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制氫裝置安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計

文檔作者：唐雅蓉文檔來源：中國石化工程建設(shè)公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月28日
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讖 羧恭 石油化工設(shè)計 Petrochemical Design
制氫裝置安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計
唐雅蓉
(中國石化工程建設(shè)公司，北京100101)
摘要：制氫裝置涉及易燃易爆氣體和較高的操作溫度和壓力，對生產(chǎn)過程的安全性要求比較高，相應(yīng)
地對裝置的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計要求也比較高。筆者結(jié)合工程實踐，對安全儀表系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)作了
簡要介紹；對安全儀表系統(tǒng)一些主要的設(shè)計原則作了詳細說明；對制氫裝置安全儀表系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制方
案設(shè)計，安全儀表系統(tǒng)選型，聯(lián)鎖邏輯設(shè)計以及組態(tài)和調(diào)試等過程進行了具體的討論；并且敘述了在制氫
裝置安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計過程中的設(shè)計經(jīng)驗和遵循的標準規(guī)范。
關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯制氫裝置
安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrument System)，也
稱安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(Safety Interlock System)或緊急
停車系統(tǒng)(Emergency Shutdown System)，是石油化
工裝置安全生產(chǎn)的保護系統(tǒng) j。
安全儀表系統(tǒng)主要由信號檢測部分、邏輯處
理部分和動作執(zhí)行部分構(gòu)成。信號檢測部分用于
檢測聯(lián)鎖輸入信號。聯(lián)鎖輸入信號對聯(lián)鎖輸出的
影響，或者說聯(lián)鎖輸出對聯(lián)鎖輸人信號的響應(yīng)，就
是聯(lián)鎖邏輯關(guān)系，這種聯(lián)鎖邏輯關(guān)系由邏輯處理
部分實現(xiàn)，通常由軟件實現(xiàn)，一般采用布爾運算。
聯(lián)鎖動作執(zhí)行部分由一些執(zhí)行聯(lián)鎖動作的設(shè)備組
成，當聯(lián)鎖被觸發(fā)時，這些設(shè)備完成具體的聯(lián)鎖動
作，實現(xiàn)對裝置和人員安全等的保護。
1 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計原則
1．1 獨立性原則
安全儀表系統(tǒng)原則上應(yīng)與過程控制系統(tǒng)
(DCS)分離而獨立設(shè)置。在正常情況下安全儀表
系統(tǒng)是”靜止的”，不采取任何動作，但是當參數(shù)發(fā)
生異常波動或故障時，它會按照已定的程序采取
相應(yīng)的聯(lián)鎖動作，使裝置停在安全水平線上。安
全儀表系統(tǒng)的安全等級要高于過程控制系統(tǒng)
(DCS)。特別是復雜裝置和重要機組的安全儀表
系統(tǒng)更應(yīng)獨立于DCS之外，使之不依賴于DCS就
能獨立完成緊急停車及安全聯(lián)鎖功能。
1．2 故障安全型原則
故障安全型(Fail To Safe)是當系統(tǒng)發(fā)生故障
時，被控制系統(tǒng)或設(shè)備自動轉(zhuǎn)入預(yù)定安全狀態(tài)。
開關(guān)類檢測儀表在正常工況和供電條件下其接點
應(yīng)是閉合的或?qū)顟B(tài)的，聯(lián)鎖執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)是帶彈
簧復位的單作用方式(Fc或FO)，電磁閥或中間繼
電器正常狀態(tài)是勵磁的。根據(jù)具體的工藝過程，系
統(tǒng)發(fā)生故障時，這些儀表或設(shè)備應(yīng)處在安全狀態(tài)。
1．3 采用冗余容錯結(jié)構(gòu)
容錯是指系統(tǒng)在元部件出現(xiàn)故障時，仍能繼
續(xù)運行的能力。容錯系統(tǒng)應(yīng)具有檢測和報告故障
的能力，同時在局部故障狀態(tài)下依然能持續(xù)正常
運行。安全儀表系統(tǒng)，需要在硬件結(jié)構(gòu)上采用冗
余結(jié)構(gòu)實現(xiàn)容錯，通常采用三重化冗余結(jié)構(gòu)。
1．4 中間環(huán)節(jié)最少
從聯(lián)鎖信號檢測到聯(lián)鎖邏輯計算再到聯(lián)鎖動
作執(zhí)行，應(yīng)盡可能減少中間環(huán)節(jié)，減少由中間環(huán)節(jié)
帶來的出錯的可能。在防爆等級許可的情況下，
盡量采用隔爆型儀表，減少由于安全柵而產(chǎn)生的
故障源，減少誤停車。
2 制氫裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計
2．1 安全儀表系統(tǒng)選型
制氫裝置涉及易燃易爆氣體和較高的操作溫
收稿日期：2010—09—13。
作者簡介：唐雅蓉，女，1997年畢業(yè)于齊齊哈爾大學工
業(yè)自動專業(yè)，工學學士，工程師，從事儀表自動化的設(shè)
計工作。聯(lián)系電話：010—84876751；E—Mail：tangyarong．
sei@ sinopec．com
· l0· 石油化工設(shè)計 第28卷
度和壓力，因此，對生產(chǎn)過程的安全性要求比較
高，需要設(shè)置獨立的安全儀表系統(tǒng)對關(guān)鍵設(shè)備進
行保護。根據(jù)以往的經(jīng)驗和對不同產(chǎn)品性能的比
較，我們選擇TRICON的安全儀表系統(tǒng)。該系統(tǒng)
基于j重模塊冗余結(jié)構(gòu)的容錯控制器，將3路相
互隔離和具有自診斷功能的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)集成為
一個系統(tǒng)，用j取二表決電路來提供高度完善、無
差錯、不問斷的過程操作，不會因為單點的故障而
導致系統(tǒng)失效。
2．2 聯(lián)鎖控制方案
根據(jù)具體的工藝條件設(shè)置聯(lián)鎖控制方案，也
就是根據(jù)工藝要求確定需要聯(lián)鎖保護的設(shè)備以及
具體的聯(lián)鎖觸發(fā)條件和設(shè)備的聯(lián)鎖執(zhí)行動作。對
于制氫裝置，反應(yīng)爐、廢熱鍋爐和原料氣壓縮機等
都是需要聯(lián)鎖保護的設(shè)備，圍繞這些設(shè)備和工藝
操作條件，可以進一步確定聯(lián)鎖觸發(fā)條件和聯(lián)鎖
執(zhí)行動作。為了說明問題的方便，本文對聯(lián)鎖觸
發(fā)條件和聯(lián)鎖執(zhí)行動作描述作了簡化，略去了具
體儀表和設(shè)備的位號以及觸發(fā)聯(lián)鎖的具體工藝參
數(shù)值。整理涉及到的聯(lián)鎖觸發(fā)條件和聯(lián)鎖執(zhí)行動
作，如表1所示，黑色圓點代表聯(lián)鎖條件觸發(fā)對應(yīng)
的聯(lián)鎖動作。
表1 制氫裝置聯(lián)鎖條件和聯(lián)鎖動作對應(yīng)表
聯(lián)鎖動作
聯(lián)鎖條件 暈器
緊急停車按鈕 ● ● ● ● ● ● ● ● ●
轉(zhuǎn)化爐膛壓力高高 ● ● ● ● ● ● ● ●
燃燒空氣壓力低低 ● ● ● ● ● ● ● ●
燃料氣 力低低 ● ● ● ● ● ● ● ●
引風機入口溫度高 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
壓縮機入口分液
罐液位高高 ● ● ● ● ● ●
低分氣液位高高 ● ●
水碳比低 ● ● ● ● ● ●
汽包液位低低 ● ● ● ● ● ● ● ●
汽包壓力高高 ● ● ● ● ● ● ● ●
空氣預(yù)熱器出
口壓力低低 ●
2．3 聯(lián)鎖邏輯設(shè)計
對上一小節(jié)中聯(lián)鎖觸發(fā)條件和聯(lián)鎖執(zhí)行動作
對應(yīng)邏輯關(guān)系進行歸并整理，可以畫出聯(lián)鎖邏輯
岡。為了表述方便，這里把所有主要的聯(lián)鎖邏輯
整理到一張圖中，如圖1所示，圖中【ANDI為與門，
【一 為或門，J昔J為非門，1—200—3 1為RS觸發(fā)器，為
L Ll_
3取2邏輯。同樣為了說明方便，圖1中也忽略
了具體輸入信號和輸出信號的位號，并忽略了報
警邏輯。在實際工程項目中，這些內(nèi)容都需要在
聯(lián)鎖邏輯圖中具體體現(xiàn)出來，通常也需要把鄰近
的或者功能相似的聯(lián)鎖邏輯放到一起，整理出多
張聯(lián)鎖邏輯圖，以便于組態(tài)和調(diào)試。圖中聯(lián)鎖輸
入信號正常為1，聯(lián)鎖為0；旁路信號正常為0，旁
路為1。
2．4 組態(tài)和調(diào)試
在聯(lián)鎖邏輯設(shè)計完成之后，需要進行組態(tài)和
調(diào)試。組態(tài)的主要內(nèi)容是設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，硬件配
置和通訊通道的連接。根據(jù)設(shè)計的聯(lián)鎖邏輯，使
用安全儀表系統(tǒng)提供的編程軟件進行聯(lián)鎖邏輯的
描述，并保存組態(tài)文件。TRICON的安全儀表系統(tǒng)
提供功能方框圖、梯形圖以及ST語言等多種組態(tài)
方式。組態(tài)的過程就是邏輯編程的過程，邏輯編
程采用功能方框圖實現(xiàn)，這種語言用線連接功能
塊形成回路，功能塊之間通過連接線傳遞二進制
和其他類型的數(shù)據(jù)。聯(lián)鎖邏輯是安全儀表系統(tǒng)的
關(guān)鍵部分，關(guān)系到系統(tǒng)的邏輯程序是否能完全滿
第28卷 唐雅蓉．制氫裝置安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計
輸入信號 聯(lián)鎖邏輯0切斷 輸出信號
丌
開
壓
開
B
=
壓 C
2∞ 3
開
口
}開
壓縮機入口分液罐液位高高A
壓縮機入13分液罐液位高高B
壓縮機入口分液罐液位高高c
0R
0R
分氣液
水炭比低
旁路開關(guān)
汽包液位低低
開
汽包壓力高高
路開
空氣預(yù)熱器出口壓力低低A
==== ==— =
空氣預(yù)熱器出口壓力低低B
空氣預(yù)熱器出口壓力低低C
開
OR
AND
AND
AND
天然氣進裝置壓控
配
關(guān)原料氣進對流段前緊急
切斷閥
壓燃料氣緊急切斷閥
切斷閥
關(guān)中變氣緊急切斷
切斷
中壓蒸汽配入流控閥保位
并切手動
開并切手
動卸荷至O％
弓
停鼓風機
停壓縮機
圖1 制氫裝置聯(lián)鎖邏輯圖
足工藝的聯(lián)鎖控制要求，全部聯(lián)鎖邏輯在投用前 參考文獻：
都需經(jīng)過反復的調(diào)試確認。
調(diào)試過程總體可分為兩個階段：首先離線模
擬測試，然后在線測試。離線模擬測試是邏輯程
序運行在模擬環(huán)境下，通過給強制信號的方式來
檢驗邏輯是否正確、人機界面動態(tài)連接是否正確
及報警功能是否完善等。在線測試除了要完成離
線測試的各項工作外，重點是檢查邏輯程序的輸
入和輸出能否滿足現(xiàn)場各種設(shè)備的需要。
張華莎．安全儀表系統(tǒng)邏輯設(shè)計淺談[J]．石油化工自動化，
2003(4)：3～7．
王為華，宋江南等．SHB—Z06—1999石油化工緊急停車及
安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計導則[s]．北京：中國石化出版社，2000．
IEC 61508，F(xiàn)unctional safe~ of electrical／electronic／programmable
electronic safety—related systems．
IEC 6151 l，F(xiàn)unctional safety—Safety instrumented systems for
the process industry sector．
黃步余，王建民等．SH／T 3018—2003石油化工安全儀表系
統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國石化出版社，2004．

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