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集氣處理站安全儀表系統(tǒng)設計

文檔作者：劉少宇文檔來源：勝利油Itl勝利勘察設計研究院有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年01月08日
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第47卷第5期
2011年1O月
石油化工 自 動化
AUT0M AT10N IN PETR0一CHEM ICAL INDUSTRY
V0l_47，No．5
()ctober。2011
集氣處理站安全儀表系統(tǒng)設計
劉少宇
(勝利油Itl勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營257026)
摘要：介紹了安全儀表系統(tǒng)(SIS)設置的必要性和重要性。介紹了安全系統(tǒng)的應用現狀、基本理念的形成和發(fā)展、標準和
安全等級的劃分等，并對雅克拉集氣處理站安全儀表系統(tǒng)各部分的設計作了較詳細的論述，從設計的角度分析了安全儀表系統(tǒng)
的組成、設計目的和原則以及手操盤、因果圖的一些實例。
關鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；安全等級；緊急關斷系統(tǒng)；火氣監(jiān)控系統(tǒng)；因果圖
中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1007—7324(2011)05—0020—04
Design of Safety Instrument System for Gas Gathering
and Process Station
Liu Shaoyu
(Shengli Oilfield Shengli Engineering &amp;amp; Consulting Design Institute，Dongying，257026，China)
Abstract：The need and significance of SIS， the current application states of SIS，the forming and
development of the basic concept，system standard and safety rank divide are introduced．The Design of
SIS used in Yakela gas gathering and process station is described in detail．The design purpose，buildup
and principle of the system are analysized in terms of design．Examples such as manual operating panel，
cause and effect diagram are also 1isted．
Keywords：SIS；safety rank；ESD；FGS；cause and effect diagram
0 引 言
安全儀表系統(tǒng)(SIS)的作用是在工藝生產裝置
出現故障或可燃氣體泄漏、發(fā)生火災時，及時、準確
地自動對事故進行處理，把事故消滅在發(fā)生前或防
止事故擴大，以保證人員安全，保護生產設備免遭
破壞。其功能是接受各種報警信號(包括人為的報
警信號、FGS檢測的報警信號、生產過程中來的極
限報警信號及突發(fā)事故狀態(tài)信號)，按預定程序發(fā)
出指令，由設在現場的應急關斷閥、放空閥等執(zhí)行
保護性關斷。該文就雅克拉集氣處理站SIS的設
計問題進行闡述。
1 SIS的設計原則及目標
1．1 SIS的設計原則
SIS設計原則：當工廠本身發(fā)生危險情況，或
如果不采取行動就會最終導致風險增加，在這些情
況下，SIS必須產生及時、正確的輸出，來防止任何
危險發(fā)生或減輕后果。
SIS應該是完全獨立的系統(tǒng)。即傳感器、控制
器和控制邏輯、切斷閥和泄壓閥、手動操作接口等
都是SIS專用的。雖然SIS設計要瞄準最大的可
靠性和可用性，但又不能把硬件配置和軟件的組態(tài)
設計得過于復雜。根據經驗，大多數使用SIS的工
業(yè)應用場合屬于AK4 AK6級，其中一般鍋爐、加
熱爐為4級，石油化工生產裝置SIS的安全等級
一般為SIL3，即相當于TUV 的AK5，AK6級。表
1列出了國際上DIN，IEC和ISA三個標準的安全
要求等級對比情況。
表1 安全要求等級對比
DIN V VDE0801 AK1 AK2 AK3 AK4 AK5 AK6 AK7 AK8
IEC 61508 SIL1 SIL1 SIL1 SIL2 SIL3 SII 3 SII 4 SII 4
ISA S84．O1 SILl SIL1 SII 1 SII 2 SII 3 SII 3
1．2 SIS設計的目標
a)必須保證安全停車。
b)在那些只有泄壓才能防止危險條件進一步
擴展的地方實施泄壓。
c)應最少甚至沒有虛假停車，保證生產的連
續(xù)性。
收稿日期：2011一O4—18。
作者簡介：劉少宇(1973 )，男，1997年畢業(yè)于東北電力學院
生產過程自動化專業(yè)，學士學位，現工作于勝利油田勝利勘察設計
研究院有限公司，從事石油化工自動化設計工作，任自控室主任、
高級工程師。
第5期 劉少宇．集氣處理站安全儀表系統(tǒng)設計
2 集氣處理站SIS的設計
雅克拉集氣處理站SIS由緊急關斷系統(tǒng)
(ESD)和火氣監(jiān)控系統(tǒng)(FGS)組成。兩套系統(tǒng)共
用一套控制器，安全等級為SIL3級(AK6級)。
2．1 ESD設計
雅克拉集氣處理站ESD采用冗余控制器，雙
電源的冗余結構，互為熱備。在操作站上能監(jiān)視
聯(lián)鎖動作及報警顯示；ESD采用事故安全型，檢
測端和執(zhí)行端采用正常帶電、事故斷電的原則；
在ESD上還設置旁路功能，以便于系統(tǒng)啟動、操
作、維修。
a)ESD關斷級別分為三級。
1)ESD一1為全站關斷。該關斷級別最高，終
端設備除應急支持系統(tǒng)(延時關斷)外全部關斷并
緊急放空為該級別關斷為手動啟動。火災、爆炸或
重大自然災害等，屬于ESD一1級關斷。
2)ESD一2為工藝關斷。它可由操作人員手
動啟動，也可自動啟動。除能執(zhí)行本級關斷功能
外，ESD一2級關斷能觸發(fā)ESD一3級關斷。儀表風
源壓力過低、系統(tǒng)供電中斷、某些關鍵工藝過程區(qū)
可燃氣體泄漏嚴重等，屬于ESD-2級關斷。
3)ESD一3為工藝段關斷?？墒謩踊蜃詣?
啟動。
ESD一1，ESD一2，ESD一3級按鈕設有明顯的
標志及警告牌，并有保護裝置防止誤操作。需要注
意：某一級別的關斷指令均不引起較高級別的關
斷，只能引起本級別及較低級別的關斷。
b)ESD矩陣盤，設置于中控室操作臺上。在
ESD面板上完成1，2，3級關斷，并對重要參數進
行報警燈指示。
c)系統(tǒng)要求。ESD接受所有與工廠狀態(tài)相關
的信號，并按照每一個邏輯功能圖進行動作。在運
行邏輯方面，ESD設計成失效一安全型?！?”邏輯
信號為正常狀態(tài)，“0”邏輯信號是跳閘狀態(tài)。在失
電或部件出故障時，邏輯輸出信號是故障狀態(tài)，即
“0”狀態(tài)。
ESD的輸入在報警或不正常條件下移向開
路位置，在正常狀態(tài)下，邏輯電路輸出保持帶電
狀態(tài)，任何輸入變成開路時將導致相應的輸出電
路關電。所有模擬和數字輸入都為“失效一安
全”設計。輸出到電磁閥和泵的信號也應當是
“失效一安全”設計，報警和指示器的輸出不是
“失效一安全”設計。所有的輸出卡提供與跳閘
點和輸出狀況有關的輸入狀況的可視顯示，并顯
示輸出信號的狀況。
強制使I／O信號通過工程師工作站。強制是
在“鑰匙一鎖閉”條件下進行的，當打開鑰匙后，強
制性取消。PCS操作員站的操作員能看見I／O 的
強制性，并且有事件順序記錄(SOE)信息。
d)ESD與DCS的關系如圖1所示。
圖1 ESD 與DCS關系示意
2．2 FGS設計
FGS設計與ESD正好相反，FGS邏輯電路是
非帶電狀態(tài)，因此對于輸入卡件，FGS的卡件有
順序控制功能，而輸出卡件則有循環(huán)控制的
功能。
FGS矩陣盤安裝在中控室操作臺上，在完成
所有消防設施的手動釋放。該矩陣盤的配置要
求如下：對每個含有消防設施的防火分區(qū)在矩陣
盤上都應設有相應的手動／自動／屏蔽切換開關
以及手動按鈕。當開關在手動／自動位置時，可
根據控制邏輯進行自動泄放，或可利用矩陣盤上
的手動按鈕進行泄放；當開關在屏蔽位置時，手
動與自動都被禁止，系統(tǒng)只能報警，該屏蔽主要
用于系統(tǒng)維護。
2．3 SIS組成設計
SIS設計原則：觸發(fā)元件和最終執(zhí)行元件，以
及與它們相關的連接和電路都應該是專用于SIS
的，SIS系統(tǒng)結構如圖2所示。
愿
圖2 SIS 系統(tǒng)結構示意
a)觸發(fā)元件。根據設計原則，觸發(fā)元件的安
裝位置應僅僅局限于工藝參數偏離正常范圍而又
危及安全的地方。來自FGS的信號及操作員接口
設備的手動停車按鈕信號都可直接觸發(fā)停車。根
據工藝流程和設備的實際需要設置現場和控制室
操作盤的觸發(fā)停車按鈕。觸發(fā)停車按鈕信號送入
ESD邏輯控制器，由邏輯控制器按因果關系表輸
出停車信號。
觸發(fā)元件的輸出應是模擬信號或開關信號，優(yōu)
選模擬設備；如果是開關信號，開關觸點容量一般
22 石油化工自動化 第47卷
應滿足5 A，250 V。在正常運行條件時，引發(fā)器件
的觸點是閉合的，當報警時打開。開關設備終端設
線路監(jiān)視電阻，檢測線路始終處于正常狀態(tài)。對有
防爆要求的儀表，在安裝線路監(jiān)視電阻后，生產廠
家應確認不影響該儀表的防爆性能。
b)執(zhí)行元件。整個氣體處理站工藝流程用緊
急關斷閥隔離成若干段，萬一非正常條件發(fā)生時，
可盡量減少危險的擴展。一旦被關斷閥隔離，該工
藝段內所容納的碳氫物質就可以通過泄放裝置直
接泄放到火炬。每個泄放裝置由緊急泄放閥、限流
孔板和到火炬的管線組成。因此，執(zhí)行器件主要是
緊急關斷閥和緊急泄放閥。
執(zhí)行器件是SIS中危險性最高的設備。由于
SIS正常工況時是靜態(tài)的、被動的，系統(tǒng)輸出不變，
最終執(zhí)行元件一直保持原有狀態(tài)，很難確認最終執(zhí)
行元件是否有危險故障。因此要選擇符合安全度
等級要求的控制閥及配套的電磁閥作為SIS的最
終執(zhí)行元件。
c)邏輯運算單元。SIS邏輯運算單元由輸入
模塊、控制模塊、診斷回路、輸出模塊4部分組成。
依據邏輯運算單元自動進行周期性故障診斷，基于
自診斷測試的SIS具有特殊的硬件設計，借助于安
全性診斷測試技術保證安全性。
SIS采用冗余、容錯技術，用于控制的I／O
模件及中央處理器均采用冗余配置，允許模塊
在線插拔、更換，設備可在線自診斷，排除報警，
無差錯切換。系統(tǒng)具有完善的硬件、軟件故障
自診斷功能，可自動記錄故障報警并提示維護
人員維護。
3 SIS因果圖設計
3．1 集氣處理站ESD因果圖
為了使工廠在停車之后能夠快速再啟動，排放
泄壓應由操作員在操作臺上進行手動操作。除非
因為安全要求，自動排放泄壓為必不可少時才設計
成自動排放泄壓邏輯。雅克拉集氣處理站ESD因
果圖(部分)見表2所列。
表2 雅克拉集氣站ESD因果圖(部分)
注：×—— 設備動作。
所有ESD聯(lián)鎖信號應在工程師站設有自動／
屏蔽切換開關，當開關在自動位置時，可根據控制
邏輯進行自動關斷，當開關在屏蔽位置時，自動都
被禁止，系統(tǒng)只能報警。
在工藝開車時，工藝參數都處在非正常狀
態(tài)，ESD停車邏輯應設置啟動禁止功能。每組輸
入信號設置一個啟動旁通開關(軟件旁通開關)。
啟動旁通開關的作用是使有關工藝段的緊急停
車功能禁止，待現場工藝參數達到正常值并處于
穩(wěn)定狀態(tài)時，啟動旁通開關的作用消失，緊急停
車功能恢復。任何啟動禁止功能都是由操作員
通過操作員鍵盤設置，工藝過程達到正常穩(wěn)定，
ESD緊急停車邏輯開始運行，并啟動緊急停車。
停車的順序應是先切斷物流源才打開泄壓閥。
因此，在設計打開泄壓閥的邏輯時，必須確認已
切斷物流源的信號存在時，才能手動或自動打開
泄壓閥。
對于獨立裝置的停車邏輯也納入ESD主系
統(tǒng)，并受其管理和控制。例如透平膨脹機、壓縮
機以及加熱爐等都要接受來自ESD 的接點信號
進行緊急停車。這些接點正常情況下是不帶電
的干觸點。
3．2 FGS因果圖
火氣探測設備(可燃氣體探測器、火焰探測器、
手動報警站)檢測到現場的氣體泄漏或火災信號，
FGS可根據邏輯進行自動關斷和消防噴淋，也可
以根據報警確定故障位置在矩陣盤上手動操作。
雅克拉集氣處理站FGS因果圖(部分)見表3所
列，表3中所有的設備都為雨淋閥，其作用都為OP
作用。
第5期 劉少宇．集氣處理站安全儀表系統(tǒng)設計 23
注：×—— 設備動作。
4 SIS設計應注意的幾個問題
設計SIS時，應根據工廠的流程特點盡量簡
單，環(huán)節(jié)最少，下面總結一些氣體處理廠SIS設計
的一些看法，供大家參考。
a)當火災發(fā)生時，設計為一級關斷，全廠自動
切換流程至火炬，實施泄壓，以免壓力容器受熱膨
脹，發(fā)生爆炸。
b)當關系全廠的參數或氣源、電源中斷，迫使
全廠停車，此時設計為二級關斷。二級關斷不實施
泄壓，事故排除后，有利于再啟動開車。
c)有些工藝參數異常，不牽涉全廠停車時，設
計為三、四級停車。一般三級停車為個別工段、工
區(qū)或某列設備，停掉這些設備全廠仍可繼續(xù)生產。
四級停車就只是個別設備參數發(fā)生異常，只停掉該
設備就可以了。
從以上說明可以看出：一級停車一般只有在
發(fā)生火災，或進行停產維護時才實施。至于氣體泄
漏引起的停車，可能是二級、三級或四級停車，要根
據工藝流程確定停車。
d)在中心控制室設有停車手動控制盤。一般
盤上裝有一、二和部分三級手動停車控制按鈕，手
動／自動轉換開關，指示燈等，稱為矩陣盤。一般
一
、二級停車采取手動，三級停車可自動。
e)ESD邏輯設計。ESD邏輯基于由一些子系
統(tǒng)組成的模塊結構，每一個模塊確定一個獨立的工
藝段的停車邏輯。ESD邏輯應該貫徹最簡單、最有
效、最安全的原則；一般采用AND，OR，NOT和定時
功能等基本的邏輯。在緊急停車時，ESD的內部邏
輯應保持在停車位置，系統(tǒng)只設計手動復位。
” ESD啟動禁止功能。在設備初次啟動時，
工藝參數一般都處在非正常狀態(tài)，ESD停車邏輯
應設置啟動禁止功能。
g)ESD維護禁止功能。ESD維護禁止時，被
禁止的輸入信號不再進入ESD停車邏輯系統(tǒng)，但
這些輸入信號的報警功能仍然保留。
h)EsD輸出強迫功能。操作員可以使輸出置
于強迫狀態(tài)，此時操作員可根據需要使輸出置“1”
或置“0”。
i)安全等級的確定。工藝過程的風險是以惡
性事故概率及其造成的后果來衡量的，討論每一種
惡性事故過程，引入SIS只能降低惡性事故發(fā)生的
頻率，而不能改變其造成的后果，因此安全等級不
宜過高，滿足要求即可。
5 結束語
安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是生產過程中設備、生產、人身
安全的“保護神”，在設計、選型及配置安全聯(lián)鎖系
統(tǒng)時，要綜合考慮裝置的可用性與可靠性的要求，
同時結合有關聯(lián)鎖系統(tǒng)的標準、規(guī)范，選擇合適的
安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，并做合理的系統(tǒng)配置，以使安全聯(lián)
鎖系統(tǒng)發(fā)揮出真正的安全保護作用。
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