石油化工安全仪表系统的设计与实施

摘要：随着石油化工行业的发展，由石油化工生产带来的危害性也在不断加剧。与此同时，随着科学技术的进步，应用自动化仪表和控制设备技术来控制安全的手段也日益丰富。本文介绍了石油化工安全仪表系统设计的基本原则，探讨了安全仪表系统的设计与实施，展望了安全仪表系统的未来发展趋势。

关键词：石油化工安全仪表基本原则设计实施未来发展

中图分类号：P618.13 文献标识码：A 文章编号：

随着经济社会的飞速发展，社会对以石化产品为代表的能源产品的石油化工产品的需求进一步加大，进一步加速了石油化工工业的飞速发展。这种以速取胜的时代背景之下，使得石油化工生产系统不断膨胀、生产环节更加庞杂，为处于高危环境下的石油化工生产风险性更大。如果石油化工系统在设计、建设、管理、运营过程中，程序不科学、管理不规范、操作出现误差，都会产生极大安全生产隐患，严重的还会给人民生命、财产安全带来损失，甚至会带来一场灾难。例如：2010 年10 月24 日大连新港中石油国际储运有限公司（简称中联油） 原油储备基地大火，2010 年9 月24 日广西防城港一化工厂黄磷泄漏引火灾，2011 年8 月28 日内蒙古乌海市乌海兰亚化工有限责任公司火灾爆炸事故，2011 年9 月8 日上海赛科石油化工有限责任公司烯烃工厂乙烯管线发生爆炸与火灾等事件，不仅给企业造成巨大损失，也停滞了企业的发展，教训十分惨痛。在这种背景之下，石油化工装置安全仪表系统对石油化工装置安全运行负有重要监测、预警作用，因此，在设计时必须坚持科学的、高标准的，提高安全等级，在确保系统自身安全运行的同时，提高仪表系统的监测精度，缩短安全状态预警响应时间。

一、石油化工安全仪表系统设计的基本原则

1、确保仪表系统可靠准确性

由于石油化工装置安全仪表的独特作用，设计的仪表系统，必须确保系统能够长期安全、可靠、稳定运行，这是设计石油化工装置安全仪表系统应当遵循的一条重要原则。这就要求在进行设计时，要在系统设计、元器件选择、软件编程上要统筹全面考虑，以确保仪表系统绝对安全可靠。安全仪表系统在生产装置的开车、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，安全仪表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。

2、确保仪表功能健全稳定

充分发挥石油化工装置安全仪表的功能，最大限度地满足化工行业对仪表监测数据、安全预警等方面的需求，确保石油化工装置安全仪表功能健全、系统稳定，这也是石油化工装置安全仪表系统设计的重要原则之一。在进行石油化工装置安全仪表设计时，相关设计人员必须要深入研究系统的基本情况，对生产现场进行现场查看，准确把握仪表工作现场的基本情况，以确保所设计仪表功能完备，具有良好的适应性。

3、确保仪表易于维护与扩展

石油化工行业对安全性具有特殊的要求，这就要求必须要加强对仪表的维护与保养，对所选用的仪表要易于安装、便于使用，安全运行周期长、维护简便。在满足仪表监测、预警要求的前提下，要尽可能减少系统仪表安装数量，而且要降低系统安装建设成本，提高系统的经济效益。同时，要立足系统未来发展需要，预留仪表安装空间，以满足未来生产的发展和工艺的改进。

4、确保仪表系统绝对安全

石油化工工业是基于流程的特殊行业，所选用的生产材料一般均为危险化学品，产品也多为易燃易爆品，生产环境较为恶劣，大多为高温高压环境，极易引发各类安全事故。随着石油化工装置的自动化、现代水平越来越高，对产品的精细化作业越来越广泛，生产作业条件越来越安全临界点，从而可能引发危险的可能性也在不断增加，这种严峻形势下，对石油化工仪表系统提出了更高的安全要求。在进行仪表系统设计时，必须确保仪表系统绝对安全，进而确保整个系统的绝对安全。

石油化工安全仪表系统的设计与实施探讨

根据IEC 61511的定义，安全仪表系统是指实现一个或者多个安全仪表功能（Safety Instrument Function)的仪表系统，它通常由传感器（Sensor）、逻辑运算器（Logic solver) 和最终执行元件(Final element) 组成。独立于DCS 之外，但是可以保障二者之间的实时通信，并在DCS 操作站中显示相关数据，完成时间序列记录，方便停车联锁及系统维护等功能的实现。

1、可靠性设计

所谓的安全仪表功能，类似于我们传统说法上的安全仪表回路。一个安全仪表功能由5个要素组成： 传感器，逻辑运算器，执行元件，安全完整性等级（SIL）和响应时间。对于系统的可靠性，主要指在一定时间范围内，可能出现故障的概率状况。在安全仪表系统中，其可靠性可用R0（t）表示，而系统中各个单元的可靠性即R1（t）、R2（t）、R3（t）、R4（t）⋯.等，它们之间的关系可用如下公式表示：

R0（t）= R1（t）R2（t）R3（t）R4（t）⋯

由公式可见，任何一个环节可靠性能的降低，都可能影响整个系统的正常运行。一直以来，人们更多地关注逻辑运算器的可靠性，但是对检测元件、执行元件等可靠性却忽略，造成整个安全仪表系统的可靠性能低，与降低设备风险的要求不相符。对于逻辑运算器的可靠性问题，必须优先符合安全仪表系统控制的安全等级。在此前提下，各个大型安全仪表系统生产商推出了结构各异的系统，如冗余的、非冗余的、三重化结构及四重化结构等。只要系统通过安全等级认证，符合石油化工装置的安全等级，该结构的逻辑运算器就可在装置中应用，发挥安全保护作用。

2、分类与选型设计

在安全仪表系统中，可以选用电气技术、电子技术、可编程技术，也可以直接应用混合组成技术。

当安全仪表系统采取电子技术、电气技术方案时，主要通过继电器来实现整个逻辑连锁过程，但是对于较为复杂的安全性能要求，较难满足，其应用具有一定局限性。随着安全生产的重要性与日俱增，PES 技术日益成熟并发展应用，利用PES 技术完成安全仪表系统的安全联锁功能，已成为各个专业系统应用的首要选择。但是以下几种情况不适合采取继电器：定时器功能及锁定功能；高负荷运转、状态频繁改变；较为复杂的逻辑系统等。一般情况下，在安全仪表系统中，不使用固态逻辑。如果在安全仪表系统中采取固态逻辑，必然应用PEC 作为诊断测试工具。提高了系统运行的繁琐性、复杂性。

3、逻辑运算设计

为了保障石油化工安全仪表系统的高可靠性与安全性，一般选择安全度等级是LIL3 的容错结构或者冗余结构可编程控制器作为逻辑运算器。较为常见的安全等级为SIL3 的逻辑运算器结构主要为：二取一带自诊断，1oo2D；三取二带，2oo3；双重化二取一带自诊断，2oo4D。在应用容错结构的系统中，具备内部冗余的集成逻辑以及并行元件，一旦系统运行发生故障，则系统可以自动识别故障，并完成故障旁路状态，可继续执行指定功能。三取二带功能结构如图1 所示。

图1 三取二带（2oo3）系统块图

三、安全仪表系统的未来发展趋势

在计算机与网络时代，各种工艺技术快速发展起来，而石油化工安全仪表系统正朝着以下几个方向发展：

1、与BPCS 的集成

在确保安全生产的前提下，有关石油化工生产过程的全自动控制中，引入安全生产模块。对于生产过程中产生的各种数据，进行实时监控、分析及预警，可及时发现问题、处理问题。但是在集成SIS 和BPCS 系统时，应严格划分安全区域与非安全区域，并在设计网络及系统过程中，注意符合网络安全需求。

2、与机组保护系统的集成

实现安全仪表系统与机组监控、保护、诊断等有机集成，确保压缩机组在最优控制方案下运行，实现高效率、高质量的工作，提高运行安全性、灵活性、可靠性，对机组进行有效保护和控制。

3、与数据信息的集成

有关信息管理方面，应重点强调数据的实施分类与集成，实现生产控制信息和管理信息的有效整合，完成一体化架构，以改善石油化工企业的“信息孤岛”现象。另外，还应完善专项安全网络数据库，通过网络平台，在各个需要监控的位置安装摄像头，智能化处理摄像画面，不放过任何可能存在安全隐患的迹象，及时报警、及时处理。

安全问题涉及很多专业，这里介绍的仅仅是一些理念。做安全工作要形成一个团队，首先在设计部门内部，各个专家组成一个团队。然后在外部要与业主、制造商和施工单位组成团队。最后一点也是至关重要的一点，就是要加强管理，这要贯穿到生命周期的全过程。

参考文献：

[1] 陈良军,魏道清,蒯戈,何安琴,万曲,刘建领.软测量技术在化工安全生产故障预警仿真系统中应用研究[J]. 自动化与仪器仪表. 2010(03)

[2] 钱亮.化工安全仪表系统设计探讨[J]. 辽宁化工. 2009(05)

[3] ,王彦刚,陈建平.工厂安全仪表系统设计要求及实现[J]. 石油化工自动化. 2009(05)