大型原油儲(chǔ)罐安全儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊仁淵

摘 要：文章介紹了大型原油儲(chǔ)罐安全儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及實(shí)際應(yīng)用，以及安全儀表控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別和作用。

關(guān)鍵詞：SIS系統(tǒng);大型原油儲(chǔ)罐;應(yīng)用實(shí)例

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ056.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）09-0-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.09.045

原油為可燃有毒介質(zhì)，且原油儲(chǔ)罐一般屬于大型儲(chǔ)罐，一級(jí)重大危險(xiǎn)源，罐區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，易造成重大安全事故。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，庫(kù)區(qū)的安全儀表控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中不斷得到應(yīng)用，證實(shí)了安全儀表控制系統(tǒng)在安全生產(chǎn)管理中起著重要作用，可以保證油庫(kù)區(qū)能夠安全生產(chǎn)。

1 安全儀表設(shè)計(jì)原則

安全儀表控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)SIS系統(tǒng)，安全儀表控制系統(tǒng)由邏輯控制器、監(jiān)測(cè)儀表及最終執(zhí)行元件組成。邏輯控制器采用可編程控制系統(tǒng)，邏輯控制器內(nèi)部負(fù)荷不超過(guò)50%，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)是故障安全型，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能按照故障安全的方式停機(jī)。系統(tǒng)必須具有完善的硬件、軟件故障診斷及自診斷功能，自動(dòng)記錄故障報(bào)警并能提示維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)。允許在線修改、下裝程序，允許同時(shí)運(yùn)行多個(gè)獨(dú)立的程序，安全等級(jí)必須達(dá)到TUV AK5/6，SIL3安全等級(jí)。所有電源設(shè)備和部件必須雙重或三重硬件冗余，所有I/O卡必須1：1冗余或者TMR。對(duì)于冗余的設(shè)備，要求具有在線故障診斷、報(bào)警、自動(dòng)切換及維修提示等功能。罐區(qū)監(jiān)測(cè)儀表主要包含連續(xù)液位計(jì)，溫度變送器、壓力變送器、液位開(kāi)關(guān)等。最終執(zhí)行元件一般采用遠(yuǎn)控控制閥門(mén)來(lái)完成。安全儀表的設(shè)計(jì)原則是，基于HAZOP分析以及LOPA定級(jí)，SIL等級(jí)不同、配置不同的安全儀表控制系統(tǒng)。大型原油儲(chǔ)罐區(qū)一般等級(jí)為SIL2，控制系統(tǒng)應(yīng)與基本控制系統(tǒng)獨(dú)立分開(kāi)，邏輯控制器、檢測(cè)儀表及控制閥門(mén)宜采用冗余配置。安全儀表控制系統(tǒng)的電源配置應(yīng)采用雙UPS電源及一路市電來(lái)供給，正常供電由一路UPS電源提供;當(dāng)出現(xiàn)斷電情況時(shí)，系統(tǒng)自帶切換并保證正常運(yùn)行。機(jī)柜內(nèi)，風(fēng)扇、照明、插座電源為一路市電提供，這樣可以保證安全儀表控制系統(tǒng)的用電安全[1]。

2 安全儀表控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的關(guān)系

在生產(chǎn)過(guò)程中，可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（GDS）可以起到預(yù)警作用，基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）能夠保證生產(chǎn)過(guò)程的基本正常運(yùn)行。安全儀表控制系統(tǒng)（SIS）在正常生產(chǎn)時(shí)屬于休眠狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)致安全事故的情況時(shí)，能瞬間快速準(zhǔn)確動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)。火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)承擔(dān)著發(fā)出火災(zāi)后的緊急處理工作，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，在整個(gè)庫(kù)區(qū)生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)控制系統(tǒng)都應(yīng)相互獨(dú)立、互不影響，才能保證庫(kù)區(qū)的正常安全運(yùn)行。

3 安全儀表控制系統(tǒng)在大型原油庫(kù)的應(yīng)用實(shí)例

目前，在中國(guó)石化集團(tuán)石油商業(yè)儲(chǔ)備有限公司海南分公司原油罐區(qū)中，未設(shè)置獨(dú)立的安全儀表控制系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表及閥門(mén)控制信號(hào)引入DCS內(nèi)，與DCS共用一個(gè)控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)過(guò)程中存在安全隱患。在本次改造中，整個(gè)庫(kù)區(qū)設(shè)置一套獨(dú)立的安全儀表控制系統(tǒng)及配套設(shè)施，主要改造內(nèi)容如下。

3.1 安全儀表控制系統(tǒng)

設(shè)置一套獨(dú)立的安全儀表控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的設(shè)置要求：必須具有完備的冗余、容錯(cuò)技術(shù)，重要設(shè)備和部件必須為2oo3方式的三重化冗余、容錯(cuò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)對(duì)輸入/輸出模塊和中央處理器模塊都必須具有內(nèi)部故障診斷功能，并能檢測(cè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的通斷故障;輸出模塊的自診斷電流應(yīng)小于2 mA，所有模塊都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的高低溫老化實(shí)驗(yàn);控制站的所有卡件必須具有防環(huán)境腐蝕的能力，必須達(dá)到ANSI/ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級(jí)。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及掃描速度應(yīng)小于50 ms，同時(shí)應(yīng)做到對(duì)毫秒級(jí)事件的記錄，以便對(duì)系統(tǒng)本身和過(guò)程發(fā)生的每一個(gè)故障，或?qū)е逻^(guò)程停車(chē)的因素，都能及時(shí)按實(shí)際發(fā)生的時(shí)間記錄下來(lái)。遠(yuǎn)程系統(tǒng)必須采用帶SIL3認(rèn)證的連接模塊，禁止采用交換機(jī)的連接方式。I/O卡件必須采用機(jī)架式安裝，必須按一個(gè)I/O卡件配備一個(gè)備用插槽的原則配置。嚴(yán)禁采用多個(gè)I/O卡件共用1個(gè)備用插槽的配置方式，以避免當(dāng)同一機(jī)架內(nèi)有多個(gè)I/O卡件同時(shí)發(fā)生故障或有多個(gè)插槽同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，因無(wú)法進(jìn)行在線維護(hù)而導(dǎo)致系統(tǒng)停車(chē)。聯(lián)鎖條件中的檢測(cè)儀表信號(hào)點(diǎn)不應(yīng)接在同一塊I/O卡件上，應(yīng)獨(dú)立分開(kāi)，以保證當(dāng)卡件出現(xiàn)故障時(shí)，均不影響系統(tǒng)的使用。

3.2 檢測(cè)儀表

目前，庫(kù)區(qū)內(nèi)罐組上的連續(xù)液位計(jì)采用雷達(dá)液位計(jì)，采用通訊方式引入現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)，高低液位開(kāi)關(guān)采用外貼式液位開(kāi)關(guān)，干接點(diǎn)信號(hào)。因此，在本次改造中，將現(xiàn)有雷達(dá)液位計(jì)通訊信號(hào)改為模擬信號(hào)，單獨(dú)從現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)液位計(jì)引入安全儀表控制系統(tǒng)，雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)與液位開(kāi)關(guān)信號(hào)組成二取二聯(lián)鎖條件[2]。

3.3 執(zhí)行元件

控制閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三種形式，在安全儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇中，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為優(yōu)先選擇，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，未設(shè)置有氣源，因此不采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電液動(dòng)彈簧復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種在無(wú)動(dòng)力情況下可以安全復(fù)位的閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)緊急情況下的安全保障，但液壓系統(tǒng)維護(hù)量較大，費(fèi)用較高。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)目前技術(shù)條件比較成熟，維護(hù)量少，費(fèi)用也相對(duì)便宜。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本項(xiàng)目中選用了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶有手輪及防火罩，保證了在出現(xiàn)火情的情況下也能快速切斷。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源配置車(chē)載柴油發(fā)電機(jī)組及EPS應(yīng)急動(dòng)力電源裝置，在罐區(qū)圍堰外及低壓配電室內(nèi)分別配置電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，閥門(mén)的控制電纜及電源電纜均采用耐火電纜。

3.4 系統(tǒng)配置

本項(xiàng)目設(shè)有工程師站、操作站、事件打印機(jī)等，工程師站、事件打印機(jī)放置在中控室工程師室及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)，操作站安裝在中控室操作室內(nèi)。罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)罐，分別設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的緊急停車(chē)按鈕，按鈕分別安裝在道路兩側(cè)各個(gè)罐組前。在控制室內(nèi)設(shè)置輔操盤(pán)，輔操盤(pán)上設(shè)置緊急停車(chē)按鈕，即每臺(tái)罐分別單獨(dú)設(shè)置一個(gè)緊急停車(chē)按鈕，全廠設(shè)置一個(gè)緊急停車(chē)按鈕。安全儀表控制系統(tǒng)采用雙冗余的光纖/連接電纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)框架，所有的遠(yuǎn)程I/O柜通過(guò)冗余光纖收發(fā)器把光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可接收的Profibus-DP協(xié)議信號(hào)引入主控柜。工程師站及操作站的配置如下：DELL T5820/雙硬盤(pán)、RAID1硬盤(pán);處理器：E5-1067v3（四核/10 MB/3.1 GHz）;內(nèi)存：4GB RDIMM ECC;硬盤(pán)：2*1T、3.5英寸、SATA（7200 Rpm）RAID1硬盤(pán);顯卡：512 MB NVS310獨(dú)顯;網(wǎng)卡：集成網(wǎng)卡+兩張ITNEL單口網(wǎng)卡;顯示器：24寸IPS屏（16：10），單顯示器，支持雙屏顯示;通用USB鍵盤(pán)和光電鼠標(biāo)，Windows 10中文專(zhuān)業(yè)版操作系統(tǒng)。

3.5 緊急切斷閥的電源配置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作情況，在緊急情況下，一鍵必須同時(shí)關(guān)閉一個(gè)罐組所有的緊急切斷閥，整個(gè)罐區(qū)最多有三個(gè)罐組在同時(shí)操作，因此最多同時(shí)切斷6臺(tái)緊急切斷閥。每個(gè)緊急切斷閥門(mén)的功率按3 kW/380V計(jì)算，則整個(gè)罐區(qū)同時(shí)關(guān)閉緊急切斷閥的用電容量為18 kW。EPS容量應(yīng)是所供負(fù)載中同時(shí)工作容量總和的1.1倍以上，負(fù)載中最大的單臺(tái)直接啟動(dòng)的電機(jī)容量，只占EPS容量的1/7以下。6臺(tái)緊急切斷閥同時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)電流按7倍考慮，則選用逆變器的容量為130 kW，EPS設(shè)備裝機(jī)容量為130 kW，額定輸出功率按23 kW，應(yīng)急供電時(shí)間按90 min考慮設(shè)計(jì)。同時(shí)，設(shè)置一套車(chē)載柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組的容量按100 kW考慮設(shè)計(jì)，可以滿足正常的用電需求。

3.6 防火罩一般技術(shù)要求

滿足UL1709標(biāo)準(zhǔn)，在1 093 ℃下抵抗烴類(lèi)火災(zāi)30 min，內(nèi)部溫度不超過(guò)80 ℃，保證執(zhí)行器能夠正常工作。防火罩與閥門(mén)接合緊密，不得有間隙且全部包圍，內(nèi)表面與被保護(hù)件應(yīng)留有60 mm～100 mm的最小間隙，防火層厚度應(yīng)為75 mm。外保護(hù)層和填充層為環(huán)保材料，無(wú)毒無(wú)害，不含石棉，并確保電氣出入口防火保護(hù)處理后不影響防火罩的整體防火性能。

4 自動(dòng)控制

外貼式液位開(kāi)關(guān)信號(hào)與雷達(dá)液位計(jì)模擬信號(hào)組成二取二液位高高液位聯(lián)鎖停車(chē)，切斷儲(chǔ)罐進(jìn)出口根部緊急切斷閥。

外貼式液位開(kāi)關(guān)信號(hào)與雷達(dá)液位計(jì)模擬信號(hào)組成二取二液位低低聯(lián)鎖停車(chē)，聯(lián)鎖停止裝船泵及關(guān)閉泵出口閥門(mén)。

在罐區(qū)圍堰外側(cè)主要道路旁及控制室操作盤(pán)上設(shè)置手動(dòng)緊急按鈕，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)緊急停車(chē)功能，按鈕應(yīng)設(shè)計(jì)為事故安全型，帶有自鎖功能[3]。

5 安裝要求

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制電纜及電源電纜采用礦物質(zhì)耐火護(hù)套，采用多芯電纜+現(xiàn)場(chǎng)接線箱的形式。電線電纜采用穿管埋地敷設(shè)至電纜溝，電纜直埋地前至現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的信號(hào)線采用金屬保護(hù)管保護(hù)，儀表出線孔和保護(hù)管之間需加防爆撓性軟管和防爆密封接頭。埋地時(shí)，電源電纜與信號(hào)電纜分開(kāi)敷設(shè)，間距不小于0.2 m。閥門(mén)操作平臺(tái)高度距離閥門(mén)手輪高度宜為1.5 m，防火罩安裝完畢后不應(yīng)影響閥門(mén)的操作，安裝過(guò)程中無(wú)需動(dòng)火、無(wú)需對(duì)電路進(jìn)行任何拆解和更改。

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)石化集團(tuán)石油商業(yè)儲(chǔ)備有限公司海南分公司原油罐區(qū)的安全儀表控制系統(tǒng)（SIS）與基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，并與全廠的消防系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，組成一個(gè)完整的、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提高了全廠運(yùn)行的自動(dòng)化水平和安全可靠性，從而保證了庫(kù)區(qū)的正常安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 范宗海，馬睿著.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第四版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020.

[2] GB/T 50770-2013，石油化工安全儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2013.

[3] 中國(guó)石化安非[2018]477號(hào)，中國(guó)石化易燃和可燃液體常壓儲(chǔ)罐區(qū)整改指導(dǎo)意見(jiàn)（試行）[S].北京：中國(guó)石油化工集團(tuán)，2018.