石油化工安全仪表系统设计与可靠性

摘要：本文对石油化工安全仪表系统的设计与细节问题进行深入的研究，分析安全仪表系统设计的具体内容，从而提出石油化工安全仪表系统设计与细节问题的应对策略。

关键词：石油化工；安全仪表系统；设计；细节问题

目前，石油化工生产的发展正趋向于一体化、大型化及智能化，这对于石油化工工艺水平、生产规模等带来了较为严峻的挑战。而石油化工生产过程中，各种危险事故发生的概率也在不断增加，因此安全生产成为了石油化工生产中必须重视的问题。因此，本文对石油化工安全仪表系统的设计与细节问题进行研究。

1选型与分类设计

1.1安全仪表系统结构

在石油化工安全仪表系统中，在选型与分类设计的过程中，可以采用可编程技术、电子技术及电气技术等，同时也可采用混合组成的技术。在设计的过程中，当采用电子或者电气技术方案时，一般是利用不同功能继电器或继电器模块来实现整个生产过程的安全逻辑联锁保护功能。但如果其要求的安全性相对较为复杂，应用这两种技术方案就会面临一定的局限性。随着人们对安全性要求的不断提高，在安全仪表系统设计的过程中，已普遍应用到了可编程电子安全系统PES技术，该技术能够使系统具备更安全可靠的保护功能[1]。基本的SIS安全仪表系统的结构如图1所示。特别是较大规模的石油化工生产装置，由于连续长周期高负荷生产的要求，加上在线运行逻辑修改的需要及复杂的工艺，导致复杂的逻辑组态尤其是用户对故障冗余安全等级的提高，增加了历史事件记录，故障分析及相关数据需通信到DCS报警监控，并区分DCS负责正常工艺生产的监控，SIS安全仪表系统专责装置的安全生产保护[2]。在这里已不宜采用继电器式安全仪表系统，而基本的PES安全仪表系统也不满足用户需求。典型的石油化工装置安全仪表系统的结构如图2所示。

1.2逻辑运算设计

为了确保石油化工安全仪表系统的高可靠性及高可用性，通常逻辑运算器需要采用安全等级为SIL3的具有冗余容错结构的可编程逻辑控制器。安全仪表系统控制器的安全等级比较常见的为SIL3，其主要的结构为二取一自诊断（loo2D）、三取二（2oo3）、二取一双重化自诊断（2oo4D）[3]。在安全仪表系统中，由于采用冗余容错结构，系统内部就会存在冗余并行的逻辑元件。如果该系统在运行的过程中出现了任何故障，系统能够对这些故障进行自动识别，并将故障部分及时切出，自动完成降级，如二取一降成一取一，三取二降成二取一，二取一双重化降成二取一，从而达到继续执行各项指令及功能的目的。三取二功能结构如图3所示。

1.3SIS可靠性设计

对于石油化工安全仪表系统，应将其看作是一个系统性的概念，在该系统中，一般包括检测元件、执行元件、可靠的逻辑控制器及接口设备。而安全仪表系统的可靠性，主要指的是在规定的时间范围内，各种故障可能出现的概率。一般系统的可靠性采用R0（t）表示。在安全仪表系统中，各个单元的可靠性可以表示为：R1（t）、R2（t）、R3（t）、R4（t）、……，而这些单元之间的可靠性关系则是采用以下；公式来表示：R0（t）=R1（t）R2（t）R3（t）R4（t）……，通过该公式可以看出，在系统运行的过程中，如果任何一个单元的可靠性有所下降，都会对系统运行的整体安全性造成不利的影响。安全仪表系统的解决方案如图4所示。目前在安全仪表系统中，人们对安全逻辑控制器（SPLC）的可靠性给予了过多的关注，而检测元件及执行元件的可靠性没有得到足够的重视，进而使得安全仪表的整个系统无法获得较高的可靠性。因此，必须对安全仪表系统的可靠性进行合理的设计，并对系统的安全等级进行科学的评估和认证。只有满足了石油化工安全生产等级的要求，才是合理的SIS系统结构设计，从而发挥出保护安全仪表系统的作用。

2现场安全仪表可靠性容错设计及案例分析

笔者在从事的石油化工项目仪表安全回路设计过程中，首先要对仪表保护的工艺设备或对象作出安全等级评估，一般分为SIL1、SIL2、SIL3这三个级别，是基于生产运行过程中事故发生的概率及造成人身伤害的程度来划分的。安全等级较低的SIL1工艺设备联锁保护回路，可以放在DCS实现节省成本。对于能造成安全事故、人身伤害或环境破坏的安全等级较高的回路SIL2、SIL3放在SIS安全仪表系统中实现。如果评估后达到SIL4的极端工况一般要求先改进工艺设计。考虑到市场上现场仪表供应商及种类繁多，质量性能各有不同，为了确保安全仪表使用的可靠性，选用时一般要具备2个条件：一是有权威机构SIL等级认证证书，二是企业长期使用得到验证或专门机构测试通过且录入到用户供应商清单，详细到品牌、型号、软件版本号[4]。满足了上面的选型条件，对SIL2回路的现场仪表可通过一取一设计，SIL3回路的现场仪表可通过二取一或三取二实现，但在特殊情况下，没有条件同时满足上述2个选型条件时，可采取二取一或三取二来实现SIL2的回路，三取一或四取二来实现SIL3的回路，但会造成安全仪表系统项目成本的大幅提高。其中，三取二仪表设计结构图见图5。另外，还可通过选择相同测量原理但不同厂家的，或者是不同测量原理或测量方法的安全仪表放在二取一或三取二的回路中来提高安全测量仪表的容错性和有效可靠性。图6为安全仪表二取一容错可靠测量设计结构示意图。

3结论

仪器仪表的设计是石油化工系统的重点和难点之一，对于其细节设计问题要结合项目的实际情况因地制宜地优化设计方案，以达到行业标准与使用要求。

参考文献

[1]刘齐忠,林融.石油化工安全仪表系统的设计及实施探讨[J].石油化工自动化,2010,46(5):1-6.

[2]张喜强.石油化工安全仪表系统设计方案及实施研究[J].石化技术,2016,23(3):112.

[3]黄步余,范宗海,马蕾.《石油化工安全仪表系统设计规范》解读[J].石油化工自动化,2013,49(6):1-9.

[4]卜华荣.试论石油化工安全仪表系统的设计与实施[J].科技促进发展,2012,9(2):131-132.

作者：高建华 单位：扬子石化巴斯夫有限责任公司