开；3级SIS阀门宜于DCS分开；„冗余设置原则：1级SIS可采用单一阀门；2级宜采用冗余阀门；如采用单一阀门，电磁阀宜冗余配置；3级宜采用冗余阀门；可采用一个控制阀和一个切断阀；„电磁阀设置原则：电磁阀应采用长期带电，低功耗，隔爆型；由SIS系统供电。SIS工程设计中注意的问题„I/O模件应带光/电或电磁隔离，带诊断，带电插拔；„来自现场的三取二信号应分别接到三个不同的输入卡；„现场变送器或执行元件应由SIS系统供电；„当变送器信号同时用于SIS、DCS时，应先接到SIS系统后接到DCS系统；„SIS不宜采用现场总线通信方式；SIS工程设计中注意的问题„负荷不应超过50%；„电源应冗余配置；„采用等电位接地。„传感器及执行元件，正常时应带电（励磁）；非正常时应失电（非励磁）；„电磁阀冗余配置时，有两种连接方式：并联连接--可用性好；串联连接--安全性好。SIS维护„预防性维护到预测性维护（工业以太网、HART等）；„提高维护效率和自动化程度（基于工具软件、管理软件等）；„维护工作从现场移到控制室（现场数据采集到服务器、远程维护）；„预防计划外的停车（预测诊断功能、仪表工作情况）。SIS质量保证„安全等级认证（SIS系统相关I/O、CPU、通信等）„防爆等级认证„ISO9000质量认证„CE标志„主要部件的产地„质量保证程序„技术规格44%„调试后变更20%„设计和实施15%„操作和维护15%„安装和调试6%摘自Health&SafetyExecutiveHSE-UKSIS故障分析（在生命周期阶段）SIS系统网络原理图(1)SISSwitchingEWSSOEOPSCCRFARSIS01DCSAMSNetAMSServerRedundantModBusCommHardwareconnectionbysplitekRedundantEthernetNetGPStimesyncElcocaldeRedundantPeertopeerDCSconsoleSIS02注：在CCR内，每个装置用一个独立的SIS系统。SIS系统网络原理图(2)RemoteI/OSwitchingEWSSOEOPSCCRFARSIS01DCSAMSNetAMSServerRedundantModBusHardwareconnectionRedundantEthernetNetDCSconsoleSIS02注：在CCR内，每个SIS系统对应一个RemoteI/O系统。TripleF.O谢谢！