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焚燒裝置安全儀表系統的設計

一、什么是DCS、ESD、SIS?


DCSDistributed Control System)集散控制系統,是以微處理器為基礎,采用控制功能分散、顯示操作集中的儀表控制系統,也稱(chēng)為“分散控制系統”、“分布式控制系統”。
ESDEmergency Shutdown Device) 緊急停車(chē)裝置,ESD獨立于DCS,當生產(chǎn)裝置出現緊急情況時(shí), ESD發(fā)出保護聯(lián)鎖信號,緊急停車(chē),避免危險擴散造成大的損失。
SIS(Safety Instrument System ) 安全儀表系統,安全儀表系統獨立于過(guò)程控制系統完成安全保護功能,當過(guò)程達到預定條件時(shí),安全儀表系統動(dòng)作,使被控制過(guò)程轉入安全狀態(tài)。

SIS 控制模塊


DCS 控制系統

、DCS、ESD、SIS的比較



三、 焚燒裝置為什么要配置SIS?



1、20141113日,國家安全監管總局發(fā)出《關(guān)于加強化工安全儀表系統管理的指 導意見(jiàn)》(安監總管三〔2014〕116號),明確了從源頭加快規范新建項目安全儀表系統管理工作。指導意見(jiàn)中規定了:

  • 201611日起,大型和外商獨資合資等具備條件的化工企業(yè)新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險化學(xué)品儲存設施,要按照本指導意見(jiàn)的要求設計符合相關(guān)標準規定的安全儀表系統。

  • 201811日起,所有新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險化學(xué)品儲存設施要設計符合要求的安全儀表系統。其他新建化工裝置、危險化學(xué)品儲存設施安全儀表系統,從202011日起,應執行功能安全相關(guān)標準要求,設計符合要求的安全儀表系統。

2、HG20706-2013 《化工建設項目廢物焚燒處理工程設計規范》第5.13.3條:化工廢物焚燒處置過(guò)程應設置獨立于DCS系統的緊急停車(chē)系統,并與在線(xiàn)監測設施進(jìn)行聯(lián)鎖。

3、HJ/T1762005 《危險廢物集中焚燒處置工程建設技術(shù)規范》 第6.7.8條:危險廢物焚燒處置系統應設置獨立于分散控制系統的緊急停車(chē)系統。

四、SIS的設計原則



1、可靠性原則
為了保證焚燒裝置的生產(chǎn)安全,SIS必須具備與工藝過(guò)程相匹配的可靠性。安全儀表系統的可靠性有兩個(gè)含義,一是安全儀表系統本身的工作可靠性;二是安全儀表系統對工藝過(guò)程認知和聯(lián)鎖保護的可靠性,以及對工藝過(guò)程測量、判斷和聯(lián)鎖執行的可靠性。
2、可用性原則
對于安全儀表系統的設計而言,不能一味地追求系統的高可靠性,系統的可用性也需要一并考慮。
可用性(也稱(chēng)可用度)是指安全儀表系統在一個(gè)給定的時(shí)間點(diǎn)內能夠正確執行功能的概率。常用以下公式表示:
A=MTBF/MTBF+MDT
其中:A----可用性,MTBE----平均無(wú)故障工作時(shí)間,MDT----平均停車(chē)時(shí)間
要增加系統的可用性,就要增加平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF),或減少平均停車(chē)時(shí)間(MDT)。正確地判斷過(guò)程事故,可以減少裝置的非正常停車(chē),減少開(kāi)/停車(chē)造成的經(jīng)濟損失。
3、獨立性原則
安全儀表系統應獨立于基本過(guò)程控制系統(BPCS,如DCS、PLC等),獨立實(shí)現安全保護功能,安全儀表系統的檢測元件、控制單元和執行機構應單獨設置。如果工藝需要同時(shí)進(jìn)行聯(lián)鎖和控制的話(huà),安全儀表系統和BPCS應各自設置獨立的檢測元件和取源點(diǎn)(特殊情況除外,如配置三取二檢測元件,進(jìn)DCS信號三取中,進(jìn)安全儀表系統三取二,經(jīng)過(guò)信號分配器公用檢測元件)。如需要,安全儀表系統應能通過(guò)數據通信連接以只讀方式與DCS通信,但禁止DCS通過(guò)該通信連接向安全儀表系統寫(xiě)信息。安全儀表系統應配置獨立的通信網(wǎng)絡(luò ),包括獨立的網(wǎng)絡(luò )交換機、服務(wù)器和工程師站等。安全儀表系統應采用冗余電源,由獨立的雙路配電回路供電。應避免安全儀表系統和BPCS的信號接線(xiàn)在同一接線(xiàn)箱、中間接線(xiàn)柜或控制柜內出現。
4、故障安全原則
當安全儀表系統的元件、設備、環(huán)節或能源發(fā)生故障或者失效時(shí),系統設計應當使工藝過(guò)程能夠趨向安全運行或者安全狀態(tài)。整個(gè)SIS,包括現場(chǎng)儀表和執行元件,都應設計成以下絕對安全形式,即:
(1) 現場(chǎng)觸點(diǎn)應開(kāi)路報警,正常操作條件下閉合;
(2) 現場(chǎng)執行元件聯(lián)鎖時(shí)不帶電,正常操作條件下帶電。
對于執行器(如切斷閥),一般情況下SIS設計成安全聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí),切斷閥應在安全的(即失氣的)狀態(tài)。
5、冗余原則
為了提高安全儀表系統的SIL等級,對系統的各個(gè)單元實(shí)現冗余是必要的。
檢測元件的冗余原則為:對于SIL1回路,可采用單一的檢測元件;對于SIL2回路,宜用“1oo2D”或2oo3”冗余的檢測元件;對于安全儀表系統的SIL3回路,應采用“2oo3”冗余的檢測元件。
安全儀表系統控制單元的冗余原則為:SIL1可采用“1oo1D”單控制單元;SIL2宜采用“1oo2D”或“2oo3”冗余控制單元;SIL3應采用“2oo3”或 2oo4D”冗余控制單元。
安全儀表系統執行機構的冗余設置原則為:SIL1可采用單電磁閥,單控制閥;SIL2宜采用冗余電磁閥,單控制閥;SIL3應采用冗余電磁閥,雙控制閥。安全儀表冗余控制閥可以為分別帶電磁閥的兩個(gè)開(kāi)關(guān)閥,也可以為帶電磁閥的一個(gè)調節閥和一個(gè)開(kāi)關(guān)閥。
6、中間環(huán)節最少原則
SIS的中間環(huán)節應該保持“最少原則”。一個(gè)回路中儀表越多可靠性越差,典型情況是本安回路的應用。因此,可盡量采用隔爆型儀表,減少由于安全柵而產(chǎn)生的故障源,減少誤停車(chē)。

注意事項

  • SIS系統設計前裝置應進(jìn)行HAZOP分析,通過(guò)風(fēng)險評估,采用保護層分析LOPA進(jìn)行安全要求的分配,確定SIL等級;
  • SIS的可靠性應從回路統籌考慮,SISSIL等級要求是指從測量?jì)x表到邏輯控制器和執行單元整個(gè)回路的安全等級。在SIS系統規劃選型時(shí),不能只追求控制器部分的安全性,但忽略了現場(chǎng)外表的安全要求。實(shí)際上,就整個(gè)安全回路來(lái)看,90%以上的危險是因測量?jì)x表和執行單元故障而導致的,邏輯控制器自身故障可能導致的危險不到10%。