0 引言

一直以來，化工項目的罐區(qū)一般根據(jù)石油庫設計規(guī)范進行設計，而此規(guī)范，并沒有要求設置安全儀表系統(tǒng)。但是化工項目的罐區(qū)不同于一般的石油庫或者儲備庫，它的特點是：單罐罐容小、介質(zhì)種類復雜、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(tǒng)（SIS），用于防冒罐的高高液位聯(lián)鎖控制。

1 設置SIS 系統(tǒng)的必要性

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

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

現(xiàn)行化工項目配套的罐區(qū)大多采用分散控制系統(tǒng)（DCS）進行操作控制及連鎖。DCS 系統(tǒng)具有控制功能完善多樣、易操作、易擴展及維護方便等特點，但是并不適用于安全控制。對于化工項目罐區(qū)要比一般油庫操作更加頻繁，誤操作的概率就更大。這時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(tǒng)（SIS）就十分必要了。

2011 年8 月5 日，國家安全生產(chǎn)監(jiān)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(tǒng)（SIS）”。

2 確定SIS 系統(tǒng)的設置原則

2.1 對儲罐及介質(zhì)分類

本項目共有儲罐55 座，儲罐規(guī)格從2 萬立到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 對于重大危險源進行辨識

根據(jù)《危險化學品重大危險源辨識》（GB18218-2009），重大危險源的辨識依據(jù)是物質(zhì)的危險性及其數(shù)量[3] 。單元內(nèi)存在的危險物質(zhì)為多品種時，則按（1）式計算，若滿足式a，則定為重大危險源：

式中：

q1,q2,…,qn —每種危險化學品實際存在量，t；

Q1,Q2,…,Qn —與各危險化學品相對應的臨界量，t。

罐區(qū)分析結果見表1。

表1 危險化學品重大危險源構成

2.3 確定各種介質(zhì)的重大危險源分級

根據(jù)《危險化學品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第40 號）的要求，對重大危險源進行分級 [2] 。

式中：

q1,q2,…,qn —每種危險化學品實際存在（在線）量（單位：噸）；

Q1,Q2,…,Qn —與各危險化學品相對應的臨界量（單位：噸）；

β1，β2…,βn— 與各危險化學品相對應的校正系數(shù)；

α— 該危險化學品重大危險源廠區(qū)外暴露人員的校正

系數(shù)，本項目區(qū)外1000m 范圍內(nèi)無常住人口，故取0.5。

對本項目危險化學品重大危險源的分級情況見表2。

表2 危險化學品重大危險源的分級情況

Table 2 Classification of major dangerous source of dangerous chemicals

根據(jù)計算結果及下表確定罐區(qū)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(tǒng)（SIS）。

3 儲罐儀表的設置

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

本項目首先通過進行危險與可操作性（HAZOP）分析結果，確定各罐組的SIL 等級，根據(jù)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關、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做儲罐計量，雷達液位計為控制及用于與高液位開關做聯(lián)鎖，關閉罐根閥。

從PID 圖中可以看出從PID 圖中可以看出雖然增加了SIS 系統(tǒng)，但是接入其中的信號并不多，只有一點AI、一點DI、一點DO。其余信號仍然在DCS 系統(tǒng)中進行檢測及報警。

設計的SIS 系統(tǒng)具體聯(lián)鎖控制如下：當儲罐的液位計或液位開關任一液位高于設定值時，SIS 系統(tǒng)進行聯(lián)鎖，關閉儲罐罐根切斷閥，防止儲罐罐液位繼續(xù)升高，引發(fā)冒罐危險[1] 。

4 SIS 系統(tǒng)設計

4.1 SIS 系統(tǒng)的設置原則

罐區(qū)SIS 系統(tǒng)，作為全廠SIS 系統(tǒng)的組成部分，根據(jù)裝置的特點，實現(xiàn)罐區(qū)內(nèi)重要的安全聯(lián)鎖保護、緊急停車系統(tǒng)及關鍵設備聯(lián)鎖保護。SIS 系統(tǒng)設置在現(xiàn)場機柜室，設置獨立的控制器，以確保人員及生產(chǎn)裝置、重要機組和關鍵設備的安全。SIS 系統(tǒng)的安全綜合等級根據(jù)相應的要求進行考慮。SIS 系統(tǒng)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(EmergencyShut-Down - ESD) 和緊急泄壓(EmergencyDepression - EDP)。SIS 系統(tǒng)按照故障安全型設計，與DCS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通訊。SIS 系統(tǒng)設工程師站，SOE 站，相應的報警及操作通過輔助操作臺上開關、按鈕、聲光報警裝置和DCS 系統(tǒng)的操作站來完成。罐區(qū)SIS 系統(tǒng)具有報警事件順序記錄功能(SOE)，在中央控制室和現(xiàn)場機柜室各設置一套工程師站，用于SIS 系統(tǒng)的組態(tài)、下裝、調(diào)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(tǒng)內(nèi)部的安全網(wǎng)絡、供電單元、與DCS 系統(tǒng)通信的單元均采用冗余結構。SIS 系統(tǒng)應配有HART 信息采集器，用于采集現(xiàn)場智能儀表HART 信息，并通訊至AMS 系統(tǒng)。SIS 與DCS 通信卡必須是冗余配置, 且冗余的兩個通信接口不應在同一塊通信卡上。冗余數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應能夠自動切換，并可進行系統(tǒng)診斷報警。在切換時不允許有數(shù)據(jù)丟失。通信系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸。傳輸速率不小于100Mbps。SIS 系統(tǒng)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(tǒng)為主站，SIS 系統(tǒng)為從站。所有部件都應抗每米10 毫伏場強的電磁及無線電干擾。SIS 系統(tǒng)具有時鐘同步的性能， SIS 系統(tǒng)控制器的時鐘在系統(tǒng)上電和更換時鐘卡件后，能夠自動進行同步。SIS 系統(tǒng)時鐘同步信號來自于DCS 系統(tǒng)。

根據(jù)《石油化工儀表系統(tǒng)防雷工程設計規(guī)范》進行儀表系統(tǒng)防雷工程設計。SIL3 回路的現(xiàn)場儀表側及控制室（現(xiàn)場機柜室）側配置防雷電浪涌保護器。

在工廠調(diào)試完成后，有20% 已經(jīng)接好線的輸入/ 輸出(I/O) 點作為備用；在端子接線柜中，有20% 的裕量端子作為備用；在系統(tǒng)機柜中，有20% 的裕量空間用于安裝I/O 卡件。

在工廠調(diào)試完成后，處理器、數(shù)據(jù)存貯器和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的負載最高不超過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(tǒng)有30% 的擴展能力。

4.2 SIS 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

本項目采用冗余、容錯結構的故障安全型SIS 系統(tǒng)，安全等級達到SIL3。

根據(jù)圖2 罐區(qū)網(wǎng)絡結構圖，可見：罐區(qū)單元主要硬件設備為：1 臺系統(tǒng)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(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

Fig.2 SIS system network diagram

4.3 SIS 系統(tǒng)軟件要求

1) 軟件組態(tài)：編程語言應符合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/ 在線程序調(diào)試和現(xiàn)場裝置的維護。系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)診斷，工程，監(jiān)視和刪除故障功能。

4) 系統(tǒng)應提供重要的時序事件記錄（SOE）和過程歷史報告。

5 結束語

由于石油化工重大危險源本身存在的巨大危害性及其可能造成二次危害的特性，對于石油化工重大危險源的安全控制工作至關重要。對于儲存大量易燃易爆、可燃有毒介質(zhì)的化工項目，構成重大危險源的儲罐區(qū)采用安全儀表系統(tǒng)（SIS）進行安全監(jiān)控及聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的設計是符合時代發(fā)展趨勢的。