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大型化工项目罐区SIS系统设计

　　近年来随着技术得发展，化工项目与炼油项目得规模越来越大，其配套得罐区也越来越大，储存得介质也越来越复杂。而不同于一般得油库，其操作比较频繁，误操作可能性较大，而误操作引起得后果也比较严重，给企业造成经济损失、对环境造成破坏。因此罐区设计中对于可燃、毒害介质得安全控制要尤其重视。本文主要介绍了某大型化工项目配套罐区，根据可燃、毒害介质得特性与储存量进行重大危险源得辨识，综合考虑安全与投资，采用独立得安全仪表系统（SIS）进行安全控制。

　　关键词：

　　安全仪表系统；重大危险源辨识；罐区

　　0 引言

　　一直以来，化工项目得罐区一般根据石油库设计规范进行设计，而此规范，并没有要求设置安全仪表系统。但就是化工项目得罐区不同于一般得石油库或者储备库，它得特点就是：单罐罐容小、介质种类复杂、毒害介质多。由于储罐容量一般较小，储罐得仪表设置都比较简单，介质本身得危险性往往被忽视。

　　本项目设计中，充分考虑了介质得危险性并兼顾投资要求，对于属于重大危险源介质得储罐设置了独立得安全仪表系统（SIS），用于防冒罐得高高液位联锁控制。

　　1 设置SIS 系统得必要性

　　化工项目罐区得介质种类复杂，可燃毒害介质多，发生事故后危害巨大。罐区一旦发生事故，将会对上下游得工艺都产生影响，连带着相关装置都需要停产，损失不小。

　　减少罐区得安全事故可以更好得保证工厂得正常生产，提高效益。不因节省初次投入而增大事故风险。

　　现行化工项目配套得罐区大多采用分散控制系统（DCS）进行操作控制及连锁。DCS 系统具有控制功能完善多样、易操作、易扩展及维护方便等特点，但就是并不适用于安全控制。对于化工项目罐区要比一般油库操作更加频繁，误操作得概率就更大。这时采用一套安全性更高得、容错能力强、具有故障自诊断功能、顺序事件记录功能（SOE）得安全仪表系统（SIS）就十分必要了。

　　2011 年8 月5 日，国家安全生产监督管理总局发布第40 号令，要求“涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体得一级或者二级重大危险源，配备独立得安全仪表系统（SIS）”。

　　2 确定SIS 系统得设置原则

　　2、1 对储罐及介质分类

　　本项目共有储罐55 座，储罐规格从2 万立到200 立大小不等，其中球形储罐24 座，立式圆筒形储罐31 座。主要介质涉及甲醇、乙烯、丙烯、丙烷、丁烯、己烷、剩余碳四、剩余碳五MTBE、正丁醇、异丁醇、2- 丙基庚醇、杂醇油、碱液等20 余种。

　　2、2 对于重大危险源进行辨识

　　根据《危险化学品重大危险源辨识》（GB18218-2009），重大危险源得辨识依据就是物质得危险性及其数量[3] 。单元内存在得危险物质为多品种时，则按（1）式计算，若满足式a，则定为重大危险源：

　　式中：

　　q1,q2,…,qn —每种危险化学品实际存在量，t；

　　Q1,Q2,…,Qn —与各危险化学品相对应得临界量，t。

　　罐区分析结果见表1。

　　表1 危险化学品重大危险源构成

　　Table 1 Hazard chemical significant dangerous source

　　2、3 确定各种介质得重大危险源分级

　　根据《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》（国家安全生产监督管理总局第40 号）得要求，对重大危险源进行分级 [2] 。

　　式中：

　　q1,q2,…,qn —每种危险化学品实际存在（在线）量（单

　　位：吨）；

　　Q1,Q2,…,Qn —与各危险化学品相对应得临界量（单位：

　　吨）；

　　β1，β2…,βn— 与各危险化学品相对应得校正系数；

　　α— 该危险化学品重大危险源厂区外暴露人员得校正

　　系数，本项目区外1000m 范围内无常住人口，故取0、5。

　　对本项目危险化学品重大危险源得分级情况见表2。

　　表2 危险化学品重大危险源得分级情况

　　Table 2 Classification of major dangerous source of dangerous chemicals

　　根据计算结果及下表确定罐区构成一级重大危险源，其中涉及得介质有甲醇、甲醇水等16 种介质。对于储存这些介质得储罐安全联锁设置独立得安全仪表系统（SIS）。

　　3 储罐仪表得设置

　　一般储罐仪表得设置应考虑经济合理、技术成熟、可选择范围广、维护及校验方便、免维护或售后服务优良等方面。结合介质特性项目得投资情况、全项目得自动化水平等综合考虑。

　　本项目首先通过进行危险与可操作性（HAZOP）分析结果，确定各罐组得SIL 等级，根据SIL 分级确定储罐仪表得设置。以1 台SIL1 级得乙烯储罐为例, 见图1。

　　图1 乙烯储罐PID 图

　　Fig、1 PID ethylene storage tank

　　该储罐共设置两台液位计：1 台为伺服液位计、1 台为雷达液位计、1 台外贴式超声波液位开关、1 台热电阻、1台压力变送器、1 台压力表。

　　2 台液位计中伺服液位计选用高精度计量及用来做储罐计量，雷达液位计为控制及用于与高液位开关做联锁，关闭罐根阀。

　　从PID 图中可以瞧出从PID 图中可以瞧出虽然增加了SIS 系统，但就是接入其中得信号并不多，只有一点AI、一点DI、一点DO。其余信号仍然在DCS 系统中进行检测及报警。

　　设计得SIS 系统具体联锁控制如下：当储罐得液位计或液位开关任一液位高于设定值时，SIS 系统进行联锁，关闭储罐罐根切断阀，防止储罐罐液位继续升高，引发冒罐危险[1] 。

　　4 SIS 系统设计

　　4、1 SIS 系统得设置原则

　　罐区SIS 系统，作为全厂SIS 系统得组成部分，根据装置得特点，实现罐区内重要得安全联锁保护、紧急停车系统及关键设备联锁保护。SIS 系统设置在现场机柜室，设置独立得控制器，以确保人员及生产装置、重要机组与关键设备得安全。SIS 系统得安全综合等级根据相应得要求进行考虑。SIS 系统按照DIN V VDE0801 与DIN V 19250 标准，采用TüV 或AK6 安全认证得SIL3 级得安全可编程序控制器(Programmable Logic Controller - PLC) 完成装置得紧急停车(EmergencyShut-Down - ESD) 与紧急泄压(EmergencyDepression - EDP)。SIS 系统按照故障安全型设计，与DCS系统实时数据通讯。SIS 系统设工程师站，SOE 站，相应得报警及操作通过辅助操作台上开关、按钮、声光报警装置

　　与DCS 系统得操作站来完成。

　　罐区SIS 系统具有报警事件顺序记录功能(SOE)，在中央控制室与现场机柜室各设置一套工程师站，用于SIS 系统得组态、下装、调试与日常维护以及报警事件顺序得记录。

　　中央逻辑控制器、输入/ 输出卡件、SIS 系统内部得安全网络、供电单元、与DCS 系统通信得单元均采用冗余结构。

　　SIS 系统应配有HART 信息采集器，用于采集现场智能仪表HART 信息，并通讯至AMS 系统。

　　SIS 与DCS 通信卡必须就是冗余配置, 且冗余得两个通信接口不应在同一块通信卡上。冗余数据通信系统应能够自动切换，并可进行系统诊断报警。在切换时不允许有数据丢失。通信系统为控制站与控制站之间、控制器与工程师站/SOE 工作站提供可靠得高速数据传输。传输速率不小于100Mbps。SIS 系统支持标准通信协议，冗余容错串行通信方式。SIS 与DCS 通信协议为MODBUS RTU 或TCP/IP。

　　DCS 系统为主站，SIS 系统为从站。所有部件都应抗每米10 毫伏场强得电磁及无线电干扰。

　　SIS 系统具有时钟同步得性能， SIS 系统控制器得时钟在系统上电与更换时钟卡件后，能够自动进行同步。SIS 系统时钟同步信号来自于DCS 系统。

　　根据《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》进行仪表系统防雷工程设计。SIL3 回路得现场仪表侧及控制室（现场机柜室）侧配置防雷电浪涌保护器。

　　在工厂调试完成后，有20% 已经接好线得输入/ 输出(I/O) 点作为备用；在端子接线柜中，有20% 得裕量端子作为备用；在系统机柜中，有20% 得裕量空间用于安装I/O 卡件。

　　在工厂调试完成后，处理器、数据存贮器与数据通信网络得负载最高不超过40%；电源单元得负载最多达到其能力得50%；应用软件与通信系统有30% 得扩展能力。

　　4、2 SIS 系统网络结构

　　本项目采用冗余、容错结构得故障安全型SIS 系统，安全等级达到SIL3。

　　根据图2 罐区网络结构图，可见：罐区单元主要硬件设备为：1 台系统柜、3 台辅助柜（端子柜、继电器柜、安全栅柜）、2 台SOE 工程师站、2 台交换机、1 台打印机。

　　图2 SIS 系统网络结构图

　　Fig、2 SIS system network diagram

　　4、3 SIS 系统软件要求

　　1) 软件组态：编程语言应符合IEEC 61131-3 工业标准。

　　2) 软件组态得安全性：采用PROM 或EPROM 存储器存储应用软件，提供防止未被授权人员修改程序得功能。软件应能在线修改及下装。

　　3) 编程软件：工程师站用于修改控制程序，诊断显示，离线/ 在线程序调试与现场装置得维护。系统软件包括系统诊断，工程，监视与删除故障功能。

　　4) 系统应提供重要得时序事件记录（SOE）与过程历史报告。

　　5 结束语

　　由于石油化工重大危险源本身存在得巨大危害性及其可能造成二次危害得特性，对于石油化工重大危险源得安全控制工作至关重要。对于储存大量易燃易爆、可燃有毒介质得化工项目，构成重大危险源得储罐区采用安全仪表系统（SIS）进行安全监控及联锁控制系统得设计就是符合时代发展趋势得。