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关键词：安全仪表系统；整体安全等级；工厂危害和可操作性研究
Safety-instrumented system applied in ethylene plant revamping
Libing
(SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd. Shanghai, 200120,China)
Abstract: It is very important for the design of safety-instrumented system in petrochemical engineering. Whether the system configuration is reasonable or not, it will affect the safety running of the plant. The article is to instruct the SIS system design on Ethylene plant revamping.
Keywords：Safety- instrumented system Safety Integrity level Hazard and Operability Study
1．概述
乙烯装置是石油化工的龙头，其特点是工艺流程长、复杂，且属易燃、易爆危险装置，对安全要求极高。我国在80年代引进的30万吨/年乙烯装置，到目前为止已相继通过采用不同方式的并联生产线方式，扩容至65～70万吨/年规模。由于各装置的火炬未作扩建，若同时停车，相当于原来两套装置的火炬气排量通过火炬，后果将不堪设想。本文将针对某典型乙烯扩容装置，阐述如何合理采用SIS系统，将火炬气同时排放的风险降低到允许的程度。
2．采用SIS的必要性
根据装置实际情况，新、老乙烯生产线同时停电、停仪表风和停冷凝水的可能性是存在的，这就意味着新、老乙烯生产线同时停车的风险也相应存在。根据HAZOP（ Hazard and Operability Study）工厂危害和可操作性研究风险分析报告结果，火炬不可能承担如此大的排放负荷，将可能造成严重的后果。根据这样的现状，首先在工艺上采取了相应调整方案，增加了阻断排放、切断精馏塔再沸器热源和裂解炉进料等切断阀门，以及其他相应的紧急停车安全联锁措施。为了确保生产装置的人员和设备安全、保证装置在事故情况下的安全联锁和紧急停车，避免灾难性事故的发生，必须采用SIS安全仪表系统以对整个装置进行保护。分析计算结果要求SIS系统的可靠性必须达到SIL3级的整体安全水平。停车失效等级PFD （Probability of Failure on Demand）为 2.7E-04。
3．系统的合理配置
SIS安全仪表系统的配置，必须综合考虑现场检测器、逻辑解算器和执行机构三方面内容。并不是简单地仅仅考虑紧急停车安全联锁系统ESD－PLC及其相关卡板是否达取得SIL-3级认证。在对SIS进行设计时，可采用的标准为IEC61508、61511和ISA84.01。在标准采用时应注意，ISA和IEC标准的配置要求有所不同。如对执行器的配置，按ISA标准，本SIS系统需配置两台串连调节阀门，这种配置显然大大增加了用户的投资成本，但是若采用IEC标准则完全不同，详见后述。
本装置典型的SIL-3级回路配置如下：
1）现场检测器
现场变送器采用三个，取压根部阀需单独设置，且采用铅封阀，信号接至ESD－PLC内进行模拟量三取二表决，保证取样信号的可靠性。其他现场相关一次仪表亦采用三个检测元件，以实现三取二表决。
2）执行器
SIL－3级回路的输出信号，须通过获得SIL-3级认证的卡板直接驱动现场电磁阀，中间不可接输出继电器和保险丝，否则会因其无安全认证，造成系统安全等级下降。为实现可靠切断物料，同时又节约投资，采用一台现场联锁调节阀配置两套串联电磁阀的方式，电磁阀常励磁常通，失电排气，两个串联电磁阀以确保安全停车。停车条件满足时，由ESD－PLC同时发出两个DO联锁信号，与此同时DCS亦需向该调节阀发出4mA 或 20mA的模拟关（开）信号，以确保安全联锁阀门动作。为及时获得该阀门的故障信息，通过采用HART 信号转换器与智能定位器配合，将阀位运行和故障诊断的数字信号，通过HART信号转换器转换成DCS能够接受的4～20mA模拟信号和触点信号,使必要的功能得以实现。 阀位返回信号与DCS输出控制信号进行比较，发出偏差报警，并同时获得故障诊断信息。调节阀异常和故障诊断报警在DCS内实现。
3）逻辑解算器(Logic solver)部分
采用ESD－PLC系统来实现该功能，该系统须获得满足IEC要求的 SIL3级认证，并确保采用的系统每块卡板亦有相应的证书。独立于DCS实现装置中的紧急停车和联锁功能（如：裂解炉、压缩机、反应器、紧急排放等）。系统采用双路供电，一路UPS电，一路隔离电。系统配置为三重冗余TMR，即：三冗余CPU、三冗余系统内部通讯、三冗余输入卡和输出卡等。联锁信号、手动停车信号、I/O采用在线热备卡。报警信号、复位信号、选择开关、旁通开关信号的I/O卡，降低配置要求，不采用热备方式进行备用。整套ESD－PLC通过专用通讯卡与DCS控制网联接，但独立于DCS控制网。DCS操作站只能读取ESD－PLC系统的数据，不可对其进行操作。ESD－PLC系统设置独立的工程师站, 实现编程和事件报警记录、打印等功能。系统具备在线修改、在线下载、卡件在线插拔等功能。采用三个表决通道的主CPU系统，3取2表决输出，容错模式为3－2－0，即一个容错，一旦一个表决通道的元件发生故障，转为2取1表决模式。输入卡板：对所有联锁输入信号，其卡板为三重化形式。输出卡板：停车回路输出全部用三重化卡板，SIL3级回路配有热备卡板，输出直接驱动电磁阀。输出至报警灯点，选用普通继电器卡板。远程扩展卡板：全部选用三重化卡板，
为了使故障影响最小化, 同一联锁单元或相关设备联锁点尽可能分配在同一卡板上。对3取2输入表决联锁，三个输入点分配在不同输入卡板内。原则上ESD系统输入卡板接受正常状态闭合触点, 输出卡板为常带电输出方式,联锁时断开。
4．结束语
SIS系统的配置，并不是可靠性越高越好，要寻求的是一种最优配置。达到停车失效等级PFD要求的等级前提下，合理配置经济实用的系统。