某化工廠項目配套罐區SIS 系統改造實踐研究

姚 瑞

（國家能源集團煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

0 引言

本化工項目配套的罐區采用分散控制系統（DCS）進行操作控制及連鎖。DCS 系統具有控制功能完善多樣、易操作、易擴展及維護方便等特點，但是并不適用于安全控制?；ろ椖抗迏^要比一般油庫操作更加頻繁，導致誤操作的概率就更大。依據安監總管三〔2014〕116 號國家安全監管總局《關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》，需要增加一套安全性更高、容錯能力強、故障自診斷功能完善、順序事件記錄功能（SOE）的安全儀表系統（SIS）。以達到對過程變量進行可靠和優質控制，實現裝置的安全、穩定、高效運行，同時為與罐區原有系統兼容，擬利用原有系統控制器多余負荷，擴展輸入輸出卡件，充分體現安全、健康、環保和循環經濟的理念，降低生命周期成本，使企業獲得最大利潤[1-3]。

1 改造背景

本配套罐區共有72 具儲罐，主要危險化學品有：兩臺650 m3的液氨球罐，構成一級重大危險源；3 臺2 000 m3石油液化氣球罐，2 臺400 m3不合格液化氣球罐，2 臺2 000 m3加氫穩定原料拱頂罐，2 臺2 000 m3汽油內浮頂罐。16 臺4 000 m3汽柴油及混合芳烴、石腦油等介質的儲罐，以上構成二級重大危險源[4]。

球罐液位測量采用鋼帶液位計作為就地液位計，伺服液位計作為遠傳連續量測量。常壓罐及內浮頂罐使用雷達液位計及高液位開關兩個遠傳測量，就地測量采用靜壓式液位計[5]。

按照國家安全生產監督管理總局令第40 號《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》第十三條要求：對重大危險源中的毒性氣體、劇毒液體和易燃氣體等重點設施，設置緊急切斷裝置;毒性氣體的設施，設置泄漏物緊急處置裝置。涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或者二級重大危險源，配備獨立的安全儀表系統（SIS）。依據該規定，本項目需要對現有一、二級重大危險源儲罐進行改造，以滿足40 號令的安全要求。

本項目罐區因初期建設時按照老規范設計。當時行業內對化工廠自建罐區并沒有專門安全儀表系統的要求,全部依靠DCS 系統實現連鎖及保護，從自控水平到罐區安全要求等與現有要求相差甚遠。油罐區安全標準提升項目的DCS 信號接入罐區控制室（UCR8）原有DCS 系統，完成本裝置的基本過程操作、監視、控制、記錄、在線計算、超限報警和過程聯鎖等功能。用于控制和聯鎖保護功能的輸入輸出在DCS端冗余設置，用于監測不進行控制調節的輸入信號DCS 端非冗余設置。DCS 系統的基本組成如下：

1）操作員站、工程師站：利舊。

2）歷史站、OPC 站、網絡設備：利舊。

3）報表及報警激光打印機：利舊。

4）冗余控制器、冗余電源模塊、冗余通訊模塊：核實負荷后決定是否利舊。

5）DCS 系統擴展柜、繼電器：新增（機柜應預留20%的備用安裝空間，備用點數（新增卡件）為實際設計點數的20%。）本次增加的DCS 系統相關機柜和元器件品牌與原系統保持一致。

部分儲罐并未對其高液位聯鎖切斷控制進行設計，致使類似儲罐在儀表自動化控制方面存在安全缺陷。在多次安全檢查、評估中，各方面一致認為，有必要對存在安全缺陷的儲罐逐步改造為液位儀表聯鎖及閥門快速切斷控制系統。本次改造實現油品罐區內一、二級重大危險源能按照有關規范設置獨立SIS 系統，建立安全屏障，保障安全生產。本文主要討論實施過程及改造中出現的問題及整改方法。

2 改造過程

2018 年，本項目開展重大危險源安全評估，評估報告根據《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—2018）規定，對油品罐區的危險化學品重大危險源進行分級。經第三方對本罐區SIL 評估定級，最終確定為SIL1 級。依據SH/T 3007—2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》、SH/T 3184—2017《石油化工罐區自動化系統設計規范》、SH T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》及依據國家安全生產監督管理總局令第40 號等要求，最終確定為≥3 000 m3甲B 和乙A 可燃液體儲罐設高高液位報警及聯鎖，由現有高液位開關及雷達液位計高高液位報警二取一聯鎖關閉儲罐進口管道控制閥。

2.1 依托現有公用工程采用彈簧返回式單作用氣動執行機構

在用于緊急切斷閥的氣動執行機構的氣缸上加裝易熔塞，易熔塞的熔點為250 ℃，當氣缸溫度達到或超過易熔塞的熔點時，易熔塞熔化將氣缸內的壓力泄放掉，使另一側氣缸內的彈簧或儲氣罐內的壓縮空氣推動活塞將閥門關閉。

2.2 配備獨立的安全儀表系統（SIS）

本次改造中SIS 系統考慮到國產化，采用北京康吉森完全自主品牌的TSx-plus 系統。本系統以IEC61508 作為基礎標準，容錯性的三重冗余系統，以提高系統的硬件故障裕度，單一故障不會導致SIS 安全功能喪失。自診斷覆蓋率大，工人維修時需要檢查的點數比較少。響應速度快，從輸入變化到輸出變化的響應時間一般在15 ms 以內，應用于小型SIS 的響應時間更短。應用程序容易修改，可根據實際需要對軟件進行修改?？蓪崿F從傳感器到執行元件所組成的整個回路的安全性設計，具有I/O 短路、斷線等監測功能。

油品罐區安全標準提升項目的信號接入罐區控制室（UCR8）原有SIS 系統，完成本裝置的安全聯鎖等功能。油罐區安全標準提升項目涉及一級、二級重大危險源，安全聯鎖回路設置為故障安全型，安全完整性等級按SIL2 設計。用于安全聯鎖的信號采用二選一冗余設置。SIS 系統的基本組成如下：1）操作員站、工程師站：利舊；新增一臺SIS 操作臺。2）SOE 站、網絡設備：利舊；3）報表及報警激光打印機：利舊；4）冗余控制器、冗余電源模塊、冗余通訊模塊、I/O 卡件：新增；5）SIS 系統柜、擴展柜、繼電器：新增（機柜應預留20%的備用安裝空間，備用點數（新增卡件）為實際設計點數的20%。）本次增加的SIS 系統相關機柜和元器件品牌與原系統保持一致。

2.3 康吉森TSxPlus 控制系統

康吉森TSxPlus 系統的通訊包括以太網通訊、MODBUS 通訊和I/OBus 通訊三種。以太網通訊用于實現工程師站的組態下裝以及，MODBUS 通訊用于TSxPlus 系統與第三方DCS 系統實現信息共享。I/OBUS 是TSxPlus 系統內部控制器與I/O 模塊間的通訊方式，通過光纖可以實現主機架和擴展機架間的數據傳輸。

康吉森TSxPlus 控制系統是真正的實時多任務開放式系統，采用先進的TMR 構架；三重化冗余容錯的硬件體系結合全面的冗余容錯技術和診斷方案，使得系統可靠性達到99.999%。已通過TüVRhineland（TüV 萊茵）公司認證。TSxPlus 滿足IEC61508 定義的系統能力SC3 等級和硬件安全完整性等級SIL3，系統具有SOE 事故記錄功能，分辨率為ms 級，DI、AI 模塊本身均支持SOE 功能。圖1 為系統總體結構示意圖。

2.4 本次改造的通訊信號

本次改造中液位檢測優先進入SIS，再由SIS 系統通訊至DCS.液位開關信號進入SIS 系統與液位檢測形成1oo2 邏輯。DCS 命令通訊至SIS 系統對執行器完成控制。SIS 系統命令優先，當觸發SIS 系統連鎖時DCS 對執行器控制命令無效。

2.5 一級重大危險源液氨儲罐（球罐）改造實例

1）進罐氣動球閥和出罐氣動球閥改進SIS 系統。

2）增加一臺鋼帶液位計，帶現場顯示和遠傳功能，遠傳信號進DCS 系統。原有伺服液位計利舊，信號進SIS 系統。增加2 臺外貼式液位開關。伺服液位計與高高液位二取一聯鎖關閉進罐氣動球閥（新增）。伺服液位計與低低液位二取一聯鎖關閉出罐閥（新增）和泵。

3）進罐罐根二次閥更換氣動執行機構氨閥接入DCS 系統，作為DCS 工藝操作控制閥。

4）出罐線罐根二次閥入泵線、來料線、卸車線、入泵線、倒罐線更換氣動執行機構，5 臺氨閥，接入DCS系統，作為DCS 工藝操作控制閥。

3 改造過程中存在的難點分析

3.1 罐區內動火作業風險大

罐區內動火作業風險大，所以將罐根一次手閥更換為氣動閥不能動火，只能采購法蘭規格、間距相同的氣動閥直接更換。更換過程中有個別切斷閥氣缸體積過大，安裝困難。后期又對氣缸進行換向。

3.2 新增電纜量較大

液位開關從DCS 系統移位至SIS 系統，新增電纜量較大，工作量比較大。

3.3 倒罐耗時長

在役裝置要更換儲罐根部閥必須要將該儲罐內所有儲存油品全部清空或者倒罐。歷經10 個月左右倒罐及安裝調試最終完成該項目。

4 改造過程中存在問題

4.1 檢測器及執行器共用問題突出

為了既能滿足相關規定，起到安全屏障的作用，又能節約費用，依據GB/T 50770—2013 6.2.1、7.2.1 內對SIL1 規定：執行器及檢測器可與基本過程系統共用?；谝陨蠗l款，本次采用了液位計及控制閥在共用策略整改。但在2021 年進行安全生產許可證換證申請，現場專家進行評審時，提出以下整改意見：“部分儲罐及生產裝置DCS 系統與SIS 系統共用傳感器及執行機構，雖符合規范要求，但因設計僅滿足了最低規范要求，仍存在共用的傳感器、執行機構失效風險，導致DCS 和SIS 系統同時失效，不能實現有效保護?！?/p>

4.2 自動化水平低

部分儲罐進、出口采用手閥控制，未設DCS 系統遠程控制閥。切罐、倒罐等存在大量手動閘閥開關作業，需要進入儲罐圍堰，為安全生產帶來風險。不符合國家安全監管總局《關于進一步加強化學品罐區安全管理的通知》（安監總管三〔2014〕68 號）的要求。

4.3 影響安全完整性

作為DCS 及SIS 兩個獨立保護層的共用原件，需要同時負擔來自DCS 和SIS 對安全保護的職責。本項目已經運行12 年以上，檢測器及執行器故障率已經逐年上升，并不能滿足共用原件足夠低的危險失效率，同時也有可能改變安全完整性要求，從SIL1 變成SIL2。

本次改造設計并沒有充分理解保護層概念，對規范要求理解不深刻，只是增加的控制部分的獨立性，對共用元件并無改動。同時參考GBT 32857—2016 對獨立保護層的確定，提出了第二次改造。

5 第二次改造

本次改造新增雷達液位計及超聲波液位開關，原液位計也參與連鎖邏輯，改為三取二高高液位連鎖關閉一次閥，同時也為個別內浮頂罐增加了低低連鎖，防止浮盤落底。將一次閥獨立由SIS 系統控制。二次手閥更換為氣動閥由DCS 控制。真正實現了將SIS 系統及DCS 系統獨立,建立了兩層獨立的保護層。具體見圖2。

圖2 二次改造效果圖

施工時充分吸取經驗，前期對氣動閥進行了詳細的現場測繪，考慮安裝方式、氣缸大小、現場布局等問題。新增一臺液位計及液位開關，部分手閥改為氣動閥，提高現場自動化水平，對倒罐、切罐等操作可以盡量減少人員進入罐區圍堰內作業。為保障安全施工，現場最大限度不動火，使用外貼式超聲波液位開關。使用原罐頂的人孔位置安裝液位計。擴大了改造范圍，除一、二級重大危險源進行了相關改造，同時也對其他部分的油品罐區一并改造，提高了重大危險源及油品罐區的安全保障。

6 保護措施

所有現場安裝的就地壓力、溫度、流量和液位指示表的防護等級不低于IP55，所有現場安裝的電子式儀表和儀表盤柜防護等級不低于IP65。儀表井內地下管道上安裝的儀表防護等級為IP68。

對測量低溫介質的變送器，采用延伸導壓管線的方式對儀表進行保護。對測量易凍結、易凝固介質的導壓管線，采用蒸汽伴熱。測量高黏度、腐蝕性、易結晶、易堵的介質，采用帶隔離膜片儀表或采取反吹或沖洗等措施。

裝置的儀表接地采用等電位接地原理，儀表控制系統側設有儀表信號接地和儀表安全接地兩個匯流條，并兩點連接至接地總板。

現場盤、儀表電纜橋架、儀表設備、儀表現場接線箱和儀表密封接頭的儀表安全接地在現場通過框架直接與電氣接地網連接；儀表的信號接地統一在儀表控制系統側接至儀表信號接地匯流條上。

裝置的設計中考慮抗電磁干擾措施為：對于低電平信號采用對屏加總屏電纜，本安信號采用對屏加總屏本安電纜。對于電纜的敷設，采用將不同信號種類的電纜分開槽板敷設的措施，分類為本安信號電纜、220 V AC 電源電纜和其他信號電纜。

儀表設備防雷保護根據GB 50057 和參照IEC 1312 標準執行。儀表設備，尤其是貴重儀表應盡量選用具有防雷功能的儀表。

7 結語

通過本項目的實施，使油品罐區滿足政府安全生產換證要求、集團安全生產專項整治三年行動計劃要求，也符合國家相關標準規范及文件的要求，同時加強了化工安全儀表系統管理，防止和減少了危險化學品事故發生。