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化工裝置中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用簡述

文檔作者：楊韜文檔來源：河南吉成安全技術(shù)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月28日
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2017 年06 月
環(huán)保安全
化工裝置中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用簡述
楊韜（河南吉成安全技術(shù)有限公司，河南鄭州450000）
摘要：化工裝置往往涉及易燃易爆、有毒介質(zhì)，且部分反應(yīng)
過程在高溫、高壓狀態(tài)下進(jìn)行，具有較高的危險(xiǎn)性，安全儀表系
統(tǒng)可降低化工裝置的事故風(fēng)險(xiǎn)。本文就化工裝置中安全儀表
系統(tǒng)的應(yīng)用及實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行簡要的分析和論述。
關(guān)鍵詞：化工裝置；安全儀表系統(tǒng)；應(yīng)用
隨著我國化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,化工產(chǎn)品的種類越來越多，生產(chǎn)
方法越來越多樣化，化工裝置日益向規(guī)模大型化、生產(chǎn)過程連
續(xù)化、自動化的方向發(fā)展。同時(shí)，化工裝置往往涉及易燃易爆、
有毒介質(zhì)，且部分反應(yīng)過程在高溫、高壓狀態(tài)下進(jìn)行，具有較高
的危險(xiǎn)性。安全儀表系統(tǒng)（SIS，Safety Instrumented System）作為
本質(zhì)安全的重要手段之一，可降低化工裝置的事故風(fēng)險(xiǎn)，在化
工裝置中的應(yīng)用越來越廣泛，安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)
試、維護(hù)管理也得到越來越多的重視。
1 安全儀表系統(tǒng)概述
安全儀表系統(tǒng)也是指實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)安全儀表功能的儀
表系統(tǒng)，其常常獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)（例如分散型控制系統(tǒng)
DCS等），生產(chǎn)正常時(shí)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(shí)，能夠瞬間準(zhǔn)確動作，使生
產(chǎn)過程安全停止運(yùn)行或自動導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)，因此，其在
化工裝置的安全控制中處于舉足輕重的作用。如圖1所示，對
于化工過程的安全控制采用獨(dú)立保護(hù)層洋蔥模型進(jìn)行分析，它
的核心是化工裝置或工藝過程，首先要設(shè)置基本過程控制系統(tǒng)
（Basic Process Control System，BPCS）對過程對象進(jìn)行操作、控
制，化工裝置的基本過程系統(tǒng)通常使用DCS 。再往外一層，若
過程對象出現(xiàn)了超溫、超壓等工藝偏差，則BPCS會進(jìn)行報(bào)警提
示，操作人員進(jìn)行操作干預(yù)將偏差拉回至安全范圍。若工藝偏
差無法控制，則由它的外部安全保護(hù)層逐一進(jìn)行保護(hù)，這其中
就包括了安全儀表系統(tǒng)。從圖1可見，安全儀表系統(tǒng)處于外部
安全保護(hù)層的第一層，若其發(fā)揮作用，則可避免過程對象的失
控，并可杜絕將相應(yīng)的危險(xiǎn)介質(zhì)釋放至裝置管線、設(shè)備的外部，
避免工藝安全事故的發(fā)生。
圖1 化工裝置或工藝過程獨(dú)立保護(hù)層洋蔥模型
因此，在化工裝置中使用安全儀表系統(tǒng)至關(guān)重要。目前，
國家安全監(jiān)管總局出臺了相關(guān)文件對安全儀表系統(tǒng)的設(shè)置提
出了相應(yīng)的要求，如《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)
定》中規(guī)定：涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或者二
級重大危險(xiǎn)源，配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。安全儀表系統(tǒng)
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。
2 化工裝置中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用
安全儀表系統(tǒng)工程安全程度的高低取決于其安全生命周
期中各階段實(shí)施質(zhì)量的好壞。安全生命周期包括從工程方案
設(shè)計(jì)階段安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略，到操作維護(hù)階段，直到安
全儀表系統(tǒng)停用的全過程，涉及工程設(shè)計(jì)、集成調(diào)試及驗(yàn)收測
試、運(yùn)行維護(hù)等多方面的工作。具體到化工裝置中的應(yīng)用來
看，應(yīng)把握好以下幾個(gè)方面：
2.1 確定安全完整性（SIL）等級
根據(jù)化工裝置的危險(xiǎn)及可操作性分析，人員、過程、設(shè)備及
其安全保護(hù)，以及安全完整性等級要求確定安全儀表系統(tǒng)的功
能。在化工裝置的應(yīng)用中，安全完整性等級可分為SIL1、SIL2、
SIL3。安全完整性等級越高，其實(shí)現(xiàn)安全儀表功能的能力越
強(qiáng)。安全完整等級評估可采用保護(hù)層分析法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、校
正的風(fēng)險(xiǎn)圖法、經(jīng)驗(yàn)法及其他方法。
2.2 合理選擇安全儀表系統(tǒng)的設(shè)備
安全儀表系統(tǒng)由測量儀表、邏輯控制器、最終元件及相關(guān)
軟件組成，因?yàn)橐Ｗo(hù)人和生產(chǎn)的安全，所以其要求要高于基
本過程控制系統(tǒng)，并要求設(shè)計(jì)成故障安全型，確保在系統(tǒng)故障
狀態(tài)下保證生產(chǎn)裝置進(jìn)入安全狀態(tài)。
邏輯控制器是執(zhí)行邏輯功能的設(shè)備，宜采用可編程電子系
統(tǒng)，并應(yīng)取得功能安全認(rèn)證。測量儀表是測量過程變量（溫度、
壓力、液位、流量等）的設(shè)備，安全儀表系統(tǒng)宜采用模擬量測量
儀表，如壓力、液位變送器等，變送器宜采用4~20mA 疊加
HART通訊協(xié)議的智能變送器，不宜采用現(xiàn)場開關(guān)量儀表，開關(guān)
量儀表長時(shí)間不動作，會出現(xiàn)觸點(diǎn)粘合或接觸不佳，出現(xiàn)不動
作或誤動作。采用冗余測量儀表，當(dāng)要求高安全性時(shí)，應(yīng)選擇
“與”邏輯結(jié)構(gòu)；當(dāng)系統(tǒng)需要兼顧高安全性和高可靠性時(shí)，宜采
取三取二邏輯結(jié)構(gòu)。測量儀表應(yīng)采用儀表電纜硬接線方式作
為安全儀表系統(tǒng)的輸入信號，不應(yīng)采用現(xiàn)場總線等通訊方式。
最終元件執(zhí)行邏輯控制器指令或設(shè)定的動作，使過程達(dá)到安全
狀態(tài)的設(shè)備，包括氣動控制閥（調(diào)節(jié)閥、切斷閥）、電磁閥、電動
機(jī)等。在采取冗余時(shí)，控制閥冗余方式可采用一個(gè)調(diào)節(jié)閥和一
個(gè)切斷閥，也可采用兩個(gè)切斷閥。
邏輯控制器、測量儀表、最終元件的獨(dú)立、冗余設(shè)置原則見
表1。
(下轉(zhuǎn)第196 頁)
194
萬方數(shù)據(jù)
2017 年06 月
設(shè)備管理
表1 SIL 級別及SIS 系統(tǒng)設(shè)置原則
SIL 等級
邏輯控制
器
測量儀表
最終元件
獨(dú)立
性
冗余
性
獨(dú)立
性
冗余
性
獨(dú)立
性
冗余
性
SIL1
宜與BPCS 分開
可采用冗余邏輯控
制器
可與BPCS 共用
可采用單一測量
儀表
控制閥可與BPCS
共用
可采用單一控制閥
SIL2
應(yīng)與BPCS 分開
宜采用冗余邏輯控
制器
宜與BPCS 分開
宜采用冗余測量
儀表
控制閥宜與BPCS
分開
宜采用冗余控制閥
SIL3
應(yīng)采用冗余邏輯控
制器
應(yīng)與BPCS 分開
應(yīng)采用冗余測量
儀表
控制閥應(yīng)與BPCS
分開
應(yīng)采用冗余控制閥
2.3 安裝、調(diào)試安全儀表系統(tǒng)
在完成安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，根據(jù)技術(shù)要求采購安全儀
表系統(tǒng)的硬件和軟件，隨后按照規(guī)范及產(chǎn)品技術(shù)要求進(jìn)行系統(tǒng)
軟硬件安裝、調(diào)試，完成系統(tǒng)組態(tài)的準(zhǔn)備；在設(shè)計(jì)單位提供用于
安全聯(lián)鎖的邏輯設(shè)計(jì)文件后，開始安全儀表系統(tǒng)的軟件組態(tài)，
完成組態(tài)工作后開始系統(tǒng)的工廠驗(yàn)收測試，工廠驗(yàn)收測試合格
后即可裝運(yùn)至化工裝置現(xiàn)場，進(jìn)行現(xiàn)場安裝、送電調(diào)試，然后開
始現(xiàn)場儀表測試、單回路測試、聯(lián)動調(diào)試和邏輯功能調(diào)試，所有
測試完成并確保無問題后，最終交付用戶，伴隨化工生產(chǎn)裝置
投入試生產(chǎn)、運(yùn)行。
2.4 安全儀表系統(tǒng)的管理、維護(hù)
在安全儀表系統(tǒng)投入使用后，良好的管理、維護(hù)是確保其
正常運(yùn)行的重要手段。常見的措施有：①對相應(yīng)的維護(hù)人員進(jìn)
行培訓(xùn)，使其掌握安全儀表系統(tǒng)硬件、軟件的功能及維護(hù)、使用
方法；②制定管理制度及操作維護(hù)規(guī)程，明確維護(hù)人員的職責(zé)，
并在停車或檢修期間對系統(tǒng)進(jìn)行檢查、測試，確保其有效。③
對安全儀表系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件組態(tài)編程等文檔應(yīng)保
存，發(fā)生增加或修改邏輯等變更時(shí)，應(yīng)及時(shí)更新相關(guān)信息，并存
檔備份。
3 結(jié)語
綜上所述，對于化工裝置運(yùn)行過程中安全儀表系統(tǒng)的有效
應(yīng)用而言，為了確保發(fā)揮其在工藝過程中安全保護(hù)層的功能，
確定其獨(dú)立性、冗余性是比較重要的一個(gè)方面，除了要做好設(shè)
計(jì)、安裝、調(diào)試環(huán)節(jié)外，后續(xù)的維護(hù)管理同樣也需要進(jìn)行重點(diǎn)
關(guān)注。
參考文獻(xiàn)：
[1]中國石油化工集團(tuán)公司. GB/T 50770-2013石油化工安
全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國計(jì)劃出版社,2013.
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[3]魏華. 安全儀表的可靠性和可用性分析[J].石油化工自動
化, 2009.(1):10-13.
(上接第194 頁)
葉片的斷口顏色呈黑色，葉片的裂紋是從葉片受壓側(cè)與楔
形榫頭的接觸面開始，位置略低于在葉片后緣附近的過渡半
徑，從殘留的金屬破裂面看上去，葉片的斷裂是一個(gè)延展性破
壞，裂紋特征為貝殼狀裂紋。初步分析該壓氣機(jī)第1級動葉葉
片斷裂的原因?yàn)椋孩賶簹鈾C(jī)葉片制造存在缺陷；②壓氣機(jī)設(shè)計(jì)
存在缺陷。
5 故障原因分析
由于宏觀無法準(zhǔn)確分析出葉片斷裂的具體原因，SOLAR將
整個(gè)壓氣機(jī)的動葉和已脫落的葉片送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動態(tài)模擬
和材料晶相分析。經(jīng)SOLAR廠家分析，該燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)第一
級動葉斷裂的原因?yàn)椋?
（1）故障起因于燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)第一級動葉葉片。
（2）斷裂葉片的裂紋是從葉片受壓側(cè)與楔形榫頭的接觸面
開始，位置略低于在葉片后緣附近的過渡半徑，裂紋從楔形榫
頭開始沿著半徑方向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到與葉片交接部位，運(yùn)行
中的葉片承受不了較高的應(yīng)力，迫使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終致
使葉片破裂脫落。
（3）已斷裂的壓氣機(jī)葉片由不銹鋼鍛造而成，和楔形榫頭
是一個(gè)整體，葉片表面涂有固體潤滑劑，在制造工藝和硬度方
面沒有問題。
（4）第一級動葉斷裂屬于磨蝕疲勞。
6 結(jié)語
（1）故障發(fā)生前該機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，且在增壓站操作規(guī)程和
SOLAR燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)行，該故障與運(yùn)行操作
無關(guān)。
（2）故障發(fā)生前SOLAR廠家工程師進(jìn)行過2次現(xiàn)8000小時(shí)
現(xiàn)場維護(hù)服務(wù)，均沒有發(fā)現(xiàn)問題；且增壓站日常維護(hù)保養(yǎng)嚴(yán)格
按照SOLAR維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程進(jìn)行，該故障與現(xiàn)場維護(hù)無關(guān)。
（3）經(jīng)SOLAR廠家分析，該燃機(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂的性質(zhì)為
磨蝕疲勞。SOLAR已經(jīng)在設(shè)計(jì)和加工制造方面提高了壓氣機(jī)
葉片的磨蝕疲勞強(qiáng)度，并且在2013年6月開始，對新生產(chǎn)和大
修的T130雙軸燃機(jī)動葉均使用了改善后的產(chǎn)品。
（4）由于該故障是SOLAR廠家設(shè)計(jì)缺陷造成，SOLAR公司
賠償了本次故障的直接經(jīng)濟(jì)損失，建議盡快啟動即將到大修時(shí)
間的機(jī)組大修工作，并承諾免費(fèi)更換其它機(jī)組的壓氣機(jī)的
葉片。
參考文獻(xiàn)：
[1]Investigation Report Solar® Titan 130.Charlie Hinkle Fail?
ure Investigation Engineer.
[2]朱寶田，等. 某電廠3#燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片故障的原因
分析. 熱力透平. 2007，36（1）：67~70.
[3]增壓站給SOLAR公司的故障報(bào)告。2014年12月.
196
萬方數(shù)據(jù)

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