在役大型石油儲罐安全儀表系統(tǒng)改造方案

　　摘　要：在石油化工行業(yè)的實際生產(chǎn)過程中，應用安全儀表系統(tǒng)(SIS)可以有效地避免和減少廠區(qū)或生產(chǎn)裝置設施中存在的過程風險，該系統(tǒng)的合理設計以及運行情況可以對裝置的安全狀態(tài)產(chǎn)生直接影響。本文介紹了如何判斷在役大型石油儲罐罐區(qū)SIS設備等級，驗證安全儀表功能(SIF)設計和安全完整性等級(SIL)確認，以對平均危險失效概率和可靠性的比較為基礎(chǔ)，從而達到選擇合適的安全儀表系統(tǒng)的目的。以某個實際工程項目為例，針對在役大型石油儲罐SIS改造工程，根據(jù)其安全完整性等級分析確定了儲罐SIS的主要工藝控制變量，具體設計和改造了SIS及完整的聯(lián)鎖控制，并開始投入生產(chǎn)運營。

　　關(guān)鍵詞：在役石油儲罐安全儀表系統(tǒng)(SIS)安全完整性等級(SIL)聯(lián)鎖控制

　　引言

　　石油儲罐罐區(qū)通過配置獨立于其他系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)(SafetyInstrumentedSystem，SIS)，增加聯(lián)鎖保護控制的可靠性，可以有效防止因聯(lián)鎖保護回路失效而導致的危險事件或事故發(fā)生。然而對于石化儲罐罐區(qū)項目中安全儀表系統(tǒng)的設置，現(xiàn)行相關(guān)法規(guī)或技術(shù)標準中的規(guī)定比較模糊。基于該現(xiàn)狀，應急管理部(原國家安監(jiān)總局)于2014年發(fā)布了《關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》，明確規(guī)定了相關(guān)企業(yè)在役罐區(qū)需要進行風險分析及安全評估，并在此基礎(chǔ)上進行安全儀表系統(tǒng)設計。

　　與新建裝置不同，在役的罐區(qū)在進行SIS改造時，需要面臨的困難更多，改造風險也會相應增加。所以建議在開始進行項目設計時，需要提前全面考慮各種危險因素，從而審慎全面地提出設計方案。在進行在役罐區(qū)SIS改造時，儲罐一般沒有預留充足的液位傳感器安裝接口，并且改造可能會影響罐區(qū)的正常作業(yè)，參與聯(lián)鎖動作的液位傳感器可靠性較低，改造成本可能會過高等。因此本文重點研究了如何能夠在保證可靠性的前提下，又能節(jié)省SIS改造成本，達到安全可靠、經(jīng)濟實用的目的。

　　1罐區(qū)工藝概況及危險因素分析

　　1.1工藝概況

　　在役儲油罐區(qū)的儲存轉(zhuǎn)運油品儲罐容積較大、品種較多，并且涉及的生產(chǎn)裝置多，工藝流程比較復雜，且介質(zhì)多為易揮發(fā)、易擴散、易燃易爆介質(zhì)，儲存危險性大。因此，如何設置罐區(qū)安全控制系統(tǒng)，對罐區(qū)內(nèi)的裝置進行統(tǒng)一的監(jiān)控及聯(lián)鎖顯得非常重要，也是接下來的研究重點。

　　1.2危險因素分析

　　本文對國內(nèi)十余家大型儲油罐區(qū)的安全儀表系統(tǒng)進行了調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)了SIS普遍存在一些問題，比如設計時間較早、采用已淘汰的標準導致設計缺陷、使用時間較長導致可靠性下降、日常維護不到位、設備管理存在漏洞等，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

　　(1)安全儀表系統(tǒng)未獨立設置根據(jù)國內(nèi)外最新版標準規(guī)范的要求，儲油罐區(qū)等儲運裝置的SIS的設置必須與過程控制系統(tǒng)(SCADA)互相獨立，但目前大部分儲罐并沒有設置獨立的SIS，其相關(guān)的安全聯(lián)鎖控制一般依賴過程控制系統(tǒng)(如SCADA、DCS等)完成，安全性不能得到保證。(2)安全保護方案設計缺陷由于裝置設計時間及建設時間一般比較久遠，所以當時采用的相關(guān)標準存在過期或已被替換的情況。且由于建成時間不同，導致相同或類似儲罐裝置的安全控制方案不一樣。在某些危險程度較高的儲罐卻沒有相對應的可靠性高的安全保護措施與方法。

　　(3)現(xiàn)場安全儀表設置缺陷現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器(如閥門)在設置時，存在沒有設置合適的冗余結(jié)構(gòu)、檢驗測試周期設置不足等問題，導致裝置的拒動或誤動的次數(shù)比例升高，無法滿足功能安全的需要。(4)某些大型儲罐的罐根閥仍采用現(xiàn)場人員手動操作控制的方式儲罐的罐根閥作為在儲罐發(fā)生泄露時的最后保障起到了非常重要的作用，但是當現(xiàn)場發(fā)生危險情況時(如起火、爆炸等)時，現(xiàn)場操作人員根本無法靠近罐體并手動關(guān)閉閥門，這時就需要設置一個自動緊急切斷閥，從而避免產(chǎn)生更嚴重的損失。

　　1.3改造難點

　　一般情況下，在役罐區(qū)SIS改造工程中，實現(xiàn)液位測量功能的儀表的選擇是安全聯(lián)鎖功能能否發(fā)揮作用的主要因素。對于在役罐區(qū)，尤其是一些建成時間較長的裝置，設備一般沒有備用口，那么新增儀表設備的施工就成為了難點。如果設備條件受限，或者綜合考慮成本和工期等因素，不允許在設備上重新開口，通常有以下幾種方法可供參考：充分利用原有儀表開口;利用設備的人孔;利用設備的聯(lián)通氣相連接口;選用外貼式的超聲波液位開關(guān)實現(xiàn)液位測量等。

　　2安全儀表系統(tǒng)改造前準備

　　目前，大型油品儲罐的安全儀表系統(tǒng)設計既要遵循GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》的規(guī)定，又要符合國家應急管理部發(fā)布的第40和116號令的要求。由于是在役罐區(qū)改造工程，因此在設計方案過程中要充分考慮可實施性以及已有設施的充分利用。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和現(xiàn)場裝置的需求，為了防止在異常工況下儲罐冒罐或抽空的危險情況發(fā)生，在進行SIS的設計時，液位將會作為首要控制參數(shù)進行考慮。液位傳感器可以用來監(jiān)測液位的位置情況，在液位達到限值時，觸發(fā)液位高/低報警，達到聯(lián)鎖值時則進行緊急聯(lián)鎖。

　　2.1危險與可操作性分析

　　根據(jù)功能安全標準IEC61508和IEC61511的要求，在進行功能安全評估時，首先應該分析與工藝過程有相關(guān)性的危險與風險。由于是在已有圖紙資料比如在役大型儲油罐區(qū)的P&ID圖、儀表聯(lián)鎖邏輯圖等的基礎(chǔ)上，進行工藝過程的危險和風險評估，因此本文選擇采用目前常用且證明有效的HAZOP分析方法，辨識儲罐裝置的安全儀表功能(SIF)。以典型儲罐為例，儲罐HAZOP分析結(jié)果的建議措施中，有涉及到儀表專業(yè)的是：增加儲罐高高液位聯(lián)鎖進料閥和儲罐低低液位聯(lián)鎖出料閥。

　　2.2確定安全完整性等級

　　安全完整性等級(SIL)的確定是為了驗證每個安全儀表功能(SIF)回路安全可靠性的最低要求，從而達到使生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的風險減少與危害降低的目的。保護層分配安全功能的分配方法主要有：保護層分析LOPA、風險矩陣、風險圖等。本研究運用LOPA分析方法對在役大型儲油罐區(qū)SIF進行目標SIL等級的分配。通過對在役大型儲油罐區(qū)SIS進行LOPA分析，確定了各個SIF的目標SIL等級。

　　與原油罐的液位高高/低低相關(guān)的目標SIL等級為SIL≥1，并且儲罐裝置面臨的主要安全風險就是液位過高導致冒頂，原油溢出發(fā)生起火爆炸。

　　2.3安全儀表功能SIL驗證計算

　　根據(jù)技術(shù)文件ISA-TR84.00.02-2002，目前主流的SIL等級計算方法分別有以下幾種：故障樹分析、簡化方程式、可靠性方塊圖、馬爾可夫分析等。其中，故障樹分析方法(FTA，F(xiàn)aultTreeAnalysis)是本研究所采用的驗證計算方法。根據(jù)每條安全儀表功能回路的硬件組成，使用FTA的計算方法進行可靠性計算。

　　3安全控制系統(tǒng)實際改造方案

　　某工程項目是大型外資石油化工企業(yè)針對其在役儲油罐區(qū)的SIS改造，改造設計首先要滿足國家相關(guān)法律法規(guī)要求，比如《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》(GB/T21109-2007/IEC61511:2003)、《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB/T50770-2013)和《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》(GB/T20438-2017/IEC61508:2010)等。對存在在役大型石油儲罐的罐區(qū)，可以使用過程風險評估和保護層分配安全功能的方法，完成針對在役大型罐區(qū)的SIS改造。

　　3.1項目概況

　　在進行SIS改造工程之前，首先應對裝置進行HAZOP分析和SIL評估，并為每一條SIF回路定級�，F(xiàn)階段儲罐液位的聯(lián)鎖邏輯控制還沒有獨立出來，依然通過DCS實現(xiàn)，這樣的設置無法實現(xiàn)風險降低的目的。因此，需要進行SIS改造工程，從而達到液位安全性所要求的SIL等級，主要改造內(nèi)容：

　　(1)增設1套安全儀表系統(tǒng)硬件，實現(xiàn)液位保護功能：1)當液位達到高高聯(lián)鎖值時，自動觸發(fā)相應進罐管道上的氣動切斷閥。2)當液位達到低低聯(lián)鎖值時，自動觸發(fā)相應出罐管道上的氣動切斷閥。(2)SIS能夠?qū)⑿畔⑸蟼鞯紻CS中進行顯示。在系統(tǒng)集成上可以把SIS的信號通過通信的方式，把檢測器、執(zhí)行元件等元器件以及安全功能的狀態(tài)在DCS上進行顯示。使DCS成為唯一有效的監(jiān)測窗口，使SIS在DCS顯示統(tǒng)一的報警和狀態(tài)，方便操作人員對生產(chǎn)情況的全盤檢測。當然，SIS自身對于設備的控制功能，必須在SIS上完成。按照安全完整性要求，現(xiàn)場的檢測儀表和實現(xiàn)動作的執(zhí)行元件必須由SIS進行供電和控制。

　　3.2改造內(nèi)容

　　對罐區(qū)儲罐進行SIS設備現(xiàn)場改造。

　　(1)此改造對象中設置自動聯(lián)鎖的進出管道中，分別新增一個電磁閥控制原有的氣動開關(guān)閥門，增加的電磁閥還應采用滿足SIL1等級的產(chǎn)品。原來電磁閥的動作信號是從DCS輸出的，負責在正常工況下閥門的開關(guān)控制。新增電磁閥的動作信號來自于新增的SIS，可以實現(xiàn)在特殊情況下的緊急聯(lián)鎖功能。氣動閥門的閥位回訊器產(chǎn)生的回訊信號接入SIS，SIS與DCS之間可以通信，最終信號在DCS上顯示，并且可以將原來的電纜加以利用來傳輸回訊信號。

　　(2)由于此儲罐并未預留測量儀表的安裝接口，再加上成本及工期等客觀因素，考慮將聯(lián)鎖回路中的液位開關(guān)替換為SIL1及以上等級的外貼式產(chǎn)品。(3)儲罐現(xiàn)有的液位高高傳感器信號上傳到SIS中，從而實現(xiàn)安全儀表功能中的液位高高停進料，當液位高高時，關(guān)閉進料管線上的新增電磁閥;將儲罐現(xiàn)有的液位低低傳感器信號傳輸至SIS，實現(xiàn)安全儀表功能中的液位低低停出料,當液位低低時，關(guān)閉出料管線上的新增電磁閥。利用現(xiàn)有傳感器信號，此液位開關(guān)現(xiàn)有的儀表相關(guān)線纜可以直接加以利用，降低成本。

　　(4)罐區(qū)如若發(fā)生火災等危急情況時，現(xiàn)場操作人員根本無法靠近儲罐并手動關(guān)閉罐根閥，因此建議將罐根手操閥改造為可遠程可控制的電動閥，增設泵房控制室操作臺緊急關(guān)閥硬按鈕，實現(xiàn)緊急關(guān)閥功能。并將罐根閥的開、關(guān)、�？刂坪腿�開、全關(guān)、就地/遠控、故障狀態(tài)全部進SIS。(5)罐前操作閥及罐根閥宜采用故障安全型,即失電時閥門自動關(guān)閉，以保證在系統(tǒng)斷電時的功能安全。(6)當遇到緊急情況觸發(fā)聯(lián)鎖值，儲罐的罐前閥在緊急關(guān)斷時，為避免與其連接的輸油管道發(fā)生超壓危險，需要系統(tǒng)關(guān)閉船上的輸油泵等設備;若不能關(guān)閉，則應設置壓力安全泄放裝置。

　　3.3SIS選型

　　在考慮SIS產(chǎn)品選型時，首先了解罐區(qū)原來的控制系統(tǒng)品牌與型號。由于本在役罐區(qū)使用的DCS為羅克韋爾的產(chǎn)品，因此現(xiàn)場的操作及維護人員對羅克韋爾的操作系統(tǒng)已經(jīng)非常了解，因此決定也選用羅克韋爾AADvance系列的SIS，可以使新系統(tǒng)的系統(tǒng)畫面、操作流程、系統(tǒng)配置都與原有DCS系統(tǒng)大致相同。選用的SIS經(jīng)國際第三方TÜV安全認證，并能夠達到SIL1及以上安全等級，確保罐區(qū)裝置安全穩(wěn)定運行。

　　4結(jié)束語

　　在役大型石油罐區(qū)內(nèi)，裝置的安全、平穩(wěn)運行是該類裝置設計和操作的最重要問題之一。本文以某工程項目為背景，結(jié)合實際情況，首先分析討論了HAZOP分析及SIL定級的基礎(chǔ)流程。在役罐區(qū)的改造通常涉及各方面因素，各個罐區(qū)情況各不相同，SIS改造工程的難度較大。對于在役儲罐罐區(qū)的改造項目，首先應確定罐區(qū)類別，然后通過具體分析罐區(qū)內(nèi)每個儲罐的特點擬定相應的設計方案，使其改造之后能夠達到要求的安全完整性等級。根據(jù)實際項目情況，本文具體討論了如何根據(jù)安全完整性等級設計符合要求的SIS，形成了在役罐區(qū)安全控制系統(tǒng)的改造方案樣本以及一定的有益經(jīng)驗。

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　　作者：徐慶春1郭怡安2

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