摘 要：近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，化工項(xiàng)目和煉油項(xiàng)目的規(guī)模越來(lái)越大，其配套的罐區(qū)也越來(lái)越大，儲(chǔ)存的介質(zhì)也越來(lái)越復(fù)雜。而不同于一般的油庫(kù)，其操作比較頻繁，誤操作可能性較大，而誤操作引起的后果也比較嚴(yán)重，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失、對(duì)環(huán)境造成破壞。因此罐區(qū)設(shè)計(jì)中對(duì)于可燃、毒害介質(zhì)的安全控制要尤其重視。本文主要介紹了某大型化工項(xiàng)目配套罐區(qū)，根據(jù)可燃、毒害介質(zhì)的特性和儲(chǔ)存量進(jìn)行重大危險(xiǎn)源的辨識(shí)，綜合考慮安全和投資，采用獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）進(jìn)行安全控制。

關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；重大危險(xiǎn)源辨識(shí)；罐區(qū)

一直以來(lái)，化工項(xiàng)目的罐區(qū)一般根據(jù)石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，而此規(guī)范，并沒(méi)有要求設(shè)置安全儀表系統(tǒng)。但是化工項(xiàng)目的罐區(qū)不同于一般的石油庫(kù)或者儲(chǔ)備庫(kù)，它的特點(diǎn)是：單罐罐容小、介質(zhì)種類(lèi)復(fù)雜、毒害介質(zhì)多。由于儲(chǔ)罐容量一般較小，儲(chǔ)罐的儀表設(shè)置都比較簡(jiǎn)單，介質(zhì)本身的危險(xiǎn)性往往被忽視。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，充分考慮了介質(zhì)的危險(xiǎn)性并兼顧投資要求，對(duì)于屬于重大危險(xiǎn)源介質(zhì)的儲(chǔ)罐設(shè)置了獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS），用于防冒罐的高高液位聯(lián)鎖控制。

化工項(xiàng)目罐區(qū)的介質(zhì)種類(lèi)復(fù)雜，可燃毒害介質(zhì)多，發(fā)生事故后危害巨大。罐區(qū)一旦發(fā)生事故，將會(huì)對(duì)上下游的工藝都產(chǎn)生影響，連帶著相關(guān)裝置都需要停產(chǎn)，損失不小。

減少罐區(qū)的安全事故可以更好的保證工廠的正常生產(chǎn)，提高效益。不因節(jié)省初次投入而增大事故風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)行化工項(xiàng)目配套的罐區(qū)大多采用分散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行操作控制及連鎖。DCS 系統(tǒng)具有控制功能完善多樣、易操作、易擴(kuò)展及維護(hù)方便等特點(diǎn)，但是并不適用于安全控制。對(duì)于化工項(xiàng)目罐區(qū)要比一般油庫(kù)操作更加頻繁，誤操作的概率就更大。這時(shí)采用一套安全性更高的、容錯(cuò)能力強(qiáng)、具有故障自診斷功能、順序事件記錄功能（SOE）的安全儀表系統(tǒng)（SIS）就十分必要了。

2011 年8 月5 日，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布第40 號(hào)令，要求“涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級(jí)或者二級(jí)重大危險(xiǎn)源，配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）”。

2 確定SIS 系統(tǒng)的設(shè)置原則

2.1 對(duì)儲(chǔ)罐及介質(zhì)分類(lèi)

本項(xiàng)目共有儲(chǔ)罐55 座，儲(chǔ)罐規(guī)格從2 萬(wàn)立到200 立大小不等，其中球形儲(chǔ)罐24 座，立式圓筒形儲(chǔ)罐31 座。主要介質(zhì)涉及甲醇、乙烯、丙烯、丙烷、丁烯、己烷、剩余碳四、剩余碳五MTBE、正丁醇、異丁醇、2- 丙基庚醇、雜醇油、堿液等20 余種。

2.2 對(duì)于重大危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》（GB18218-2018），重大危險(xiǎn)源的辨識(shí)依據(jù)是物質(zhì)的危險(xiǎn)性及其數(shù)量[3] 。單元內(nèi)存在的危險(xiǎn)物質(zhì)為多品種時(shí)，則按（1）式計(jì)算，若滿(mǎn)足式a，則定為重大危險(xiǎn)源：

式中：

q1,q2,…,qn —每種危險(xiǎn)化學(xué)品實(shí)際存在量，t；

Q1,Q2,…,Qn —與各危險(xiǎn)化學(xué)品相對(duì)應(yīng)的臨界量，t。

罐區(qū)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源構(gòu)成

Table 1 Hazard chemical significant dangerous source

2.3 確定各種介質(zhì)的重大危險(xiǎn)源分級(jí)

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第40 號(hào)）的要求，對(duì)重大危險(xiǎn)源進(jìn)行分級(jí) [2] 。

式中：

q1,q2,…,qn —每種危險(xiǎn)化學(xué)品實(shí)際存在（在線）量（單

位：噸）；

Q1,Q2,…,Qn —與各危險(xiǎn)化學(xué)品相對(duì)應(yīng)的臨界量（單位：

噸）；

β1，β2…,βn— 與各危險(xiǎn)化學(xué)品相對(duì)應(yīng)的校正系數(shù)；

α— 該危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源廠區(qū)外暴露人員的校正

系數(shù)，本項(xiàng)目區(qū)外1000m 范圍內(nèi)無(wú)常住人口，故取0.5。

對(duì)本項(xiàng)目危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源的分級(jí)情況見(jiàn)表2。

表2 危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源的分級(jí)情況

Table 2 Classification of major dangerous source of dangerous chemicals

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及下表確定罐區(qū)構(gòu)成一級(jí)重大危險(xiǎn)源，其中涉及的介質(zhì)有甲醇、甲醇水等16 種介質(zhì)。對(duì)于儲(chǔ)存這些介質(zhì)的儲(chǔ)罐安全聯(lián)鎖設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

一般儲(chǔ)罐儀表的設(shè)置應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)成熟、可選擇范圍廣、維護(hù)及校驗(yàn)方便、免維護(hù)或售后服務(wù)優(yōu)良等方面。結(jié)合介質(zhì)特性項(xiàng)目的投資情況、全項(xiàng)目的自動(dòng)化水平等綜合考慮。

本項(xiàng)目首先通過(guò)進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析結(jié)果，確定各罐組的SIL 等級(jí)，根據(jù)SIL 分級(jí)確定儲(chǔ)罐儀表的設(shè)置。以1 臺(tái)SIL1 級(jí)的乙烯儲(chǔ)罐為例, 見(jiàn)圖1。

圖1 乙烯儲(chǔ)罐PID 圖

Fig.1 PID ethylene storage tank

該儲(chǔ)罐共設(shè)置兩臺(tái)液位計(jì)：1 臺(tái)為伺服液位計(jì)、1 臺(tái)為雷達(dá)液位計(jì)、1 臺(tái)外貼式超聲波液位開(kāi)關(guān)、1 臺(tái)熱電阻、1臺(tái)壓力變送器、1 臺(tái)壓力表。

2 臺(tái)液位計(jì)中伺服液位計(jì)選用高精度計(jì)量及用來(lái)做儲(chǔ)罐計(jì)量，雷達(dá)液位計(jì)為控制及用于與高液位開(kāi)關(guān)做聯(lián)鎖，關(guān)閉罐根閥。

從PID 圖中可以看出從PID 圖中可以看出雖然增加了SIS 系統(tǒng)，但是接入其中的信號(hào)并不多，只有一點(diǎn)AI、一點(diǎn)DI、一點(diǎn)DO。其余信號(hào)仍然在DCS 系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)及報(bào)警。

設(shè)計(jì)的SIS 系統(tǒng)具體聯(lián)鎖控制如下：當(dāng)儲(chǔ)罐的液位計(jì)或液位開(kāi)關(guān)任一液位高于設(shè)定值時(shí)，SIS 系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，關(guān)閉儲(chǔ)罐罐根切斷閥，防止儲(chǔ)罐罐液位繼續(xù)升高，引發(fā)冒罐危險(xiǎn)[1] 。

4.1 SIS 系統(tǒng)的設(shè)置原則

罐區(qū)SIS 系統(tǒng)，作為全廠SIS 系統(tǒng)的組成部分，根據(jù)裝置的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)內(nèi)重要的安全聯(lián)鎖保護(hù)、緊急停車(chē)系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)。SIS 系統(tǒng)設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室，設(shè)置獨(dú)立的控制器，以確保人員及生產(chǎn)裝置、重要機(jī)組和關(guān)鍵設(shè)備的安全。SIS 系統(tǒng)的安全綜合等級(jí)根據(jù)相應(yīng)的要求進(jìn)行考慮。SIS 系統(tǒng)按照DIN V VDE0801 和DIN V 19250 標(biāo)準(zhǔn)，采用TüV 或AK6 安全認(rèn)證的SIL3 級(jí)的安全可編程序控制器(Programmable Logic Controller - PLC) 完成裝置的緊急停車(chē)(EmergencyShut-Down - ESD) 和緊急泄壓(EmergencyDepression - EDP)。SIS 系統(tǒng)按照故障安全型設(shè)計(jì)，與DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。SIS 系統(tǒng)設(shè)工程師站，SOE 站，相應(yīng)的報(bào)警及操作通過(guò)輔助操作臺(tái)上開(kāi)關(guān)、按鈕、聲光報(bào)警裝置

和DCS 系統(tǒng)的操作站來(lái)完成。

罐區(qū)SIS 系統(tǒng)具有報(bào)警事件順序記錄功能(SOE)，在中央控制室和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室各設(shè)置一套工程師站，用于SIS 系統(tǒng)的組態(tài)、下裝、調(diào)試和日常維護(hù)以及報(bào)警事件順序的記錄。

中央邏輯控制器、輸入/ 輸出卡件、SIS 系統(tǒng)內(nèi)部的安全網(wǎng)絡(luò)、供電單元、與DCS 系統(tǒng)通信的單元均采用冗余結(jié)構(gòu)。

SIS 系統(tǒng)應(yīng)配有HART 信息采集器，用于采集現(xiàn)場(chǎng)智能儀表HART 信息，并通訊至AMS 系統(tǒng)。

SIS 與DCS 通信卡必須是冗余配置, 且冗余的兩個(gè)通信接口不應(yīng)在同一塊通信卡上。冗余數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應(yīng)能夠自動(dòng)切換，并可進(jìn)行系統(tǒng)診斷報(bào)警。在切換時(shí)不允許有數(shù)據(jù)丟失。通信系統(tǒng)為控制站與控制站之間、控制器與工程師站/SOE 工作站提供可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。傳輸速率不小于100Mbps。SIS 系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，冗余容錯(cuò)串行通信方式。SIS 與DCS 通信協(xié)議為MODBUS RTU 或TCP/IP。

DCS 系統(tǒng)為主站，SIS 系統(tǒng)為從站。所有部件都應(yīng)抗每米10 毫伏場(chǎng)強(qiáng)的電磁及無(wú)線電干擾。

SIS 系統(tǒng)具有時(shí)鐘同步的性能， SIS 系統(tǒng)控制器的時(shí)鐘在系統(tǒng)上電和更換時(shí)鐘卡件后，能夠自動(dòng)進(jìn)行同步。SIS 系統(tǒng)時(shí)鐘同步信號(hào)來(lái)自于DCS 系統(tǒng)。

根據(jù)《石油化工儀表系統(tǒng)防雷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行儀表系統(tǒng)防雷工程設(shè)計(jì)。SIL3 回路的現(xiàn)場(chǎng)儀表側(cè)及控制室（現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室）側(cè)配置防雷電浪涌保護(hù)器。

在工廠調(diào)試完成后，有20% 已經(jīng)接好線的輸入/ 輸出(I/O) 點(diǎn)作為備用；在端子接線柜中，有20% 的裕量端子作為備用；在系統(tǒng)機(jī)柜中，有20% 的裕量空間用于安裝I/O 卡件。

在工廠調(diào)試完成后，處理器、數(shù)據(jù)存貯器和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載最高不超過(guò)40%；電源單元的負(fù)載最多達(dá)到其能力的50%；應(yīng)用軟件和通信系統(tǒng)有30% 的擴(kuò)展能力。

4.2 SIS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用冗余、容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的故障安全型SIS 系統(tǒng)，安全等級(jí)達(dá)到SIL3。

根據(jù)圖2 罐區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，可見(jiàn)：罐區(qū)單元主要硬件設(shè)備為：1 臺(tái)系統(tǒng)柜、3 臺(tái)輔助柜（端子柜、繼電器柜、安全柵柜）、2 臺(tái)SOE 工程師站、2 臺(tái)交換機(jī)、1 臺(tái)打印機(jī)。

圖2 SIS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 SIS system network diagram

4.3 SIS 系統(tǒng)軟件要求

1) 軟件組態(tài)：編程語(yǔ)言應(yīng)符合IEEC 61131-3 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 軟件組態(tài)的安全性：采用PROM 或EPROM 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)應(yīng)用軟件，提供防止未被授權(quán)人員修改程序的功能。軟件應(yīng)能在線修改及下裝。

3) 編程軟件：工程師站用于修改控制程序，診斷顯示，離線/ 在線程序調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)裝置的維護(hù)。系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)診斷，工程，監(jiān)視和刪除故障功能。

4) 系統(tǒng)應(yīng)提供重要的時(shí)序事件記錄（SOE）和過(guò)程歷史報(bào)告。

國(guó)內(nèi)很多化工企業(yè)之所以執(zhí)行116號(hào)文困難較多，對(duì)SIL評(píng)估和SIS全生命周期管理有畏難情緒，很大程度上是缺少功能安全相關(guān)知識(shí)。現(xiàn)實(shí)中，工藝和控制等專(zhuān)業(yè)界面清晰，各負(fù)其責(zé)。但功能安全是安全工程與控制工程深度交叉的，需要一個(gè)懂工藝過(guò)程、懂儀表控制、安全工程和風(fēng)險(xiǎn)管理的團(tuán)隊(duì)。

根據(jù)國(guó)家安監(jiān)總局116號(hào)文《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》的要求，自2018年1月1日起，各地的安監(jiān)局逐步對(duì)于“兩重點(diǎn)一重大項(xiàng)目”要求新項(xiàng)目進(jìn)行SIL定級(jí)與驗(yàn)證。安全儀表系統(tǒng)管理未來(lái)將于《安全生產(chǎn)許可證》相掛鉤。老舊裝置及新建項(xiàng)目如未配套安全儀表系統(tǒng)、未進(jìn)行SIL的定級(jí)與驗(yàn)證，將不再核發(fā)新的《安全生產(chǎn)許可證》，這將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)的管理與要求。