危化生產(chǎn)安全保護系統(tǒng)的解決方案

1、?；a(chǎn)安全保護系統(tǒng)的解決方案 江蘇凱茂石化科技有限公司 李洪偉 杭州和利時自動化有限公司 溫宜明一、前言為了貫徹 “十二五” 中國甲醛行業(yè)發(fā)展規(guī)劃的需要，在落實好節(jié)能減排、清潔化工生產(chǎn)的同時，促進安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化（AQ3013-2008）全面規(guī)范達標(biāo)。中國甲醛行業(yè)2013年11月15-19日南京年會授權(quán)江蘇凱茂石化科技有限公司為中國甲醛行業(yè)協(xié)會創(chuàng)新研發(fā)基地，將進一步引領(lǐng)推進全行業(yè)的工藝、技術(shù)、設(shè)備創(chuàng)新和量化管理、安全管理有效實施。江蘇凱茂石化科技有限公司是世界最大銀法甲醛成套技術(shù)和設(shè)備供應(yīng)商，是甲醛行業(yè)協(xié)會副理事長單位、多聚甲醛行業(yè)協(xié)會副理事單位、中國甲醛行業(yè)技術(shù)進步促進委員會單位、化工學(xué)報常

2、務(wù)理事單位、中國甲醛網(wǎng)運營單位。具有一流的國內(nèi)化工工藝、化機設(shè)備、電氣儀表、系統(tǒng)控制和安全專家。通過對國內(nèi)外自動化控制系統(tǒng)的調(diào)查，杭州和利時自動化有限公司現(xiàn)場總線式結(jié)構(gòu)的集散控制系統(tǒng)相應(yīng)速度快，且構(gòu)成的ESD系統(tǒng)軟硬件取得了SIL3級安全認(rèn)證，符合當(dāng)前我國安全生產(chǎn)監(jiān)督管理中對“重點監(jiān)管的危險化學(xué)品安全措施和應(yīng)急處置原則”通知中實施ESD（電子安全裝置）報警聯(lián)鎖緊急停車的要求。2013年11月14日雙方達成聯(lián)合開發(fā)甲醇原料危險工藝安全監(jiān)控系統(tǒng)ESD合作協(xié)議。 在近三年?；に嘐SD技術(shù)改造中，雙方已成功應(yīng)用于甲醇氧化工藝、合成氨工藝、制氫、加氫、聚合、裂解等危險工藝的安全監(jiān)控。 為了盡快適應(yīng)以甲

3、醇為原料的危險化學(xué)品工藝裝置、及企業(yè)界內(nèi)的生產(chǎn)、儲存設(shè)施的安全監(jiān)控系統(tǒng)，雙方充分交流并達成如下共識：1、為甲醇、甲醛行業(yè)提供ESD系統(tǒng)現(xiàn)場信號控制柜、ESD現(xiàn)場監(jiān)控站及安全工程師站。2、為客戶提供危險工藝安全技術(shù)工藝包和安全法律法規(guī)實時跟進工作。3、研發(fā)適應(yīng)現(xiàn)場條件的立式和掛式結(jié)構(gòu)ESD現(xiàn)場信號控制柜。4、提供安全適用的變送器、傳感器、信號隔離器、執(zhí)行器配套工作。5、負責(zé)與各地設(shè)計院、安監(jiān)部門專家組審查溝通工作。6、 提供ESD合理解決方案，參加現(xiàn)場工程服務(wù)。二、安全保護系統(tǒng)簡介石油化工行業(yè)作為工業(yè)領(lǐng)域中的重要分支，其工藝流程決定了其高危險性，一旦發(fā)生事故就會造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如圖

4、1所示，在石油化工行業(yè)的安全保護級別中，安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，簡稱SIS）是其中關(guān)鍵的一環(huán)，安全等級高于常規(guī)控制系統(tǒng)，需要有第三方認(rèn)證證書來證明其安全性。圖1 石油化工行業(yè)安全保護級別國際上的安全儀表系統(tǒng)的研究與開發(fā)起始于20世紀(jì)60年代，早期的系統(tǒng)設(shè)計以氣動元件和機電元件為主。到70年代，由簡單的繼電器組合邏輯系統(tǒng)發(fā)展為微處理器和可編程序調(diào)節(jié)器（PLC或PC），并且由簡單的單機系統(tǒng)發(fā)展為冗余表決系統(tǒng)和容錯系統(tǒng)。1996年，美國儀表協(xié)會制定完成了第一個關(guān)于安全儀表系統(tǒng)的美國標(biāo)準(zhǔn)ISA S84.01-1996，該標(biāo)準(zhǔn)對安全儀表系統(tǒng)應(yīng)用過程中涉及到的設(shè)

5、計、安裝、應(yīng)用與維護等方面作出了全面的規(guī)定。隨后，國際電工委員會也在2000年完成了IEC61508國際標(biāo)準(zhǔn)，即電氣、電子、可編程電子系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，不久又完成了用于過程控制工業(yè)的國際功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61511。其中IEC61508的頒布標(biāo)志著功能安全作為獨立的安全學(xué)科進入到實際的應(yīng)用階段。中國目前相關(guān)的規(guī)范主要有石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范（SH/T3108-2003）和工業(yè)生產(chǎn)過程中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用（SY/T10045-2003）等，國內(nèi)對于功能安全的研究目前還處于起步階段，安全儀表系統(tǒng)完全依賴于國外產(chǎn)品，據(jù)權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計2010年的安全保護系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備采購金額約15億人民幣。與常規(guī)

6、控制系統(tǒng)（DCS）相比，SIS系統(tǒng)具有如下特點：1、常規(guī)控制系統(tǒng)關(guān)注可靠性和可用性，安全保護系統(tǒng)更關(guān)注安全性和可用性，所以安全保護系統(tǒng)采用故障安全設(shè)計。2、安全保護系統(tǒng)通過安全等級分級對安全回路的安全性進行了量化，而常規(guī)控制系統(tǒng)的安全性是無法保障的。三、和利時安全儀表系統(tǒng)-HiaGuard介紹1 系統(tǒng)概述HiaGuard系統(tǒng)是和利時集團面向過程工業(yè)自動化安全應(yīng)用開發(fā)的一套安全儀表系統(tǒng)（SIS）。該系統(tǒng)通過TÜV Rheinland Industrie Service GmbH（德國TÜV萊茵）認(rèn)證，滿足IEC61508/IEC61511中定義的SC3系統(tǒng)能力等級和SIL3安

7、全完整性等級。依據(jù)IEC61508/IEC61511/IEC50156-1標(biāo)準(zhǔn)要求，HiaGuard系統(tǒng)可應(yīng)用于要求安全完整性等級為SIL3及以下的安全相關(guān)應(yīng)用。HiaGuard系統(tǒng)采用帶診斷的三取二架構(gòu)（2oo3D），適用于包括緊急停車系統(tǒng)（Emergency Shutdown System，簡稱ESD）、火氣監(jiān)測系統(tǒng)（Fire & Gas System，簡稱FGS）、燃燒爐管理系統(tǒng)（Burner Management System，簡稱BMS）、緊急跳閘系統(tǒng)（Emergency Trip System，簡稱ETS）、過程停車系統(tǒng)（Process Shutdown System，簡稱

8、PSD）以及關(guān)鍵過程控制（Critical Process Control）等應(yīng)用。2 系統(tǒng)組成圖2.1 HiaGuard系統(tǒng)組成HiaGuard系統(tǒng)由安全工程師站、操作員站及硬件平臺三部分組成（如圖2.1所示），其中安全工程師站軟件作為IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中定義的T3工具，也通過了德國TÜV萊茵公司認(rèn)證。圖 2.2 系統(tǒng)架構(gòu)圖系統(tǒng)采用完全的三重化結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)在安全回路中，包括輸入模塊、控制器和輸出模塊?？刂破髦g以及控制器與I/O模塊之間通過三重化的帶有安全層協(xié)議的安全通訊鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通訊模塊和I/O模塊可冗余配置，方便維修的同時也增加了系統(tǒng)可用性。通訊模塊內(nèi)置防火墻功能，能夠

9、阻止惡意的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和病毒攻擊，確保網(wǎng)絡(luò)安全。圖2.3 SIS與DCS集成示意圖如圖2.3所示，與和利時DCS集成時可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)SIS側(cè)過程信息、設(shè)備信息和報警信息的共享，并和DCS共用操作員站；與第三方DCS集成時通過RS485接口，采用MODBUS RTU協(xié)議，SIS信息可在DCS側(cè)操作員站顯示。圖 2.4 安全回路數(shù)據(jù)流系統(tǒng)采用了帶診斷的多重表決機制來剔除異常數(shù)據(jù)，確保高可用性和高安全性。多重表決機制的數(shù)據(jù)流如圖2.4所示，每個掃描周期內(nèi)安全回路的數(shù)據(jù)流如下所述：n 現(xiàn)場傳感器信號通過輸入端子模塊將信號分配到三重化的輸入通道；n 每系輸入通道通過I/O總線將本系輸入數(shù)據(jù)發(fā)送給本系控制器

10、；n 三系控制器通過CPU 總線交換輸入數(shù)據(jù)，每系控制器得到三份輸入數(shù)據(jù)；n 每系控制器表決三份輸入數(shù)據(jù)，用表決結(jié)果運行用戶組態(tài)邏輯，得到本系輸出數(shù)據(jù)；n 三系控制器通過CPU總線交換輸出數(shù)據(jù)，每系控制器得到三份輸出數(shù)據(jù)；n 每系控制器表決三份輸出數(shù)據(jù)，得到表決后的輸出數(shù)據(jù)；n 每系控制器通過I/O總線發(fā)送輸出數(shù)據(jù)到本系的輸出通道；n 每系輸出通道通過三取二（2oo3）硬件表決電路得到輸出到輸出端子模塊的信號；n 輸出信號通過輸出端子板輸出到現(xiàn)場執(zhí)行器。3 系統(tǒng)特點作為國內(nèi)唯一具有自主知識產(chǎn)權(quán)的安全儀表系統(tǒng)，HiaGuard系統(tǒng)能夠在確保系統(tǒng)安全性、可用性及易用性的同時滿足不同用戶要求。下面將

11、HiaGuard系統(tǒng)的特點概述如下：n 從輸入到控制到輸出采用完全的三重化架構(gòu)（2oo3D）。n 安全回路可用性最少可達99.999%。n 系統(tǒng)響應(yīng)時間可以做到30ms以內(nèi)，對危險工況反應(yīng)更及時。n 部分診斷方法可滿足SIL4等級要求，因此系統(tǒng)中診斷不到的危險失效更低，系統(tǒng)更安全。n 現(xiàn)場提供了豐富的現(xiàn)場接線診斷功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場接線故障，排除安全隱患。n 作為安全回路中的重要一環(huán)，平均要求危險失效概率（PFDavg）可低至整個安全回路的10%以下，便于安全回路其他部件的選擇。n 具有獨立的通訊模塊，且通訊模塊內(nèi)置防火墻，可有效阻止外部網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和病毒對安全回路的影響，通訊模塊失效則安全回路

12、的安全性不受影響。n 控制站內(nèi)及控制站間的SOE精度可達到1ms。n 與和利時DCS可以在以太網(wǎng)層面實現(xiàn)信息集成，共用HMI界面，DCS側(cè)失效不影響SIS側(cè)安全。n 軟件操作界面及手冊完全中文，便于國內(nèi)用戶使用。四、典型應(yīng)用方案2009年國家安監(jiān)總局【116號文】規(guī)定了15種危險化學(xué)工藝必須要采用安全儀表系統(tǒng)，2013年3月又新增了3種危險化學(xué)工藝，這三種危險化學(xué)工藝中就包括“新型煤化工工藝”，包括煤制油(甲醇制汽油、費-托合成油)、煤制烯烴（甲醇制烯烴）、煤制二甲醚、煤制乙二醇（合成氣制乙二醇）、煤制甲烷氣（煤氣甲烷化）、煤制甲醇、甲醇制醋酸等工藝。在“新型煤化工工藝”中，重點監(jiān)控工藝參數(shù)包

13、括：反應(yīng)器溫度和壓力；反應(yīng)物料的比例控制；料位；液位；進料介質(zhì)溫度、壓力與流量；氧含量；外取熱器蒸汽溫度與壓力；風(fēng)壓和風(fēng)溫；煙氣壓力與溫度；壓降；H2/CO比；NO/ O2比；NO/ 醇比；H2、H2S、CO2含量等。 “新型煤化工工藝”對于安全控制的基本要求可以概括為：反應(yīng)器溫度、壓力報警與聯(lián)鎖；進料介質(zhì)流量控制與聯(lián)鎖；反應(yīng)系統(tǒng)緊急切斷進料聯(lián)鎖；料位控制回路；液位控制回路；H2/CO比例控制與聯(lián)鎖；NO/O2比例控制與聯(lián)鎖；外取熱器蒸汽熱水泵聯(lián)鎖；主風(fēng)流量聯(lián)鎖；可燃和有毒氣體檢測報警裝置；緊急冷卻系統(tǒng)；安全泄放系統(tǒng)。 “新型煤化工工藝”涉及的裝置宜采用的控制方式包括：將進料流量、外取熱蒸汽流

14、量、外取熱蒸汽包液位、H2/CO比例與反應(yīng)器進料系統(tǒng)設(shè)立聯(lián)鎖關(guān)系，一旦發(fā)生異常工況啟動聯(lián)鎖，緊急切斷所有進料，開啟事故蒸汽閥或氮氣閥，迅速置換反應(yīng)器內(nèi)物料，并將反應(yīng)器進行冷卻、降溫。 考慮到安全保護系統(tǒng)和常規(guī)控制系統(tǒng)要“相互獨立”的原則，典型的保護方案示意如圖3.1所示：根據(jù)不同工藝、不同裝置的危險程度，以HAZOP分析結(jié)果為依據(jù)，確定安全回路的冗余方式（單通道、雙冗余還是三冗余）及部件的安全等級（比如安全回路中的傳感器需要為SIL2等級還是SIL3等級），安全回路中的部件和常規(guī)控制回路中的部件完全獨立，避免兩系統(tǒng)間耦合（比如共用電源）造成的同時失效。圖3.1 安全儀表系統(tǒng)和常規(guī)控制系統(tǒng)“氧化工藝”是國家安監(jiān)總局規(guī)定的15種危險化學(xué)工藝中的第十種，安全控制的基本要求是：（氧化）反應(yīng)溫度、（系統(tǒng)）壓力的報警和聯(lián)鎖（停止風(fēng)機）；反應(yīng)物料的比例（氧醇摩爾比）控制和聯(lián)鎖及緊急切斷系統(tǒng)（甲醇供料閥、羅茨風(fēng)機、尾