基于安全仪表系统（SIS）在丙烯罐区的应用

基于安全仪表系统（SIS）在丙烯罐区的应用

徐洪伟

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摘要：针对丙烯罐区中存在的安全管理问题，探讨了基于SIS的应用。通过结合实际案例的方式，对具体问题进行剖析，利用现有的方法和技术以及安全工程、控制理论，给出科学的丙烯罐区SIS应用方案。经研究发现：（1）SIL 2级SIS系统的安全保护级别可有效满足对于压力仪表安全功能的风险控制；（2）执行元件在SIS中安全性最低，可采用切断阀选择单独设立、与控制系统分开以及冗余配置方式进行控制；（3）经计算安全仪表功能的平均危险失效率为4.0×10-3，符合SIL 2级别的要求。

关键词：安全仪表系统；丙烯罐；安全等级；应用；优化

0 引言

随着化工工业的不断发展，丙烯罐区安全问题越来越受到人们的关注，储罐的形式呈现大型化的发展趋势，由于溶液物料的特性所致，储罐存在的风险也不断增加。SIS是一种重要的安全管理技术，其在化工领域得到广泛应用。本文旨在探讨基于SIS系统在丙烯罐区的应用，以提高丙烯罐区的安全性能和降低事故发生的概率和严重性。目前关于SIS系统的研究多趋向于原理、结构和设计方法等方面，尚未有研究关注SIS系统在丙烯罐区的应用。丙烯罐区的复杂性和危险性给安全管理带来了巨大的挑战，因此有必要对SIS系统在该领域的应用进行深入研究[1]。针对SIS在丙烯罐区的应用将采用结合实际工程案例的方式，进行SIS的应用价值。根据研究发现，大多已建丙烯罐由于参照的设计标准不同，并未实现有效的安全防护功能，因此，针对丙烯罐区中存在的安全管理问题的治理势在必行。本次研究主旨更好的理解和掌握SIS系统在丙烯罐区的应用技术，提高化工工业的安全水平，为保障人民生命财产安全做出积极贡献。

1 案例概述

某厂运行的丙烯酸酯车间丙烯罐区由于建设时间较早，并未参照《石油化工企业设计防火标准》(GB 50160-2018)|、《压力容器》(GB 150.1~150.4-2011)、《液化烃罐区安全管理规范》(T/CCSAS 016—2022）、《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T 3007-2014)进行施工，缺少SIS的应用，无法满足功能安全国际标准IEC61508、SIS IEC61511-2016中的要求，在未配备独立的SIS的情况下，存在着重大生产安全隐患[2]。

2 SIS功能分析

2.1 SIS功能及风险分析

（1）紧急切断阀的相关要求

根据行业相关规定，以该厂区中单体丙烯罐为例，当罐体存在工艺条件压力过大的问题时极有可能造成密封或单元部件的功能的失效、损坏，严重时甚至会引起其他关联灾害以及人员的伤亡。而具有SIS的罐内压力过高时将会触发调节阀，火炬气突破水封罐的水封进入火炬，并通过自动点火器引燃后排放，若此时调节阀存在异常无法启动便会启用罐体顶部的安全阀进行泄压，系统中另设置有泄压旁通阀，在紧急情况下也可采用人工的方式进行处理，从而避免施工的发生。此外，当丙烯罐内液位超过阈值时，SIS将在向控制室报警的同时切断进料阀，而液位低于设定值时同样会发出保护联锁信号，避免空抽。

2.2 SIS的相关要求

依据《石油化工安全仪表系统设计规范》(GB 50770-2013)中的规定，SIS的应用需要符合：具有独立系统、满足设定值后能够实现有效的安全控制、属性应为故障安全型、配备全面的硬件与软件诊断测试功能、配备独立的传感器及终端执行元件、SIS中所包含的保护功能单元应具有最高安全等级。

2.3 SIL等级确定

为确保SIS的应用效果，在实际应用前需要对可能产生的后果和事故发生频率进行系统地评估，从而获得有效的安全功能等级。根据不同风险后果影响因素以及SIL等级判定内容（如图1所示）进行SIL等级的确定。

图1 不同风险后果影响因素以及SIL等级判定内容

根据上述内容最终确定综合SIL等级为SIL2级以实施对于压力仪表安全功能的风险控制。

3 SIS在丙烯罐区的应用

3.1 SIS系统架构

研究所选用的结构主要由电源、I/O、主机架、辅机架、CU模块、bus总线、通讯模块等部件构成(如图2所示)，所搭配的机架结构则由主机架、子机架、冗余子机架、卡件、卡件中的通道、开关、CU、通讯接口等构成。

图2 SIS系统架构结构图

3.2 SIS设备选择

虽然SIS的综合SIL等级为SIL2级，但不同单元逻辑结构却需要具有相对应的安全要求（如表1所示）。而对于SIS而言，丙烯罐压力的变送器应为隔爆型，并进行冗余设置，并通过去除安全栅以及报警设定单元的方式减少SIS的中间环节。

表1 SIS逻辑结构选择表

SIS的逻辑控制器主要是由继电器系统、可编程序电子系统构成，可单独应用也可根据需求进行混用，其中继电器系统适用于输入输出点少、逻辑功能简单的场景，可编程序电子系统适用于输入输出点较多、逻辑功能复杂、以及需要与过程控制系统进行数据传输的场景。本研究中所应用的输入输出点低于40，结合实际情况以及成本因素，最终确定采用继电器组件与控制系统分开的形式，以2取1输入表决联锁

[4]。最终执行元件通常具有较低的可靠性，但由于SIS须满足SIL2等级，因此切断阀应作为独立原件，与控制系统分开以及冗余配置方式进行控制[3]。

3.3 要求时的失效概率

为评估SIS应用的有效性，需要针对其SIL等级进行要求时的失效概率的评估，具体方法采用故障树分析（FTA）计算要求时的平均失效概率（PFDavg）。失效率数据工业数据库、实际记录为主，经过整理获得失效率数据（如表2所示）。

表2 失效率数据

本研究中设仪表故障的在线修复时间为8h、装置的检修周期作为测试周期为3y；一次无故障停车后装置重启的时间为24 h[5]。当假定测试为理想状态时共因失效系数β=0.05，通过泰勒展开式并取前2项可得到：罐区压力变送器loo2逻辑时传感器PFDavg loo2=1.80×10-4；当逻辑控制器安全失效率为0时，PFDavg=2.18×10-5；执行器冗余设置采用loo2逻辑，切断阀和电磁阀PFDavg loo2=3.8×10-3。综上计算，安全仪表功能PFDavg=4.0×10-3，即SIS综合SIL等级符合SIL2等级。

4 结论与展望

本文通过对基于SIS在丙烯罐区的应用，利用现有的方法和技术以及安全工程、控制理论，给出科学的丙烯罐区SIS应用方案，经研究发现：

（1）SIL 2级SIS系统的安全保护级别可有效满足对于压力仪表安全功能的风险控制；

（2）执行元件在SIS中安全性最低，可采用切断阀选择单独设立、与控制系统分开以及冗余配置方式进行控制；

（3）经计算安全仪表功能的平均危险失效率为4.0×10-3，符合SIL 2级别的要求。

因此，利用SIS系统能够有效地提高丙烯罐区的安全性能，减少事故发生的概率和严重性，不仅具有实际应用价值，而且可为类似领域的研究提供参考[6]。对于以后的过程控制工业的发展来说，希望SIS系统的造价可以更加的经济、廉价，可以运用在更多的过程控制工业中，这样的话，带来了很好的经济价值，工业生产过程就会减少人、设备等的损失，还可以实现工业永远不停车，可以持续的进行工业产出，带来更多的经济利益。

参考文献：

[1]柴金柱. 安全仪表系统（SIS）在丙烯罐区的应用与分析[J]. 石油化工安全环保技术, 2022, 38(03): 43-47.

[2]王丽君. 石油化工罐区安全仪表系统的SIL验证[J]. 石油化工自动化, 2021, 57(S1): 29-34.

[3]李传真. 重大危险源罐区安全仪表的升级与改造[J]. 辽宁化工, 2021, 50(06): 795-798.

[4]  黄璇,孙美亭,马艳梅.某化工厂重大危险源罐区安全仪表系统(SIS)设计[J].中国科技期刊数据库 工业A,2022(9):0041-0043.

[5]  刘畅达.丙烯原料中甲醇杂质对聚合反应的影响分析及其应对措施研究[J].当代化工研究,2023(10):24-26.

[6]  张路杰,翟红明,屠金财.液氨罐区SIS安全仪表系统在众泰煤焦化的应用研究[J].安徽化工,2018(3):103-104.