摘 要：近年來(lái)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，化工項目和煉油項目的規模越來(lái)越大，其配套的罐區也越來(lái)越大，儲存的介質(zhì)也越來(lái)越復雜。而不同于一般的油庫，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重，給企業(yè)造成經(jīng)濟損失、對環(huán)境造成破壞。因此罐區設計中對于可燃、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目配套罐區，根據可燃、毒害介質(zhì)的特性和儲存量進(jìn)行重大危險源的辨識，綜合考慮安全和投資，采用獨立的安全儀表系統（SIS）進(jìn)行安全控制。

關(guān)鍵詞：安全儀表系統；重大危險源辨識；罐區

一直以來(lái)，化工項目的罐區一般根據石油庫設計規范進(jìn)行設計，而此規范，并沒(méi)有要求設置安全儀表系統。但是化工項目的罐區不同于一般的石油庫或者儲備庫，它的特點(diǎn)是：單罐罐容小、介質(zhì)種類(lèi)復雜、毒害介質(zhì)多。由于儲罐容量一般較小，儲罐的儀表設置都比較簡(jiǎn)單，介質(zhì)本身的危險性往往被忽視。

本項目設計中，充分考慮了介質(zhì)的危險性并兼顧投資要求，對于屬于重大危險源介質(zhì)的儲罐設置了獨立的安全儀表系統（SIS），用于防冒罐的高高液位聯(lián)鎖控制。

化工項目罐區的介質(zhì)種類(lèi)復雜，可燃毒害介質(zhì)多，發(fā)生事故后危害巨大。罐區一旦發(fā)生事故，將會(huì )對上下游的工藝都產(chǎn)生影響，連帶著(zhù)相關(guān)裝置都需要停產(chǎn)，損失不小。

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

現行化工項目配套的罐區大多采用分散控制系統（DCS）進(jìn)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(diǎn)，但是并不適用于安全控制。對于化工項目罐區要比一般油庫操作更加頻繁，誤操作的概率就更大。這時(shí)采用一套安全性更高的、容錯能力強、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（SIS）就十分必要了。

2011 年8 月5 日，國家安全生產(chǎn)監督管理總局發(fā)布第40 號令，要求“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）”。

2 確定SIS 系統的設置原則

2.1 對儲罐及介質(zhì)分類(lèi)

本項目共有儲罐55 座，儲罐規格從2 萬(wàn)立到200 立大小不等，其中球形儲罐24 座，立式圓筒形儲罐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 對于重大危險源進(jìn)行辨識

根據《危險化學(xué)品重大危險源辨識》（GB18218-2018），重大危險源的辨識依據是物質(zhì)的危險性及其數量[3] 。單元內存在的危險物質(zhì)為多品種時(shí)，則按（1）式計算，若滿(mǎn)足式a，則定為重大危險源：

式中：

q1,q2,…,qn —每種危險化學(xué)品實(shí)際存在量，t；

Q1,Q2,…,Qn —與各危險化學(xué)品相對應的臨界量，t。

罐區分析結果見(jiàn)表1。

表1 危險化學(xué)品重大危險源構成

Table 1 Hazard chemical significant dangerous source

2.3 確定各種介質(zhì)的重大危險源分級

根據《危險化學(xué)品重大危險源監督管理暫行規定》（國家安全生產(chǎn)監督管理總局第40 號）的要求，對重大危險源進(jìn)行分級 [2] 。

式中：

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

位：噸）；

Q1,Q2,…,Qn —與各危險化學(xué)品相對應的臨界量（單位：

噸）；

β1，β2…,βn— 與各危險化學(xué)品相對應的校正系數；

α— 該危險化學(xué)品重大危險源廠(chǎng)區外暴露人員的校正

系數，本項目區外1000m 范圍內無(wú)常住人口，故取0.5。

對本項目危險化學(xué)品重大危險源的分級情況見(jiàn)表2。

表2 危險化學(xué)品重大危險源的分級情況

Table 2 Classification of major dangerous source of dangerous chemicals

根據計算結果及下表確定罐區構成一級重大危險源，其中涉及的介質(zhì)有甲醇、甲醇水等16 種介質(zhì)。對于儲存這些介質(zhì)的儲罐安全聯(lián)鎖設置獨立的安全儀表系統（SIS）。

一般儲罐儀表的設置應考慮經(jīng)濟合理、技術(shù)成熟、可選擇范圍廣、維護及校驗方便、免維護或售后服務(wù)優(yōu)良等方面。結合介質(zhì)特性項目的投資情況、全項目的自動(dòng)化水平等綜合考慮。

本項目首先通過(guò)進(jìn)行危險與可操作性（HAZOP）分析結果，確定各罐組的SIL 等級，根據SIL 分級確定儲罐儀表的設置。以1 臺SIL1 級的乙烯儲罐為例, 見(jiàn)圖1。

圖1 乙烯儲罐PID 圖

Fig.1 PID ethylene storage tank

該儲罐共設置兩臺液位計：1 臺為伺服液位計、1 臺為雷達液位計、1 臺外貼式超聲波液位開(kāi)關(guān)、1 臺熱電阻、1臺壓力變送器、1 臺壓力表。

2 臺液位計中伺服液位計選用高精度計量及用來(lái)做儲罐計量，雷達液位計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，但是接入其中的信號并不多，只有一點(diǎn)AI、一點(diǎn)DI、一點(diǎn)DO。其余信號仍然在DCS 系統中進(jìn)行檢測及報警。

設計的SIS 系統具體聯(lián)鎖控制如下：當儲罐的液位計或液位開(kāi)關(guān)任一液位高于設定值時(shí)，SIS 系統進(jìn)行聯(lián)鎖，關(guān)閉儲罐罐根切斷閥，防止儲罐罐液位繼續升高，引發(fā)冒罐危險[1] 。

4.1 SIS 系統的設置原則

罐區SIS 系統，作為全廠(chǎng)SIS 系統的組成部分，根據裝置的特點(diǎn)，實(shí)現罐區內重要的安全聯(lián)鎖保護、緊急停車(chē)系統及關(guān)鍵設備聯(lián)鎖保護。SIS 系統設置在現場(chǎng)機柜室，設置獨立的控制器，以確保人員及生產(chǎn)裝置、重要機組和關(guān)鍵設備的安全。SIS 系統的安全綜合等級根據相應的要求進(jìn)行考慮。SIS 系統按照DIN V VDE0801 和DIN V 19250 標準，采用TüV 或AK6 安全認證的SIL3 級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 系統按照故障安全型設計，與DCS系統實(shí)時(shí)數據通訊。SIS 系統設工程師站，SOE 站，相應的報警及操作通過(guò)輔助操作臺上開(kāi)關(guān)、按鈕、聲光報警裝置

和DCS 系統的操作站來(lái)完成。

罐區SIS 系統具有報警事件順序記錄功能(SOE)，在中央控制室和現場(chǎng)機柜室各設置一套工程師站，用于SIS 系統的組態(tài)、下裝、調試和日常維護以及報警事件順序的記錄。

中央邏輯控制器、輸入/ 輸出卡件、SIS 系統內部的安全網(wǎng)絡(luò )、供電單元、與DCS 系統通信的單元均采用冗余結構。

SIS 系統應配有HART 信息采集器，用于采集現場(chǎng)智能儀表HART 信息，并通訊至AMS 系統。

SIS 與DCS 通信卡必須是冗余配置, 且冗余的兩個(gè)通信接口不應在同一塊通信卡上。冗余數據通信系統應能夠自動(dòng)切換，并可進(jìn)行系統診斷報警。在切換時(shí)不允許有數據丟失。通信系統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據傳輸。傳輸速率不小于100Mbps。SIS 系統支持標準通信協(xié)議，冗余容錯串行通信方式。SIS 與DCS 通信協(xié)議為MODBUS RTU 或TCP/IP。

DCS 系統為主站，SIS 系統為從站。所有部件都應抗每米10 毫伏場(chǎng)強的電磁及無(wú)線(xiàn)電干擾。

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

根據《石油化工儀表系統防雷工程設計規范》進(jìn)行儀表系統防雷工程設計。SIL3 回路的現場(chǎng)儀表側及控制室（現場(chǎng)機柜室）側配置防雷電浪涌保護器。

在工廠(chǎng)調試完成后，有20% 已經(jīng)接好線(xiàn)的輸入/ 輸出(I/O) 點(diǎn)作為備用；在端子接線(xiàn)柜中，有20% 的裕量端子作為備用；在系統機柜中，有20% 的裕量空間用于安裝I/O 卡件。

在工廠(chǎng)調試完成后，處理器、數據存貯器和數據通信網(wǎng)絡(luò )的負載最高不超過(guò)40%；電源單元的負載最多達到其能力的50%；應用軟件和通信系統有30% 的擴展能力。

4.2 SIS 系統網(wǎng)絡(luò )結構

本項目采用冗余、容錯結構的故障安全型SIS 系統，安全等級達到SIL3。

根據圖2 罐區網(wǎng)絡(luò )結構圖，可見(jiàn)：罐區單元主要硬件設備為：1 臺系統柜、3 臺輔助柜（端子柜、繼電器柜、安全柵柜）、2 臺SOE 工程師站、2 臺交換機、1 臺打印機。

圖2 SIS 系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

Fig.2 SIS system network diagram

4.3 SIS 系統軟件要求

1) 軟件組態(tài)：編程語(yǔ)言應符合IEEC 61131-3 工業(yè)標準。

2) 軟件組態(tài)的安全性：采用PROM 或EPROM 存儲器存儲應用軟件，提供防止未被授權人員修改程序的功能。軟件應能在線(xiàn)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(xiàn)/ 在線(xiàn)程序調試和現場(chǎng)裝置的維護。系統軟件包括系統診斷，工程，監視和刪除故障功能。

4) 系統應提供重要的時(shí)序事件記錄（SOE）和過(guò)程歷史報告。

國內很多化工企業(yè)之所以執行116號文困難較多，對SIL評估和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。現實(shí)中，工藝和控制等專(zhuān)業(yè)界面清晰，各負其責。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)險管理的團隊。

根據國家安監總局116號文《關(guān)于加強化工安全儀表系統管理的指導意見(jiàn)》的要求，自2018年1月1日起，各地的安監局逐步對于“兩重點(diǎn)一重大項目”要求新項目進(jìn)行SIL定級與驗證。安全儀表系統管理未來(lái)將于《安全生產(chǎn)許可證》相掛鉤。老舊裝置及新建項目如未配套安全儀表系統、未進(jìn)行SIL的定級與驗證，將不再核發(fā)新的《安全生產(chǎn)許可證》，這將進(jìn)一步加強對企業(yè)的安全生產(chǎn)的管理與要求。