摘要：为保证石油生产安全，需加强对石油化工装置安全仪表的设计，建立健全的管理系统，对石油化工生产进行跟踪监测。文章介绍了石油化工装置安全仪表系统，阐述了该系统的设计方法，并结合实例分析了系统的设计与应用。

关键词：石油化工；安全仪表；多保护层结构 文献标识码：A 中图分类号：TP273

文章编号：2096-4137（2017）08-034-03 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2017.08.11

随着石油化工装置经济规模的不断扩大，生产自动化水平得到了提升，对安全管理的要求也日益严格。为保证化工设置生产安全，安全仪表系统受到了国家及相关生产企业的重视。国家安全监管总局针对化工安全仪表系统管理提出了明確的指导意见，需注重化工安全仪表系统设计、安装调试及操作维护管理等。若安全仪表系统功能不能正常发挥，系统设计存在多种缺陷，则易引发各类安全事故。因此，安全仪表系统的合理设计至关重要。

1 石油化工装置安全仪表系统概述

安全仪表系统（SIS）又被称为安全联锁系统、紧急停车系统、安全关联系统、安全停车系统等。该系统可对生产装置或设备可能存在的风险、控制风险范围进行分析和监测，并采取相应的措施，使其进入一个预定义的安全停车工况，可弱化故障的恶劣影响，有效控制影响范围，维护生产系统、设备以及环境、工作人员的生命安全。SIS在过程变量越限、机械设备、系统自身故障或是能源中断时，可以自动完成预先设定的动作，使操作人员、工艺装置转入安全状态。SIS自身是故障安全型系统，对硬件与软件的可靠性要求较高。

安全仪表系统主要由传感器、逻辑运算单元以及最终控制元件等共同组成，对工业安全进行层次化管理，如图1所示，其中最为关键的是工艺流程的确定以及选用的生产装置的运行性能。建立基本过程控制系统需对过程对象及运行状态进行严格监督。若运行状态超出了系统极限，系统则会自动将其设置为安全状态。预定条件参数主要包括压力高限、温度高限等。安全仪表可以对生产系统中的高风险工艺及危险状态进行检测，通过组态的连锁逻辑对现场的电磁阀进行控制，进行切断或导通等处理，从而保证生产工作人员的安全。

2 石油化工装置安全仪表系统设计分析

2.1 分类与选型设计

在安全仪表系统中，可以综合应用多种技术，如电气技术、电子技术、可编程技术等，优化系统性能。若安全仪表系统采用电子技术、电气技术方案，则可以通过继电器实现逻辑连锁过程，但是系统对于安全要求较高，则采用电子技术、电气技术会存在一定的局限性。对于运行规模较大的石油化工生产装置，因为长期、高负荷运行，且在线运行逻辑修改较多，工艺复杂，造成复杂的逻辑组态特别是用户对于故障冗余安全等级要求较高，历史事件记录信息量大，故障分析及相关数据需通信至DCS报警监控，分离DCS，对工艺生产进行跟踪监控，由此可见SIS安全仪表系统承担了装置的安全生产保护责任。所以，继电器式安全仪表系统已经不适用于现有生产现状，PES安全仪表系统已不能满足用户的多元化需求。随着安全生产安全性的提升，PES技术日益成熟，通过PES技术可实现安全仪表系统的安全联锁功能，也逐渐成为各专业系统的首要选择。基于以下几种情况，继电器适用性欠缺，如：定时器功能基联锁功能；高负荷运转、状态频繁变化；逻辑系统复杂等。通常情况下，安全仪表系统不得使用固态逻辑，若安全系统采用该逻辑，则需将PEC作为诊断测试的主要工具。

2.2 逻辑设计

石油化工装置安全仪表系统中的逻辑运算器是由继电器系统或可编程的电子系统组成，需依据化工生产安全管理的实际情况进行选择，或综合应用多种技术系统，保证实施效果。逻辑运算器中继电器系统多应用于输入、输出点较少以及逻辑较为简单的场合中；可编程电子系统可应用于输入、输出点较多及逻辑功能较为复杂的场合，可以与过程控制系统联合使用，保证系统中通信质量与效率。为了保证安全仪表系统运行的安全与可靠，石油化工装置安全仪表系统中的逻辑运算需合理设定安全等级，可以采用等级为SIL3的冗余或容错能力较强的可编程控制器。常见安全度等级为SIL3的逻辑元算器结构有二取一带自诊断（1002D）、三取二（2003）以及双重化二取一带自身段（2004D）等。

SIS逻辑设计的内容主要如下：对各种配置单元进行合理设置，可采用布尔运算结构，将SIS因果表输入/输出的对应关系表示出来。其中。逻辑单元主要包括与（AND）、或（OR）、非（NOT）、取反（NOT）、异或（XOR）等基本逻辑单元、延时开/关、低/高选器、“MOON”表决器、R-S触发器等。（1）SIS逻辑设计需与生产工艺密切结合，在满足正常工况下因果关系表的相关动作要求的同时，也能够保证在其他工况下系统也可正常运行。若在开车工况下，需要设置输入信号的低限联锁旁路，从而保证开车流程的正常操作。（2）SIS的逻辑设计，可采用负逻辑设计方法，也就是在正常状态下输入/输出的DI/DO信号状态显示为“1”，非正常状态下信号状态显示为“0”。SIS逻辑图中的所有逻辑单元均采用负逻辑设计方法，这样为后期的设计调整以及校验提供了便利。（3）每个SIS动作应设有自锁开关，在联锁停车工况下各运行参数符合开车条件，也可以人工恢复按钮。（4）SIS逻辑回路设计工作结束后，需要在各种工况下运行测试，避免出现死循环等逻辑错误，若存在此类错误需对系统设计进行调整，在项目组态完成后对SIS的输入/输出和逻辑控制功能进行测试。

2.3 可靠性设计

所谓可靠性是指系统在一定时间的间隔内发生故障的频率。系统的可靠性R0（t）是组成系统中的各单元可靠性（R1（t），R2（t），R3（t）…）的乘积，也就是：R0（t）=R1（t），R2（t），R3（t）。任一环节的可靠性下降都会对整体系统造成严重影响。通常会对石油化工装置安全仪表系统的可靠性十分重视，但是却忽略了检测元件以及执行元件的可靠性，造成系统中安全仪表系统可靠性差，风险的可控性较低。因此，需对安全仪表系统的可靠性进行合理设计，对系统的安全等级进行客观评估和认证，从而保证安全仪表系统作用正常

发挥。

3 石油化工装置安全仪表系统的实施

某厂甲醇制丙烯项目MTP固定床反应器超温联锁流程如图2所示。该反应过程为强放热反应，催化床层的热点温度过高则会造成反应温度失去控制，对于催化剂的稳定以及装置的运行安全造成不利影响。反应器的工况主要分为操作和再生两种。基于操作工况下，若反应器的内温度检测结果接近联锁限制，则会触动超温联锁动作，此时需关闭调节阀FV101以及FV103，切断阀UV101，后打开调节阀FV102，关闭进料电加热器E-101。处于再生工况下，该反应器为联锁停车状态，需单独复位调节阀FV103和进料电加热器E-101，备用。工艺气及再生气需独立使用。

因反应器催化床层具有易局部飞温特征，该SIS回路输入端可配置九个独立的热电偶TT101A-TT1011，采用“9取2”表决和设计，采用轴向3层、每层120度分布方式。输出端工艺气进料管线采用双阀切断配置，对FV101进调节，并切断UV101阀，将其设置为VI级密封。在SIS出发后，即可切断工艺进料，但是需保证再生工况下工艺气可以与再生气相互隔离，这样才能保证化工装置的运行安全。其他管路上的阀门采用单控制阀带双电磁阀串联配置，满足平衡装置的安全性以及经济性要求。该回路的SIS逻辑关系如图3所示：

如图3所示，逻辑设计中加设了R-S触发器模块，具有逻辑自鎖功能，其中R-S触发器为置位端，S为优先端，并且与SIS逻辑输入相连接，在连锁状态下可优先输出，在SIS输入没有恢复正常以前，该装置不能手动复位；设置操作/再生模式选择开关，可以满足不同工况下的操作需求；设置SIS输入旁路开关，可暂停旁路发生故障的SIS输入端，便于后期装置维护与检修；设有手动联锁开关，可以在非正常工况下人工紧急停车。图4设计的工艺流程经过生产运行检验，该SIS回路可以真实反映检测联锁的工况，在短时间内启动并完成联锁动作，也能够满足再生工况下的操作要求。由此可见，该系统设计工作科学合理，性能较好。

4 结语

综上所述，SIS是石油化工生产中为工艺生产装置或单元提供安全保障的安全系统之一，逐渐成为工业生产安全保护链中的重要环节之一。随着设计标准的更新以及新型技术的推广应用，石油化工装置安全仪表系统的设计与实施逐渐趋于标准化。另外，随着计算机控制技术、网络通信技术的发展与应用，其功能日益多元化，系统性能也得到了提升。因此，石油化工装置安全仪表系统的合理设计与实施可以保证系统地稳定运行。

参考文献

[1] 龚义文.安全仪表系统在化工装置中的应用[J].自动化仪表，2010，（12）.

[2] 高帅，左信，张惠良.重油催化装置安全仪表系统可靠性与安全性分析[J].石油化工自动化，2012，（4）.

（责任编辑：周加转）