张鹏飞 高传旺
河南龙宇煤化工有限公司 河南 永城 476600
摘要 近年来，我国危险化学品行业安全事故频发，给工作人员的生命安全、社会环境及国家经济造成了巨大的损失。究其原因，除了人员操作失误、管理制度缺陷外，设备装置能否实现自动化安全生产要求、重大危险源装置是否配备独立的安全仪表系统、紧急情况下能否实现安全稳定停车，也起到了至关重要的作用。随着国家对危化品行业安全生产管控力度的加大，部分生产装置的重大危险源区域在设计之初未能实现安全停车功能，按照国家安全监管总局关于印发《化工和危险化学品生产经营单位重大生产安全事故隐患判定标准（试行）》的通知，已构成重大安全事故隐患。本文在对国家相关法规进行解读，通过在一套大型煤制甲醇装置开展安全仪表系统的建立与实现过程中的的实践，探讨安全仪表系统实施的过程中的相关工作注意事项，以及后续维护管理的相关要求。
关键词 安全仪表系统 联锁 HAZOP分析 SIL等级
一 生产装置构成及简要流程
该煤制甲醇主生产装置由壳牌煤气化装置、变换+Lurgi净化+合成装置组成，附带硫回收装置以及后续的二甲醚装置，并且有甲醇罐区、二甲醚罐区。
主要流程：从煤气化单元来的粗煤气经过变换装置的变换炉变换后，将粗煤气中的CO部分变换成H2；变换气经过低温甲醇洗工艺脱除其中的CO2、全部硫化物、其他杂质以及H2O后，进入甲醇合成及精馏工序，一部分生成产品甲醇去甲醇罐区存储，另一部分去二甲醚装置反应生成二甲醚，去二甲醚罐区存储。
二 安全仪表系统建立的背景及相关要求
安全仪表系统，Safety instrumentation System，简称SIS，又称为安全联锁系统（Safety interlocking System），主要为工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作或调节或停机控制，是工厂企业自动控制中的重要组成部分。安全仪表系统包括传感器、逻辑运算器和最终执行元件，即检测单元、控制单元和执行单元。SIS系统可以监测生产过程中出现的或者潜伏的危险，发出告警信息或直接执行预定程序，立即进入操作，防止事故的发生、降低事故带来的危害及其影响。
在2008年国家安委办26号文件《关于危化品安全生产工作的指导意见》中就提出“企业应用危险与可操作性分析技术HAZOP，提高化工生产装置潜在风险辨识能力”，“选用安全可靠的仪表、联锁控制系统”；2009年安监总局124号文件中也提出“积极开展重点化工生产装置危险与可操作性分析”；2013年安监总局76号文和88号文均提出采用危险与可操作性分析技术的要求；2014年安监总局116号文要求“涉及“两重点一重大”在役生产装置或设施的化工企业和危险化学品储存单位，要在全面开展过程危险分析（如危险与可操作性分析）基础上，通过风险分析确定安全仪表功能及其风险降低要求，并尽快评估现有安全仪表功能是否满足风险降低要求。”
按照以上法规相关要求，以及根据安监总局2011年40号文件和2014年68号文件要求，重大危险源罐区需配备安全仪表系统，且设置紧急切断阀，该单位生产装置除了煤气化装置在项目建设初就设计了紧急停车系统外，变换、低温甲醇洗、精馏、二甲醚、硫回收装置以及甲醇、二甲醚罐区均需设置独立的仪表指示及紧急切断阀，并进入独立的控制系统，即安全仪表系统。
三 安全仪表系统建立实践
1、评估验证与设计
项目实施前，首先需要将项目原始设计和装置运行中变更的相关资料进行收集整理，将生产装置在用的仪控相关设备设施和联锁设置进行确认核对，确保资料的完整和准确性；其次，开展HAZOP分析和验证工作。特聘请了咨询公司的专家来做HAZOP分析，并安排专门的工艺、仪控等专业人员配合实施该工作；最后，根据分析的SIL定级结果和有关建议项，与设计院结合，出具安全仪表系统设计图纸和相关技术资料。
2、安全仪表系统软硬件配置：
经统筹考虑配置规模、系统功能、技术性能、供货范围、技术服务、工程项目实施、系统的组态、系统集成等方面，系统厂家必须具有TUV AK6级认证的、安全级别为SIL3（IEC61508）的安全仪表系统ESD/SIS，且系统安全可靠、软硬件为最新版本，并具有完备的冗余容错技术，鉴于北京康吉森的ITCC在我公司的良好应用，下位软件决定使用其旗下的TRICON系统，上位机组态软件采用WONDEREARE公司产品INTOUCH 2014R2版本。
IO点数及备用量：
根据各装置安全仪表数据汇总统计，所需的I/O点数及类型、卡件数量和支持点数以及一定余量的备用通道，清单如下：
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本文选用的 SIS 系统采用了当前先进的微处理TMR硬件技术和成熟可靠的 TRISTATION 1131 组态软件，具有完整的装置联锁保护功能、系统自诊断功能。
系统配置3台标准机柜，其中系统机柜1个，辅助机柜2个：
系统的硬件及附件安装在标准工业用机柜内， 标准机柜尺寸为 800mmD×800mmW×2,100mmH(含底座 100mm 高度)，能前后开门，机柜装有风扇及空气过滤器，电缆从机柜的底部进入。处理器及插槽朝机柜的前面，机柜内的元件都有相应的电源。机柜颜色为 RAL-7035，底座颜色为：RAL-7022。侧板厚度不小于 1.5mm，门厚度不小于 2.0mm，安装板厚度不小于 3.0mm。
辅助机柜用于安装继电器、安全栅、端子板等，机柜等级及尺寸同系统柜。机柜下部有电缆引入和固定装置，电缆标号及走向标识要明确，柜内接线应通过汇线槽布线。机柜内设置接地汇流铜条，分别用于信号回路地、信号屏蔽地和安全地。
工程师站及操作站：
设置工程师站 1 台，具备操作属性；用于 SIS 系统的编程组态、系统维护以及顺序事件记录，判断停车事故原因等。配置操作站 1 台，具有操作监视功能。
SIS系统与DCS系统的通讯SIS：
系统通过通讯卡的冗余RS-485接口与DCS系统进行串行通讯，执行MODBUS RTU 通讯协议，预留通讯接口，时间同步接入业主原有的北斗系统。
软件配置：
系统组态软件：Tristation 1131，版本：4.16.0 Build 416
增强型诊断监视软件：Enhanced Diagnostic Monitor ，版本：2.13.0 Build 274
SOE记录软件：Sequence of Events (SOE) Recorder Software ，版本：4.7.0 Build 125
DDE Server：版本：4.3.0 Build 103
人机界面软件：版本：Intouch 2014R2（Intouch 11.1）
SIS系统优点：
◆主处理器和 I/O 卡件完全三重化
◆不会因为单点故障而引起系统停车
◆独特的 I/O 逻辑槽位设计（提供工作和备用两个槽位）保障故障卡件全部在线更换? I/O 卡件上的光隔器全部三重化
◆SIS系统硬件和软件都经过TUV AK6级认证
◆32 位芯片保证了系统的快速运行
◆高度的系统诊断覆盖率，诊断功能皆为系统内置，不需编写应用程序
◆系统维护和故障诊断非常方便
◆所有模拟量卡件精确度高，并可以定期自动校验
◆主处理器的更换与 I/O 卡件的更换一样方便
◆按照 IEC 1131-3 标准设计的基于 Windows 7 的编程软件使用方便，并提供离线模拟测试
◆应用软件的在线修改、在线下装通过 TUV AK6 级认证
◆毫秒级的 SOE 功能将为用户的故障及事件分析提供极大帮助
◆灵活可变的规模将为系统的扩建提供极大便利并有效降低扩建成本
◆所有卡件均有金属键锁，防止插错卡件。
◆系统通过 CE 认证
3 现场仪表及执行器配置
为充分节约资本，本文涉及的仪表分为三种类型：利旧仪表、改造仪表和新增仪表。
利旧仪表：在SIS机柜中通过一进两出安全栅，一路输出信号进入SIS系统用于联锁，另一路输出信号进入原DCS系统用于显示，并将原DCS系统中的联锁取消。
利旧开关阀电磁阀：由原DCS控制改为SIS控制，并对无阀位开关的开关阀进行加装阀位开关改造，阀位开关信号进入SIS系统后通讯至DCS系统显示。
改造仪表：对原DCS系统中的调节阀进行加装电磁阀、阀位开关、修改阀门气路连接方式，以实现工艺要求的功能。并将阀位开关信号进入SIS系统后通讯至DCS系统显示。
将所改造的温度计，现场加装分体式温度变送器，将原热电偶和热电阻信号转化成标准的4-20mA信号送至中央控制室。并在SIS机柜中通过一进两出安全栅，一路输出信号进入SIS系统用于联锁，另一路输出信号进入原DCS系统用于显示，并将原DCS系统中的联锁取消。
新增仪表：新增的仪表信号均进入SIS系统，用于联锁。
4 回路及联锁系统组态
涉及DCS及SIS回路组态共计127个，联锁系统组态共计41个，SIS系统流程图监控画面4幅，联锁逻辑监控画面33幅，模拟量报警画面1幅，系统硬件状态监控画面1幅，历史/实时趋势监控画面1幅。
5 SIS系统调试与投用
SIS系统的每一台仪表和阀门均需经过单点调试，经一进两出安全栅的要分别对SIS和DCS系统指示进行校准，正常后再对联锁系统进行起跳测试，每一台仪表均需进行联锁跳车实验，经多次反复测试无误后再带压测试，最终交付工艺使用。
四 安全仪表系统维护管理
安全仪表系统的维护管理是一个全方位全生命周期的管理，从工艺设计、危险辨识分析及评估、安全功能分配、系统设计、系统集成、现场安装、调试和验证、系统投运及维护、系统升级或更新换代等阶段均应建立完善的相关管理制度和工作流程，要让企业的供应、设备、仪控、工艺等职能人员均参与进来，各司其职，各尽其职，确保该系统运行正常。这样才能避免因仪控的误判或故障，导致装置误停车给企业造成的损失。因此，安全仪表系统一旦有异常故障，应及时进行检查确认和处理；并应按照法规要求，周期性对该系统进行功能测试，定期对该系统的安全性功能进行评估；系统运行中，若有新的功能性要求，应严格执行变更管理，并需将生命周期的全过程重新开展一次；直至该系统因系统老化，不能达到设计功能要求，将安全仪表系统报废。
尽管危化品生产装置过程中危险因素时刻在变化，但是，随着相关法规和规范的日益更新完善，随着仪控系统相关的测控技术及安全性能的日益提升，随着从业人员素质的日益提搞，相信企业的安全管理形势将得到改善，达到本质安全目标，危化品行业的事故将逐年降低，
参考文献：
1 《安监总管三〔2017〕121号》
2 《石油化工安全仪表系统设计规范 GB/T 50770-2013》
3 《过程工业领域安全仪表系统的功能安全 GB/T 21109-2007》