在役大型石油儲(chǔ)罐安全儀表系統(tǒng)改造方案

　　摘　要：在石油化工行業(yè)的實(shí)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?gòu)S區(qū)或生產(chǎn)裝置設(shè)施中存在的過程風(fēng)險(xiǎn)，該系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)以及運(yùn)行情況可以對(duì)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(chǔ)罐罐區(qū)SIS設(shè)備等級(jí)，驗(yàn)證安全儀表功能(SIF)設(shè)計(jì)和安全完整性等級(jí)(SIL)確認(rèn)，以對(duì)平均危險(xiǎn)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(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目為例，針對(duì)在役大型石油儲(chǔ)罐SIS改造工程，根據(jù)其安全完整性等級(jí)分析確定了儲(chǔ)罐SIS的主要工藝控制變量，具體設(shè)計(jì)和改造了SIS及完整的聯(lián)鎖控制，并開始投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

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

　　引言

　　石油儲(chǔ)罐罐區(qū)通過配置獨(dú)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(xiǎn)事件或事故發(fā)生。然而對(duì)于石化儲(chǔ)罐罐區(qū)項(xiàng)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(guó)家安監(jiān)總局)于2014年發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)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(xiǎn)分析及安全評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　與新建裝置不同，在役的罐區(qū)在進(jìn)行SIS改造時(shí)，需要面臨的困難更多，改造風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)相應(yīng)增加。所以建議在開始進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，需要提前全面考慮各種危險(xiǎn)因素，從而審慎全面地提出設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行在役罐區(qū)SIS改造時(shí)，儲(chǔ)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(huì)影響罐區(qū)的正常作業(yè)，參與聯(lián)鎖動(dòng)作的液位傳感器可靠性較低，改造成本可能會(huì)過高等。因此本文重點(diǎn)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(jì)實(shí)用的目的。

　　1罐區(qū)工藝概況及危險(xiǎn)因素分析

　　1.1工藝概況

　　在役儲(chǔ)油罐區(qū)的儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)油品儲(chǔ)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(kuò)散、易燃易爆介質(zhì)，儲(chǔ)存危險(xiǎn)性大。因此，如何設(shè)置罐區(qū)安全控制系統(tǒng)，對(duì)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(diǎn)。

　　1.2危險(xiǎn)因素分析

　　本文對(duì)國(guó)內(nèi)十余家大型儲(chǔ)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(jì)時(shí)間較早、采用已淘汰的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺陷、使用時(shí)間較長(zhǎng)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(dú)立設(shè)置根據(jù)國(guó)內(nèi)外最新版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，儲(chǔ)油罐區(qū)等儲(chǔ)運(yùn)裝置的SIS的設(shè)置必須與過程控制系統(tǒng)(SCADA)互相獨(dú)立，但目前大部分儲(chǔ)罐并沒有設(shè)置獨(dú)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(jì)缺陷由于裝置設(shè)計(jì)時(shí)間及建設(shè)時(shí)間一般比較久遠(yuǎn)，所以當(dāng)時(shí)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(shí)間不同，導(dǎo)致相同或類似儲(chǔ)罐裝置的安全控制方案不一樣。在某些危險(xiǎn)程度較高的儲(chǔ)罐卻沒有相對(duì)應(yīng)的可靠性高的安全保護(hù)措施與方法。

　　(3)現(xiàn)場(chǎng)安全儀表設(shè)置缺陷現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行器(如閥門)在設(shè)置時(shí)，存在沒有設(shè)置合適的冗余結(jié)構(gòu)、檢驗(yàn)測(cè)試周期設(shè)置不足等問題，導(dǎo)致裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)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(chǔ)罐的罐根閥仍采用現(xiàn)場(chǎng)人員手動(dòng)操作控制的方式儲(chǔ)罐的罐根閥作為在儲(chǔ)罐發(fā)生泄露時(shí)的最后保障起到了非常重要的作用，但是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)(如起火、爆炸等)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員根本無法靠近罐體并手動(dòng)關(guān)閉閥門，這時(shí)就需要設(shè)置一個(gè)自動(dòng)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(diǎn)

　　一般情況下，在役罐區(qū)SIS改造工程中，實(shí)現(xiàn)液位測(cè)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(duì)于在役罐區(qū)，尤其是一些建成時(shí)間較長(zhǎng)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)液位測(cè)量等。

　　2安全儀表系統(tǒng)改造前準(zhǔn)備

　　目前，大型油品儲(chǔ)罐的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要遵循GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，又要符合國(guó)家應(yīng)急管理部發(fā)布的第40和116號(hào)令的要求。由于是在役罐區(qū)改造工程，因此在設(shè)計(jì)方案過程中要充分考慮可實(shí)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(chǎng)裝置的需求，為了防止在異常工況下儲(chǔ)罐冒罐或抽空的危險(xiǎn)情況發(fā)生，在進(jìn)行SIS的設(shè)計(jì)時(shí)，液位將會(huì)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(cè)液位的位置情況，在液位達(dá)到限值時(shí)，觸發(fā)液位高/低報(bào)警，達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)則進(jìn)行緊急聯(lián)鎖。

　　2.1危險(xiǎn)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(píng)估時(shí)，首先應(yīng)該分析與工藝過程有相關(guān)性的危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)。由于是在已有圖紙資料比如在役大型儲(chǔ)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(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)儲(chǔ)罐裝置的安全儀表功能(SIF)。以典型儲(chǔ)罐為例，儲(chǔ)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(chǔ)罐高高液位聯(lián)鎖進(jìn)料閥和儲(chǔ)罐低低液位聯(lián)鎖出料閥。

　　2.2確定安全完整性等級(jí)

　　安全完整性等級(jí)(SIL)的確定是為了驗(yàn)證每個(gè)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(xiǎn)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(xiǎn)矩陣、風(fēng)險(xiǎn)圖等。本研究運(yùn)用LOPA分析方法對(duì)在役大型儲(chǔ)油罐區(qū)SIF進(jìn)行目標(biāo)SIL等級(jí)的分配。通過對(duì)在役大型儲(chǔ)油罐區(qū)SIS進(jìn)行LOPA分析，確定了各個(gè)SIF的目標(biāo)SIL等級(jí)。

　　與原油罐的液位高高/低低相關(guān)的目標(biāo)SIL等級(jí)為SIL≥1，并且儲(chǔ)罐裝置面臨的主要安全風(fēng)險(xiǎn)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(yàn)證計(jì)算

　　根據(jù)技術(shù)文件ISA-TR84.00.02-2002，目前主流的SIL等級(jí)計(jì)算方法分別有以下幾種：故障樹分析、簡(jiǎn)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(yàn)證計(jì)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(jì)算方法進(jìn)行可靠性計(jì)算。

　　3安全控制系統(tǒng)實(shí)際改造方案

　　某工程項(xiàng)目是大型外資石油化工企業(yè)針對(duì)其在役儲(chǔ)油罐區(qū)的SIS改造，改造設(shè)計(jì)首先要滿足國(guó)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(jì)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(duì)存在在役大型石油儲(chǔ)罐的罐區(qū)，可以使用過程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和保護(hù)層分配安全功能的方法，完成針對(duì)在役大型罐區(qū)的SIS改造。

　　3.1項(xiàng)目概況

　　在進(jìn)行SIS改造工程之前，首先應(yīng)對(duì)裝置進(jìn)行HAZOP分析和SIL評(píng)估，并為每一條SIF回路定級(jí)。現(xiàn)階段儲(chǔ)罐液位的聯(lián)鎖邏輯控制還沒有獨(dú)立出來，依然通過DCS實(shí)現(xiàn)，這樣的設(shè)置無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)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(jí)，主要改造內(nèi)容：

　　(1)增設(shè)1套安全儀表系統(tǒng)硬件，實(shí)現(xiàn)液位保護(hù)功能：1)當(dāng)液位達(dá)到高高聯(lián)鎖值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)進(jìn)罐管道上的氣動(dòng)切斷閥。2)當(dāng)液位達(dá)到低低聯(lián)鎖值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)出罐管道上的氣動(dòng)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(hào)通過通信的方式，把檢測(cè)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(cè)窗口，使SIS在DCS顯示統(tǒng)一的報(bào)警和狀態(tài)，方便操作人員對(duì)生產(chǎn)情況的全盤檢測(cè)。當(dāng)然，SIS自身對(duì)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(chǎng)的檢測(cè)儀表和實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(duì)罐區(qū)儲(chǔ)罐進(jìn)行SIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)改造。

　　(1)此改造對(duì)象中設(shè)置自動(dòng)聯(lián)鎖的進(jìn)出管道中，分別新增一個(gè)電磁閥控制原有的氣動(dòng)開關(guān)閥門，增加的電磁閥還應(yīng)采用滿足SIL1等級(jí)的產(chǎn)品。原來電磁閥的動(dòng)作信號(hào)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(dòng)作信號(hào)來自于新增的SIS，可以實(shí)現(xiàn)在特殊情況下的緊急聯(lián)鎖功能。氣動(dòng)閥門的閥位回訊器產(chǎn)生的回訊信號(hào)接入SIS，SIS與DCS之間可以通信，最終信號(hào)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(hào)。

　　(2)由于此儲(chǔ)罐并未預(yù)留測(cè)量?jī)x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(jí)的外貼式產(chǎn)品。(3)儲(chǔ)罐現(xiàn)有的液位高高傳感器信號(hào)上傳到SIS中，從而實(shí)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(shí)，關(guān)閉進(jìn)料管線上的新增電磁閥;將儲(chǔ)罐現(xiàn)有的液位低低傳感器信號(hào)傳輸至SIS，實(shí)現(xiàn)安全儀表功能中的液位低低停出料,當(dāng)液位低低時(shí)，關(guān)閉出料管線上的新增電磁閥。利用現(xiàn)有傳感器信號(hào)，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(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員根本無法靠近儲(chǔ)罐并手動(dòng)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(dòng)閥，增設(shè)泵房控制室操作臺(tái)緊急關(guān)閥硬按鈕，實(shí)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(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(shí)閥門自動(dòng)關(guān)閉，以保證在系統(tǒng)斷電時(shí)的功能安全。(6)當(dāng)遇到緊急情況觸發(fā)聯(lián)鎖值，儲(chǔ)罐的罐前閥在緊急關(guān)斷時(shí)，為避免與其連接的輸油管道發(fā)生超壓危險(xiǎn)，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(shí)，首先了解罐區(qū)原來的控制系統(tǒng)品牌與型號(hào)。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(chǎng)的操作及維護(hù)人員對(duì)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(guó)際第三方TÜV安全認(rèn)證，并能夠達(dá)到SIL1及以上安全等級(jí)，確保罐區(qū)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行是該類裝置設(shè)計(jì)和操作的最重要問題之一。本文以某工程項(xiàng)目為背景，結(jié)合實(shí)際情況，首先分析討論了HAZOP分析及SIL定級(jí)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(gè)罐區(qū)情況各不相同，SIS改造工程的難度較大。對(duì)于在役儲(chǔ)罐罐區(qū)的改造項(xiàng)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(gè)儲(chǔ)罐的特點(diǎn)擬定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，使其改造之后能夠達(dá)到要求的安全完整性等級(jí)。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況，本文具體討論了如何根據(jù)安全完整性等級(jí)設(shè)計(jì)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(yàn)。

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　　作者：徐慶春1郭怡安2

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