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石化裝置安全度等級與安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計

文檔作者：王秋紅孫旭文檔來源：中國石油集團工程設(shè)計有限公司東北分公司自控室		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月05日
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工程設(shè)計及標準 石 油 化 工 自 動 化，2008，1：8
AUTOMATlON IN PETR0一CHEM ICAL lNDUSTRY
石化裝置安全度等級與安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計
王秋紅，孫旭
(中國石油集團工程設(shè)計有限公司東北分公司自控室，吉林吉林132002)
摘要：在石化裝置中，安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要，危害和可操作性研究為安全儀表系統(tǒng)的設(shè)置提供了堅實的基礎(chǔ)。
重點介紹了安全度等級的確定和安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計原則，對系統(tǒng)安全儀表進行嚴格、合理的配置。
關(guān)鍵詞：SIL；危害和可操作性研究；冗余；安全儀表系統(tǒng)
中圖分類號：TP202+．1；TP277 文獻標識碼：B 文章編號：1007—7324(2008)01—0008—03
The Design of Safety Integrity Level and Safety Instrumented System in Petrochemical Plants
W ang Qiuhong，Sun Xu
(China Petroleum Eng．Co．Ltd．North—East Co．，Jilin，132002，China)
Abstract：It is very important for design of a safety instrument system in petrochemical plants．HAZOP
(Hazard and Operability Study) provides the strong foundation for configuration of the safety
instrument system (SIS)． Determination of the safety integrity level(SIL)and deign principle of the
safety instrumented system (SIS)is described．The configuration of SIS shall be rationa1．
Keywords：SIL；HAZOP；redundancy；SIS
1 引 言
以一個典型的化工裝置為例，它為安全所設(shè)置
的層層保護包括：工藝過程設(shè)計；基本調(diào)節(jié)，過程
報警及操作員監(jiān)視；緊急報警，操作員監(jiān)視并且手
動干預；安全儀表系統(tǒng)SIS；物理保護(爆破膜，安
全閥)；工廠緊急響應(yīng)；所在社區(qū)緊急響應(yīng)等。由此
可見，從第2層到第4層的保護都是由儀表及其控
制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。尤其儀表系統(tǒng)的最后一層保
護—— SIS更是至關(guān)重要。目前許多裝置的設(shè)計
中增加了工廠危害和可操作性研究HAZOP和儀
表保護功能研究IPF Study，其中包括儀表安全度
等級SIL確定。這使得儀表安全保護系統(tǒng)的設(shè)計
更加科學與完善，有助于避免在設(shè)計中發(fā)生安全性
能達不到要求或采取過多安全保護的現(xiàn)象。
2 安全儀表系統(tǒng)及安全度的定義[1]
SIS也稱儀表聯(lián)鎖系統(tǒng)或緊急停車系統(tǒng)，在事
故和故障狀態(tài)下(包括裝置事故和控制系統(tǒng)本身發(fā)
生的故障)，或若無措施，裝置的危險性加劇時，將
對裝置作出相應(yīng)反應(yīng)。因而，該系統(tǒng)的設(shè)計必須能
夠產(chǎn)生正確的輸出以防止或減輕危險。SIS本身
必須是故障安全型(Fail to Safe)的系統(tǒng)，其硬件
和軟件的可靠性都要求很高。
SIS由傳感器、邏輯運算器、最終執(zhí)行元件及
相應(yīng)軟件等組成。通過傳感器對過程變量進行檢
測，這些檢測信號根據(jù)安全聯(lián)鎖的要求在邏輯運算
器中進行處理，一旦過程變量達到預定條件，則將
輸出正確的信號到最終執(zhí)行元件，使被控制過程轉(zhuǎn)
入安全狀態(tài)。從而達到使裝置能夠安全停車并處
于安全模式，避免災(zāi)難發(fā)生及對環(huán)境造成惡劣影
響，保護人身安全的目的。
SIL是用來描述安全儀表系統(tǒng)安全綜合評價
的等級，指在規(guī)定的條件及時間內(nèi)，安全系統(tǒng)成功
實現(xiàn)所要求的安全功能的概率。SIL越高，安全系
統(tǒng)實現(xiàn)所要求的安全功能失敗的可能性就越低。
目前國際上常用的有關(guān)安全系統(tǒng)的標準如文
獻[2～5]。
IEC61508標準根據(jù)安全系統(tǒng)滿足安全要求的
程度將安全系統(tǒng)分為4個等級即SILl～4，SILl
最低，SIL4等級最高。德國的TUV 標準將安全
等級分為8個等級即AK1～AK8，AK1最低，AK8
最高。ANSI／ISA一84．01將安全系統(tǒng)分為3個等
級即SILl～SIL3，SILl最低，SIL3最高。表1是
收稿日期：2007—1O一20(修改稿)。
作者簡介：王秋紅(1973一)，女，吉林吉林人，1996年畢業(yè)于
吉林工學院生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)工作在中國石油
集團工程設(shè)計有限公司東北分公司自控室，一直從事自控專業(yè)工
程設(shè)計工作，任高級工程師，注冊系統(tǒng)工程師(ASE)。
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第1期 王秋紅等．石化裝置安全度等級與安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計
IEC61508的SIL與其他標準的安全等級之間的
對照。
表1 IE061508的SIL與其他標準的安全等級的對照表
注：IEC61508定義的SIL4適用于核工業(yè)。
3 安全度等級的確定
S1S屬于工業(yè)安全控制技術(shù)，SIL的劃分與
HAZ0P(危險與可操作性分析)的研究結(jié)果有著密
切的聯(lián)系，HAZOP的研究結(jié)果為SIS的設(shè)置提供堅
實的基礎(chǔ)。SIL評級前應(yīng)先進行HAZOP研究，它
是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的一種可用于定性分析或定量
評價系統(tǒng)化的危險性評價方法，用于解決危險識別
與安全操作兩方面的問題，探明生產(chǎn)裝置和工藝過
程中的危險及其原因，尋求必要對策。通過從工藝
流程、狀態(tài)及參數(shù)、操作順序、安全措施等方面著手，
分析生產(chǎn)運行過程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動，操作控
制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動與偏差對系統(tǒng)
的影響及可能導致的后果，找出出現(xiàn)變動和偏差的
原因，明確裝置或系統(tǒng)內(nèi)及生產(chǎn)過程中存在的主要
危險、危害因素，找出裝置在工藝設(shè)計、設(shè)備運行、操
作以及安全措施等方面存在的不足，并針對變動與
偏差的后果提出應(yīng)采取的措施，為裝置的安全運行
與安全隱患整改提供指導。HAZOP研究對裝置所
有的報警和聯(lián)鎖都進行相應(yīng)的SIL評級。經(jīng)過SIL
評級后，可以確定哪些報警需要提高等級到安全聯(lián)
鎖，哪些安全聯(lián)鎖有可能降低等級到報警，哪些報警
有可能被取消。
SIL的確定是比較復雜的，需要由一支多方面
的、專業(yè)的、熟練的技術(shù)隊伍對裝置的各種危險性
及關(guān)鍵風險等進行分析計算，最后才能確定系統(tǒng)應(yīng)
采用的SIL。在IEC61508規(guī)范中，推薦的SIL的
確定方法有定量法、風險圖定性法、危險事件嚴重
性矩陣圖定性法等。可以根據(jù)不同的情況采用不
同的方法。定性法是根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗通過查各種圖
表的方式來確定SIL。定量法則通過分析獲得各
種數(shù)據(jù)，最終用這些數(shù)據(jù)計算出SIL。
按照IEC615o8／61511規(guī)范或DIN V 19250
規(guī)范，SIL主要根據(jù)以下4個參數(shù)進行確定。C：
描述事故結(jié)果的程度；F：工作人員出現(xiàn)在危險區(qū)
域的頻度；P：故障得到保護的可能性；W ：危險發(fā)
生的可能性。具體的描述見表2，HAZOP分析與
確定SIL的原理如圖1所示。
表2 裝置危險參數(shù)的描述及級別
W 3 W2 W l
Cl 1
Pl 2 l
分析C2 3 2 l
起點
-．1 PI 4 3 2
5 4 3
Fl 6 5 4
C3 —
I．．．．．．一 7 6 5
F2
C4 8 7 6
DlN V
l9250
6l5ll AKl
SILl AK2
AK3
SIL2 AK4
AK5
SIL3
AK6
SIL4 AK7
AK8
圖1 HAZOP分析與確定安全度等級的原理
4 SIS的設(shè)計
系統(tǒng)的SIL確定后，根據(jù)裝置的具體特點、危
險性及危害性等因素來確定安全PLC的結(jié)構(gòu)(二
重化，三重化，四重化等)，現(xiàn)場儀表的設(shè)置原則。
同時根據(jù)各方面的需求來確定SIS的設(shè)計是以可
靠性還是以可用性為主。
可靠性是指在規(guī)定的時間內(nèi)間隔發(fā)生故障的
概率?？捎眯允侵赶到y(tǒng)可以使用工作時間的概率。
SIS的可用性和可靠性看起來似乎是矛盾的，其實
關(guān)鍵是以哪個方面為主的問題。從工廠所有者的
角度看，只要SIS能夠滿足設(shè)計要求就可以，在此
基礎(chǔ)上可用性是系統(tǒng)最主要指標，高的可用性減少
了裝置無謂的停車，提高生產(chǎn)效率。從維護的角度
來看，SIS發(fā)生任何故障時，系統(tǒng)就需要維修，就存
在系統(tǒng)失效導致裝置停車的危險，系統(tǒng)的低故障率
是強調(diào)的重點。
4．1 PLC的結(jié)構(gòu)
常用PLC的結(jié)構(gòu)有下列幾種方式，均采用故
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石油化工自動化
障時性能遞減的工作方式。
1oo1(非冗余)，loolD(t~冗余帶自診斷功能)，
loo2(冗余)，loo2D(冗余帶自診斷功能)，2oo3(三重
化結(jié)構(gòu)TMR)，2004(四重化結(jié)構(gòu)QMR)。根據(jù)SIL
確定選用儀表邏輯運算器如表3所列。
表3 安全儀表系統(tǒng)的邏輯運算器結(jié)構(gòu)選擇
SIS必須獲得滿足IEC要求的SIL認證，并確
保采用系統(tǒng)的每塊卡板亦有相應(yīng)的等級證書。為
了使故障影響最小化，同一聯(lián)鎖單元或相關(guān)設(shè)備聯(lián)
鎖點盡可能分配在同一卡板上。
4．2 SIS檢測元件
根據(jù)儀表安全度等級確定傳感器的設(shè)置原則，
為減少檢測元件自身的故障率，SIS的檢測元件應(yīng)
選用高性能高質(zhì)量的產(chǎn)品，特別是智能產(chǎn)品必須具
備安全等級認證并符合SIL的要求。
對于SIL2以上，SIS應(yīng)采取獨立或冗余配置
的檢測元件。傳感器的冗余配置能夠極大地降低
系統(tǒng)的故障率，提高系統(tǒng)的可用性。
對于雙重冗余，當重點考慮系統(tǒng)的安全性時，冗
余傳感器信號在PLC內(nèi)應(yīng)采用“或”的邏輯運算，即
任一檢測元件達到安全臨界條件時均啟動安全保護
程序；當重點考慮系統(tǒng)的可用性時，冗余傳感器信號
在PLC內(nèi)應(yīng)采用“與”的邏輯運算，即兩個檢測元件
同時達到安全臨界條件時啟動保護程序。
當系統(tǒng)的安全性和可用性均需要保障時采用
三重冗余，配置3套完全相同的檢測元件，只有當
檢測元件中有2個達到安全臨界條件時才能啟動
安全保護程序。
4．3 SIS執(zhí)行元件
對于SIL2以上，SIS采用冗余的閥門，如采用
單一的閥門，配套的電磁閥宜冗余配置。對于執(zhí)行
元件(如電磁閥，智能閥門定位器)應(yīng)采用高可靠執(zhí)
行元件，且選用符合SIL并取得相關(guān)的認證。
在SIS中，SIL3的等級是最高的，通常需要三
重傳感器，三重(3選2)或2選1的邏輯控制器，或
3臺閥門串聯(lián)，或2臺閥門串聯(lián)合并partial—stroke
測試，或者不常用的full—stroke測試。
5 結(jié)束語
隨著安全意識的加強和國內(nèi)HSE管理的不
斷深入，正確合理地SIS對于石油化工裝置起著舉
足輕重的作用。SIS的配置，并不是可靠性越高越
好，要尋求的是一種最優(yōu)配置。SIL3的需求量應(yīng)
該非常少，在很多情況下，SIL2通常是最為常見的
應(yīng)用。安全技術(shù)的發(fā)展，正在促使技術(shù)人員采用更
全面、更合理的安全技術(shù)措施，將風險減至最小，合
理配置經(jīng)濟實用的系統(tǒng)。
參考文獻：
1 SH／T 3018—2003，石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范
2 IEC61508，F(xiàn)unctional safety of electrical／electronic／programmable
electronic safety—related systems
3 IEC61511，F(xiàn)unctional safety：Safety instrumented system s for
the process industry sector
4 ANSI／ISA-84．01，Application of safety instrumented systems
for the process industries
5 DIN V 19250，Programmable safety system
西門子亮相首屆國際安全生產(chǎn)及
安全監(jiān)控技術(shù)與裝備展覽會
2007年11月20～22日，西門子參加了由機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所主辦的首屆國際安全生產(chǎn)及安全監(jiān)
控技術(shù)與裝備展覽會。該展會在北京國際展覽館進行了為期三天的展覽。
該展會是國內(nèi)安全技術(shù)與裝備領(lǐng)域最為專業(yè)的展會之一，西門子以面積達115平方米的大型展臺，通過專為安防領(lǐng)域
定制的產(chǎn)品與演示設(shè)備向參觀者充分展示了我們對人、環(huán)境、財產(chǎn)的保護，并提供專業(yè)的產(chǎn)品與解決方案。本次西門子參
展圍繞著安全集成一智能化無縫集成安全技術(shù)這一主題，主要著重于兩方面的內(nèi)容：即工廠自動化及過程自動化中的安
全集成化。西門子的參展再次體現(xiàn)了其以人為本，注重安全生產(chǎn)的理念。來訪的觀眾群體更為專業(yè)，包括業(yè)內(nèi)的國內(nèi)外專
家，學者以及共同致力于安防領(lǐng)域的同行。
西門子(中國)有限公司

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