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制氫裝置安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

文檔作者：唐雅蓉文檔來(lái)源：中國(guó)石化工程建設(shè)公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月28日
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讖 羧恭 石油化工設(shè)計(jì) Petrochemical Design
制氫裝置安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)
唐雅蓉
(中國(guó)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全性要求比較高，相應(yīng)
地對(duì)裝置的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求也比較高。筆者結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)安全儀表系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)作了
簡(jiǎn)要介紹；對(duì)安全儀表系統(tǒng)一些主要的設(shè)計(jì)原則作了詳細(xì)說(shuō)明；對(duì)制氫裝置安全儀表系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制方
案設(shè)計(jì)，安全儀表系統(tǒng)選型，聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)以及組態(tài)和調(diào)試等過(guò)程進(jìn)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(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和遵循的標(biāo)準(zhǔn)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(chē)系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯制氫裝置
安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrument System)，也
稱(chēng)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(Safety Interlock System)或緊急
停車(chē)系統(tǒng)(Emergency Shutdown System)，是石油化
工裝置安全生產(chǎn)的保護(hù)系統(tǒng) j。
安全儀表系統(tǒng)主要由信號(hào)檢測(cè)部分、邏輯處
理部分和動(dòng)作執(zhí)行部分構(gòu)成。信號(hào)檢測(cè)部分用于
檢測(cè)聯(lián)鎖輸入信號(hào)。聯(lián)鎖輸入信號(hào)對(duì)聯(lián)鎖輸出的
影響，或者說(shuō)聯(lián)鎖輸出對(duì)聯(lián)鎖輸人信號(hào)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(shí)現(xiàn)，通常由軟件實(shí)現(xiàn)，一般采用布爾運(yùn)算。
聯(lián)鎖動(dòng)作執(zhí)行部分由一些執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作的設(shè)備組
成，當(dāng)聯(lián)鎖被觸發(fā)時(shí)，這些設(shè)備完成具體的聯(lián)鎖動(dòng)
作，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置和人員安全等的保護(hù)。
1 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
1．1 獨(dú)立性原則
安全儀表系統(tǒng)原則上應(yīng)與過(guò)程控制系統(tǒng)
(DCS)分離而獨(dú)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(dòng)作，但是當(dāng)參數(shù)發(fā)
生異常波動(dòng)或故障時(shí)，它會(huì)按照已定的程序采取
相應(yīng)的聯(lián)鎖動(dòng)作，使裝置停在安全水平線上。安
全儀表系統(tǒng)的安全等級(jí)要高于過(guò)程控制系統(tǒng)
(DCS)。特別是復(fù)雜裝置和重要機(jī)組的安全儀表
系統(tǒng)更應(yīng)獨(dú)立于DCS之外，使之不依賴于DCS就
能獨(dú)立完成緊急停車(chē)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障
時(shí)，被控制系統(tǒng)或設(shè)備自動(dòng)轉(zhuǎn)入預(yù)定安全狀態(tài)。
開(kāi)關(guān)類(lèi)檢測(cè)儀表在正常工況和供電條件下其接點(diǎn)
應(yīng)是閉合的或?qū)顟B(tài)的，聯(lián)鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)是帶彈
簧復(fù)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(lì)磁的。根據(jù)具體的工藝過(guò)程，系
統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，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(cuò)結(jié)構(gòu)
容錯(cuò)是指系統(tǒng)在元部件出現(xiàn)故障時(shí)，仍能繼
續(xù)運(yùn)行的能力。容錯(cuò)系統(tǒng)應(yīng)具有檢測(cè)和報(bào)告故障
的能力，同時(shí)在局部故障狀態(tài)下依然能持續(xù)正常
運(yùn)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(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，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(hào)檢測(cè)到聯(lián)鎖邏輯計(jì)算再到聯(lián)鎖動(dòng)
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(lái)的出錯(cuò)的可能。在防爆等級(jí)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(chē)。
2 制氫裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jiǎn)介：唐雅蓉，女，1997年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)工
業(yè)自動(dòng)專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師，從事儀表自動(dòng)化的設(shè)
計(jì)工作。聯(lián)系電話：010—84876751；E—Mail：tangyarong．
sei@ sinopec．com
· l0· 石油化工設(shè)計(jì) 第28卷
度和壓力，因此，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全性要求比較
高，需要設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)
行保護(hù)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)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(cuò)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(gè)系統(tǒng)，用j取二表決電路來(lái)提供高度完善、無(wú)
差錯(cuò)、不問(wèn)斷的過(guò)程操作，不會(huì)因?yàn)閱吸c(diǎn)的故障而
導(dǎo)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(hù)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(dòng)作。對(duì)
于制氫裝置，反應(yīng)爐、廢熱鍋爐和原料氣壓縮機(jī)等
都是需要聯(lián)鎖保護(hù)的設(shè)備，圍繞這些設(shè)備和工藝
操作條件，可以進(jìn)一步確定聯(lián)鎖觸發(fā)條件和聯(lián)鎖
執(zhí)行動(dòng)作。為了說(shuō)明問(wèn)題的方便，本文對(duì)聯(lián)鎖觸
發(fā)條件和聯(lián)鎖執(zhí)行動(dòng)作描述作了簡(jiǎn)化，略去了具
體儀表和設(shè)備的位號(hào)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(dòng)
作，如表1所示，黑色圓點(diǎn)代表聯(lián)鎖條件觸發(fā)對(duì)應(yīng)
的聯(lián)鎖動(dòng)作。
表1 制氫裝置聯(lián)鎖條件和聯(lián)鎖動(dòng)作對(duì)應(yīng)表
聯(lián)鎖動(dòng)作
聯(lián)鎖條件 暈器
緊急停車(chē)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(fēng)機(jī)入口溫度高 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
壓縮機(jī)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(jì)
對(duì)上一小節(jié)中聯(lián)鎖觸發(fā)條件和聯(lián)鎖執(zhí)行動(dòng)作
對(duì)應(yīng)邏輯關(guān)系進(jìn)行歸并整理，可以畫(huà)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(mén)，
【一 為或門(mén)，J昔J為非門(mén)，1—200—3 1為RS觸發(fā)器，為
L Ll_
3取2邏輯。同樣為了說(shuō)明方便，圖1中也忽略
了具體輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的位號(hào)，并忽略了報(bào)
警邏輯。在實(shí)際工程項(xiàng)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(lái)，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(hào)正常為1，聯(lián)鎖為0；旁路信號(hào)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(jì)完成之后，需要進(jìn)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(jì)的聯(lián)鎖邏輯，使
用安全儀表系統(tǒng)提供的編程軟件進(jìn)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(yǔ)言等多種組態(tài)
方式。組態(tài)的過(guò)程就是邏輯編程的過(guò)程，邏輯編
程采用功能方框圖實(shí)現(xiàn)，這種語(yǔ)言用線連接功能
塊形成回路，功能塊之間通過(guò)連接線傳遞二進(jìn)制
和其他類(lèi)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(jì)
輸入信號(hào) 聯(lián)鎖邏輯0切斷 輸出信號(hào)
丌
開(kāi)
壓
開(kāi)
B
=
壓 C
2∞ 3
開(kāi)
口
}開(kāi)
壓縮機(jī)入口分液罐液位高高A
壓縮機(jī)入13分液罐液位高高B
壓縮機(jī)入口分液罐液位高高c
0R
0R
分氣液
水炭比低
旁路開(kāi)關(guān)
汽包液位低低
開(kāi)
汽包壓力高高
路開(kāi)
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(kāi)
OR
AND
AND
AND
天然氣進(jìn)裝置壓控
配
關(guān)原料氣進(jìn)對(duì)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(dòng)
開(kāi)并切手
動(dòng)卸荷至O％
弓
停鼓風(fēng)機(jī)
停壓縮機(jī)
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(xiàn)：
都需經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試確認(rèn)。
調(diào)試過(guò)程總體可分為兩個(gè)階段：首先離線模
擬測(cè)試，然后在線測(cè)試。離線模擬測(cè)試是邏輯程
序運(yùn)行在模擬環(huán)境下，通過(guò)給強(qiáng)制信號(hào)的方式來(lái)
檢驗(yàn)邏輯是否正確、人機(jī)界面動(dòng)態(tài)連接是否正確
及報(bào)警功能是否完善等。在線測(cè)試除了要完成離
線測(cè)試的各項(xiàng)工作外，重點(diǎn)是檢查邏輯程序的輸
入和輸出能否滿足現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的需要。
張華莎．安全儀表系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)淺談[J]．石油化工自動(dòng)化，
2003(4)：3～7．
王為華，宋江南等．SHB—Z06—1999石油化工緊急停車(chē)及
安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[s]．北京：中國(guó)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(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)石化出版社，2004．

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