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(yīng)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(shè)施中存在的過程風(fēng)險，該系統(tǒng)的合理設(shè)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(shè)備等級，驗證安全儀表功能(SIF)設(shè)計和安全完整性等級(SIL)確認(rèn)，以對平均危險失效概率和可靠性的比較為基礎(chǔ)，從而達(dá)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(shè)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(hù)控制的可靠性，可以有效防止因聯(lián)鎖保護(hù)回路失效而導(dǎo)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(shè)置，現(xiàn)行相關(guān)法規(guī)或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定比較模糊�；�于該現(xiàn)狀，應(yīng)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(dǎo)意見》，明確規(guī)定了相關(guān)企業(yè)在役罐區(qū)需要進(jìn)行風(fēng)險分析及安全評估，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計。

　　與新建裝置不同，在役的罐區(qū)在進(jìn)行SIS改造時，需要面臨的困難更多，改造風(fēng)險也會相應(yīng)增加。所以建議在開始進(jìn)行項目設(shè)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(shè)計方案。在進(jìn)行在役罐區(qū)SIS改造時，儲罐一般沒有預(yù)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(dá)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(fù)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(shè)置罐區(qū)安全控制系統(tǒng)，對罐區(qū)內(nèi)的裝置進(jìn)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(jìn)行了調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)了SIS普遍存在一些問題，比如設(shè)計時間較早、采用已淘汰的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致設(shè)計缺陷、使用時間較長導(dǎo)致可靠性下降、日常維護(hù)不到位、設(shè)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(shè)置根據(jù)國內(nèi)外最新版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，儲油罐區(qū)等儲運裝置的SIS的設(shè)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(shè)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(hù)方案設(shè)計缺陷由于裝置設(shè)計時間及建設(shè)時間一般比較久遠(yuǎn)，所以當(dāng)時采用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在過期或已被替換的情況。且由于建成時間不同，導(dǎo)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(yīng)的可靠性高的安全保護(hù)措施與方法。

　　(3)現(xiàn)場安全儀表設(shè)置缺陷現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器(如閥門)在設(shè)置時，存在沒有設(shè)置合適的冗余結(jié)構(gòu)、檢驗測試周期設(shè)置不足等問題，導(dǎo)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(dāng)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(shè)置一個自動緊急切斷閥，從而避免產(chǎn)生更嚴(yán)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(shè)備一般沒有備用口，那么新增儀表設(shè)備的施工就成為了難點。如果設(shè)備條件受限，或者綜合考慮成本和工期等因素，不允許在設(shè)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(shè)備的人孔;利用設(shè)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(zhǔn)備

　　目前，大型油品儲罐的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計既要遵循GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，又要符合國家應(yīng)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(shè)計方案過程中要充分考慮可實施性以及已有設(shè)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(jìn)行SIS的設(shè)計時，液位將會作為首要控制參數(shù)進(jìn)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(dá)到限值時，觸發(fā)液位高/低報警，達(dá)到聯(lián)鎖值時則進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)IEC61508和IEC61511的要求，在進(jìn)行功能安全評估時，首先應(yīng)該分析與工藝過程有相關(guān)性的危險與風(fēng)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(jìn)行工藝過程的危險和風(fēng)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(jìn)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(dá)到使生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的風(fēng)險減少與危害降低的目的。保護(hù)層分配安全功能的分配方法主要有：保護(hù)層分析LOPA、風(fēng)險矩陣、風(fēng)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(jìn)行目標(biāo)SIL等級的分配。通過對在役大型儲油罐區(qū)SIS進(jìn)行LOPA分析，確定了各個SIF的目標(biāo)SIL等級。

　　與原油罐的液位高高/低低相關(guān)的目標(biāo)SIL等級為SIL≥1，并且儲罐裝置面臨的主要安全風(fēng)險就是液位過高導(dǎo)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(jìn)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(shè)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(shè)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(fēng)險評估和保護(hù)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(jìn)行SIS改造工程之前，首先應(yīng)對裝置進(jìn)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(shè)置無法實現(xiàn)風(fēng)險降低的目的。因此，需要進(jìn)行SIS改造工程，從而達(dá)到液位安全性所要求的SIL等級，主要改造內(nèi)容：

　　(1)增設(shè)1套安全儀表系統(tǒng)硬件，實現(xiàn)液位保護(hù)功能：1)當(dāng)液位達(dá)到高高聯(lián)鎖值時，自動觸發(fā)相應(yīng)進(jìn)罐管道上的氣動切斷閥。2)當(dāng)液位達(dá)到低低聯(lián)鎖值時，自動觸發(fā)相應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(dāng)然，SIS自身對于設(shè)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(jìn)行供電和控制。

　　3.2改造內(nèi)容

　　對罐區(qū)儲罐進(jìn)行SIS設(shè)備現(xiàn)場改造。

　　(1)此改造對象中設(shè)置自動聯(lián)鎖的進(jìn)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(yīng)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(fù)責(zé)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(yù)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(jìn)料，當(dāng)液位高高時，關(guān)閉進(jìn)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(dāng)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(zāi)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(yuǎn)程可控制的電動閥，增設(shè)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)、停控制和全開、全關(guān)、就地/遠(yuǎn)控、故障狀態(tài)全部進(jìn)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(dāng)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(shè)備;若不能關(guān)閉，則應(yīng)設(shè)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(hù)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(rèn)證，并能夠達(dá)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(shè)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(yīng)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(yīng)的設(shè)計方案，使其改造之后能夠達(dá)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(shè)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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