安全儀表系統(tǒng)

輸油管道安全儀表系統(tǒng)

雍永鵬華東管道設(shè)計研究院2015.05.261一、輸油管道安全儀表系統(tǒng)提出的背景二、安全儀表系統(tǒng)基本概念介紹三、輸油管道安全儀表系統(tǒng)設(shè)計方案四、主流安全儀表系統(tǒng)介紹目錄輸油管道安全儀表系統(tǒng)提出的背景2一、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及法律法規(guī)1、國際標(biāo)準(zhǔn)◆IEC61508《電氣、電子、可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》◆IEC61511《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》

在安全儀表領(lǐng)域，IEC61508，IEC61511提供了很好的國際通用技術(shù)規(guī)范和參考。IEC于2000年5月發(fā)布了IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，2003年1月頒布IEC61511標(biāo)準(zhǔn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)有很密切的關(guān)系，IEC61508標(biāo)準(zhǔn)是綜合性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，主要為裝置的制造商和使用，IEC61511可以說是IEC61508的延續(xù)，主要針對具體的儀器儀表設(shè)計者和使用者。一、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及法律法規(guī)2、國標(biāo)及行標(biāo)◆GB/T20438《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》(等同采用IEC61508)◆

GB/T21109《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》（等同采用IEC61511）◆GB/T50770-2013石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范（針對石油化工廠或裝置）◆SY/T6966-2013《輸油氣管道工程安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（2014年4月1日實施，適用于陸上原油、成品油和天然氣管道）

一、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及法律法規(guī)3、法律法規(guī)一、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及法律法規(guī)3、法律法規(guī)◆國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見（安監(jiān)總管三〔2014〕116號）“從2016年1月1日起，大型和外商獨資合資等具備條件的化工企業(yè)新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學(xué)品儲存設(shè)施，要按照本指導(dǎo)意見的要求設(shè)計符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全儀表系統(tǒng)?！薄皬?018年1月1日起，所有新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學(xué)品儲存設(shè)施要設(shè)計符合要求的安全儀表系統(tǒng)。其他新建化工裝置、危險化學(xué)品儲存設(shè)施安全儀表系統(tǒng)，從2020年1月1日起，應(yīng)執(zhí)行功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計符合要求的安全儀表系統(tǒng)。

”

二、行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1、行業(yè)現(xiàn)狀中石油西氣東輸、西部原油成品油管道、蘭鄭長成品油管道、中緬油氣管道等國內(nèi)重點長輸管道工程已設(shè)置獨立的安全儀表系統(tǒng)。

中石化川氣東送管道、涪陵-王場頁巖氣管道等輸氣管道已設(shè)置獨立的安全儀表系統(tǒng)；儀長復(fù)線儀征至九江段是管道公司第一條獨立設(shè)置安全儀表系統(tǒng)的管道，目前正在建設(shè)中。二、行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2、發(fā)展趨勢

◆輸油管道安全儀表系統(tǒng)獨立于過程控制系統(tǒng)，單獨設(shè)置；

◆輸油管道安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)合并設(shè)計，提高過程控制系統(tǒng)PLC安全完整性等級，滿足安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級要求。安全儀表系統(tǒng)基本概念介紹一、系統(tǒng)的定義1、基本過程控制系統(tǒng)（BPCS，basicprocesscontrolsystem）

不執(zhí)行任何SIL≥1以上的安全儀表功能，響應(yīng)過程測量以及其它相關(guān)設(shè)備、其它儀表、控制系統(tǒng)或操作員的輸入信號，按過程控制規(guī)律、算法、方式，產(chǎn)生輸出信號實現(xiàn)過程控制及其相關(guān)設(shè)備運行的系統(tǒng)。2、安全儀表系統(tǒng)（SIS，safetyinstrumentedsystem）

用來實現(xiàn)一個或多個安全儀表功能的儀表系統(tǒng)。3、緊急停車系統(tǒng)（ESD，emergencyshutdownsystem）

當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)緊急情況時，應(yīng)在允許的時間內(nèi)做出響應(yīng)，及時地發(fā)出保護信號，對管道或現(xiàn)場設(shè)備進行安全保護的系統(tǒng)。一、系統(tǒng)的定義3、火災(zāi)及可燃氣體報警系統(tǒng)（FGS，fire&gasalarmSystem）

能夠檢測到工藝裝置區(qū)火災(zāi)及可燃氣體泄漏并發(fā)出報警的系統(tǒng)。4、消防控制系統(tǒng)

接收火災(zāi)信號，并按預(yù)設(shè)邏輯完成各項消防功能的控制系統(tǒng)。二、系統(tǒng)間相互關(guān)系

站控制系統(tǒng)宜由基本過程控制系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)和消防控制系統(tǒng)組成。1、未設(shè)置消防控制系統(tǒng)的站場，火災(zāi)和可燃氣體報警系統(tǒng)報警信號應(yīng)引入安全儀表系統(tǒng)。2、

設(shè)置消防控制系統(tǒng)的站場，火災(zāi)和可燃氣體報警系統(tǒng)應(yīng)納入消防控制系統(tǒng)。消防控制系統(tǒng)啟動信號、報警信號引入安全儀表系統(tǒng)，由安全儀表系統(tǒng)完成相關(guān)的聯(lián)鎖保護。二、系統(tǒng)間相互關(guān)系二、系統(tǒng)間相互關(guān)系三、術(shù)語及定義1、安全完整性等級（SIL，safetyintegritylevel）

用來規(guī)定分配給安全儀表系統(tǒng)的儀表安全功能的安全完整性要求的離散等級（4個等級中的一個）。SIL4是安全完整性的最高等級，SIL1為最低等級。2、安全儀表功能（SIF,safetyinstrumentedfunction）

具有某個特定SIL等級，用以達到功能安全的安全功能。它既可以是一個儀表安全保護功能，也可以是儀表安全控制功能。三、術(shù)語及定義IEC61508中對安全完整性等級SIL的定義為：在一定時間，一定條件下，安全相關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行其所規(guī)定的安全功能的可能性。選擇安全完整性等級的目的是通過降低風(fēng)險發(fā)生的概率把系統(tǒng)的風(fēng)險降低到一個可以接受的等級。安全儀表功能就是當(dāng)潛在危險發(fā)生時安全儀表系統(tǒng)為了整個過程的安全所采取的動作。安全儀表功能要做的第一件事判別危險的出現(xiàn)。接下來考慮安全儀表功能動作后要將過程帶入什么樣的安全狀態(tài)。最后安全儀表功能具體應(yīng)該做什么才能使過程進入安全狀態(tài)三、術(shù)語及定義3、危險與可操作性分析（HAZOP,hazardandoperabilitystudy）

由有經(jīng)驗的多專業(yè)的專家小組對工藝裝置的設(shè)計和操作提出有關(guān)安全上的問題，共同討論解決問題的方法。4、故障安全failsafe

安全儀表系統(tǒng)發(fā)生故障時，被控制過程將轉(zhuǎn)入預(yù)定安全狀態(tài)。四、安全儀表系統(tǒng)基本原則1、獨立設(shè)置原則

當(dāng)安全完整性等級為SIL2及以上時，安全儀表系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)應(yīng)分開設(shè)置；安全儀表系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)合用時，共用部分應(yīng)與安全完整性等級相適應(yīng)。獨立設(shè)置包括三個方面：檢測元件、執(zhí)行元件、邏輯控制器等。2、故障安全原則執(zhí)行元件電磁閥應(yīng)為勵磁回路；開關(guān)量檢測元件應(yīng)為常閉或帶診斷功能的接點。四、安全儀表系統(tǒng)基本原則3、優(yōu)先原則安全儀表系統(tǒng)的動作應(yīng)優(yōu)先于基本過程控制系統(tǒng)；執(zhí)行元件應(yīng)無條件的接受和執(zhí)行安全儀表系統(tǒng)的邏輯控制單元的命令。4、最簡原則應(yīng)減少安全儀表系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)；邏輯控制單元與檢測元件、執(zhí)行元件間均應(yīng)采用硬線方式直接連接。輸油管道安全儀表系統(tǒng)設(shè)計方案下面簡要介紹儀長復(fù)線儀征至九江段（下面簡稱儀九線）安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計方案。一、儀九線安全儀表系統(tǒng)提出的背景2014年年初，國家安監(jiān)總局先后組織西氣東輸三線和儀九線的安全評價報告的驗收會，這是在中石化青島11.22事故后國家安監(jiān)局組織的首批油氣管道的安全評價報告的驗收。在此背景下，與會專家提出明確儀九線安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計原則和主要回路的安全完整性等級。

為提高儀九線運行的安全性，在經(jīng)過廣泛調(diào)研和深入討論后，儀九線獨立設(shè)置安全儀表系統(tǒng)，主要回路SIL等級定為2級，設(shè)置獨立的安全儀表PLC，進出站ESD閥門執(zhí)行機構(gòu)由電動改為電液聯(lián)動。二、安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計原則

安全完整性原則：對每項安全儀表回路確定適當(dāng)?shù)陌踩暾缘燃墸?/p>

獨立設(shè)置原則：當(dāng)安全完整性等級為SIL2及以上時，SIS與過程控制系統(tǒng)從功能和結(jié)構(gòu)上分離設(shè)置；當(dāng)安全完整性等級為SIL1時，SIS與過程控制系統(tǒng)合用，共用設(shè)備有SIL認(rèn)證并應(yīng)滿足SIL1要求。

主要回路的SIL等級：

給油泵入口管線壓力超低、輸油泵入口匯管壓力超低、輸油泵出口匯管壓力超高、出站壓力超高等安全儀表回路為SIL2。

泵機組停車、液位超限聯(lián)鎖等安全儀表回路的安全完整性等級為SIL1，安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)合用,共用設(shè)備滿足SIL1要求。三、檢測儀表1、檢測儀表主要包括：◆壓力檢測儀表：給油泵入口管線、輸油泵入口匯管、輸油泵出口匯管、出站壓力設(shè)置壓力變送器。◆可燃氣體探測器及火焰探測器：在閥組區(qū)、泵區(qū)、計量區(qū)、罐區(qū)等應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測器；在泵區(qū)、儲罐區(qū)宜設(shè)置火焰探測器?！鬍SD按鈕：站控制室操作臺應(yīng)設(shè)置ESD按鈕；站場的工藝設(shè)備區(qū)通道旁應(yīng)設(shè)置ESD按鈕。三、檢測儀表2、檢測儀表設(shè)置原則：◆獨立設(shè)置原則：對于SIL1安全儀表功能回路，其檢測元件可與基本過程控制回路共用；對于SIL2以上安全儀表功能回路，其檢測元件應(yīng)獨立設(shè)置?！羧哂嘣O(shè)置原則：對于SIL1安全儀表功能回路，可采用單一的檢測元件。對于SIL2安全儀表功能回路，宜采用冗余的檢測元件。對于SIL3安全儀表功能回路，應(yīng)采用冗余的檢測元件。三、檢測儀表檢測儀表的冗余設(shè)置方式有以下三種：當(dāng)系統(tǒng)要求高安全性時，應(yīng)采用1oo2；當(dāng)系統(tǒng)要求高可用性時，應(yīng)采用2oo2；當(dāng)系統(tǒng)的安全性和可用性均需保障時，宜采用2oo3。三、檢測儀表四、執(zhí)行元件1、執(zhí)行元件主要包括：

◆輸油管道進、出站管線應(yīng)設(shè)置緊急關(guān)斷閥（ESDV）；

◆輸油管道儲油罐區(qū)的進、出匯管宜設(shè)置緊急關(guān)斷閥（ESDV）；◆輸油管道燃料油（氣）的入口管線應(yīng)設(shè)置緊急關(guān)斷閥（ESDV）；

◆輸油泵；

◆加熱爐

。

對于儀九線來說，安全儀表系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要為進、出站緊急關(guān)斷閥（ESD閥）。四、執(zhí)行元件2、執(zhí)行元件的設(shè)置原則：◆SIL1安全儀表功能回路，閥門可與基本過程控制系統(tǒng)共用?！鬝IL2安全儀表功能回路，閥門宜與基本過程控制系統(tǒng)分開。當(dāng)閥門與基本過程控制系統(tǒng)共用時，配套的電磁閥應(yīng)分別設(shè)置?！鬝IL3安全儀表功能回路，閥門應(yīng)與基本過程控制系統(tǒng)分開。四、執(zhí)行元件3、執(zhí)行機構(gòu)的冗余設(shè)置原則：SIL2安全儀表回路，宜采用冗余控制閥。如采用單一的控制閥，其配套的電磁閥應(yīng)冗余設(shè)置。采用冗余控制閥或電磁閥時，冗余方式宜采用1oo2邏輯結(jié)構(gòu)。但在實際工程中為了節(jié)省建設(shè)和維護成本，大多不會采用執(zhí)行機構(gòu)串、并聯(lián)的方式，那么在這種情況下，如何滿足功能回路的SIL等級要求呢？解決方案：在執(zhí)行機構(gòu)回路中串、并聯(lián)電磁閥。四、執(zhí)行元件4、儀九線ESD閥介紹：

儀九線干線進出站采用34”CL600開維喜球閥，配套德國法奧克電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)SEHAZ-E-1-125-KSP

四、執(zhí)行元件

四、執(zhí)行元件技術(shù)特點：FAHLKE電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)為一體化（電動液壓與手動液壓獨立配置）、模塊化、高集成化裝置。其中包括集成型電液動力裝置、活塞式蓄能器、聯(lián)軸器、獨立的手動泵、電磁閥、集成安全閥和單向閥、按鈕、接線盒、電控箱以及其它附屬設(shè)備。ESD通道的電磁閥采用長期勵磁型，斷電時關(guān)閥，ESD電磁閥供電由安全儀表系統(tǒng)單獨提供。

帶儲能器，在閥門掉電情況下，可滿足三個行程的動作。

五、安全儀表PLC1、安全儀表PLC應(yīng)與SIL等級相適應(yīng)；2、安全儀表PLC冗余設(shè)置原則：◆對于SIL2安全儀表功能回路，宜采用冗余的邏輯控制單元。其中央處理單元、電源模塊、通訊網(wǎng)絡(luò)與接口等應(yīng)冗余配置，輸入、輸出模塊宜冗余配置?！魧τ赟IL3安全儀表功能回路，應(yīng)采用冗余的邏輯控制單元。其中央處理單元、電源模塊、輸入、輸出模塊及通訊網(wǎng)絡(luò)與接口等均應(yīng)冗余配置。五、安全儀表PLC3、安全儀表PLC的冗余結(jié)構(gòu)在構(gòu)建一個安全系統(tǒng)時，可以有很多方式來安排安全系統(tǒng)部件，主要考慮系統(tǒng)的可用性和安全性，側(cè)重點不同則冗余結(jié)構(gòu)的選擇不同。◆1oo2兩個控制器并行處理和連線可以降低單個PLC危險失效的影響，兩個輸出電路采用串行連接，以防止任何一個控制器在危險的方式下失效。1oo2結(jié)構(gòu)具有高安全性，但降低了可靠性。

五、安全儀表PLC◆1oo2D

使用兩重1oo1D（一個帶有診斷功能的控制器通道，一個診斷通道利用串行連接構(gòu)成輸出回路）結(jié)構(gòu)，并有額外的控制線路。既有較高的可用性，又有較高的安全性。五、安全儀表PLC◆2oo3

帶有三個控制器單元，每個控制器單元帶有兩個輸出點，把三個控制器的各自兩個輸出點連接成表決電路，用表決的結(jié)果來決定真正的輸出信號。2oo3結(jié)構(gòu)即具有安全性又具有高可用性。

六、安全儀表系統(tǒng)功能1、ESD：在事故狀態(tài)下能使本站停運并與管道線路迅速隔離，緊急停車動作包括：打開全越站旁通閥、關(guān)閉進出站閥門、停主輸油泵、停給油泵、關(guān)閉油罐的進出口閥等。緊急停車動作的啟動命令來自于現(xiàn)場或站控緊急停車按鈕的直接觸發(fā)。2、超壓保護功能：給油泵入口壓力超低、輸油泵入口匯管壓力超低、輸油泵出口匯管壓力超高、出站壓力超高聯(lián)鎖本站停運，并與管道隔離，3、火災(zāi)及可燃氣體報警系統(tǒng)聯(lián)鎖保護功能。

六、安全儀表系統(tǒng)功能功能ESD分級觸發(fā)源聯(lián)鎖動作ESD站場ESD同一區(qū)域2個及以上火氣系統(tǒng)報警信號1、停所有的運行泵，關(guān)閉進出站ESD閥

2、切斷分輸支路

3、切斷電源（消防系統(tǒng)電源除外）

4、開啟站控室報警燈及喇叭

5、向全線水擊保護程序發(fā)出本站ESD啟動信號ESD手動按鈕動作調(diào)控中心ESD命令區(qū)域ESD無無單體設(shè)備ESD輸油主泵軸承溫度高高報警1、執(zhí)行單臺泵機組緊急停車輸油主泵振動高高報警泵殼溫度高高報警輸油主泵機械密封泄漏檢測高高報警電機軸承溫度高高報警電機軸承振動高高報警電機定子溫度高高報警加熱爐出口油溫高高報警1、由加熱爐系統(tǒng)的ESD邏輯控制單元完成邏輯控制，實現(xiàn)加熱爐單機緊急停車熱媒流量低低報警加熱爐排煙溫度高高報警加熱爐進風(fēng)溫度高高報警本地緊急停機信號冷卻風(fēng)機故障

六、安全儀表系統(tǒng)功能功能ESD分級觸發(fā)源聯(lián)鎖動作超壓保護

給油泵入口設(shè)置壓力變送器低低報警1、自動觸發(fā)順序停泵程序輸油泵機組入口匯管設(shè)置壓力變送器低低報警輸油泵機組出口匯管設(shè)置壓力變送器高高報警在出站設(shè)置壓力變送器高高報警減壓站出口管線上設(shè)置壓力變送器高高報警1、自動關(guān)閉減壓站入口閥水擊超前保護

首站故障停泵1、以全線安全儀表系統(tǒng)作為主控，各站控制系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)作為從控，組成站間聯(lián)動的超前保護系統(tǒng)。超前完成某些特定的水擊保護動作，如改變控制閥開度或邏輯順序停運泵機組。站場停電中間站外輸泵突然停車線路遠控截斷閥事故關(guān)閉不可越站的工藝站場ESD全線ESD

調(diào)度控制中心發(fā)出ESD命令1、觸發(fā)某個站的ESD2、從而連鎖觸發(fā)水擊保護程序。經(jīng)確認(rèn)危及管道安全運行造成環(huán)境破壞、人員傷亡的情況發(fā)生，如管線較大的泄漏、發(fā)生火災(zāi)等

七、供電與接地1、供電：安全儀表系統(tǒng)為SIL2時，電源宜由UPS電源雙回路供電；安全儀表系統(tǒng)為SIL3時，電源應(yīng)由UPS電源雙回路供電。

下圖為儀九線控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)圖：

七、儀表安裝及配線1、安全儀表功能回路為SIL2及以上時，現(xiàn)場儀表的取源口應(yīng)獨立設(shè)置。2、安全儀表系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)的電纜宜分開設(shè)置。3、所有信號電纜應(yīng)采用阻燃型屏蔽電纜。4、安全儀表系統(tǒng)的接線端子排應(yīng)獨立設(shè)置。5、安全儀表功能回路不應(yīng)共用同一公共線。6、不同電壓等級的電纜應(yīng)分開敷設(shè)。7、電纜應(yīng)連續(xù)敷設(shè)，中間不應(yīng)有接頭，直埋敷設(shè)的電纜應(yīng)采用鎧裝銅芯電纜。

八、HMI及報警安全儀表系統(tǒng)HMI應(yīng)顯示以下內(nèi)容：1過程執(zhí)行順序；2保護動作命令指示；3旁路狀態(tài)；4檢測元件和執(zhí)行元件的狀態(tài)；5診斷結(jié)果；6電源狀態(tài)。主流安全儀表系統(tǒng)介紹

一、德國HIMA發(fā)展歷史：

1908由Johannes

Hildebrandt先生創(chuàng)建于曼海姆,HIMA的名字源于

Hildebrandt和Mannheim；

1970

世界上第一套獲TüV認(rèn)證的安全系統(tǒng):Planar；1986

世界上第一套獲TüV認(rèn)證的PES系統(tǒng):H50；1991

世界上第一個獲TüV認(rèn)證的

軟件-反向編譯功能；

1994

通過DINISO9001、DQS

認(rèn)證；1997

世界上第一家獲TüV認(rèn)證的

安全以太網(wǎng)通訊技術(shù)；199