危化生产安全保护系统的解决方案.doc

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危化生产安全保护系统的解决方案
江苏凯茂石化科技有限公司 李洪伟
杭州和利时自动化有限公司 温宜明

一、前言
为了贯彻 “十二五” 中国甲醛行业发展规划的需要，在落实好节能减排、清洁化工生产的同时，促进安全生产标准化（AQ3013-2008）全面规范达标中国甲醛行业2013年11月15-19日南京年会授权江苏凯茂石化科技有限公司为中国甲醛行业协会创新研发基地，将进一步引领推进全行业的工艺、技术、设备创新和量化管理、安全管理有效实施。
江苏凯茂石化科技有限公司是世界最大银法甲醛成套技术和设备供应商，是甲醛行业协会副理事长单位、多聚甲醛行业协会副理事单位、中国甲醛行业技术进步促进委员会单位、《化工学报》常务理事单位、《中国甲醛网》运营单位。具有一流的国内化工工艺、化机设备、电气仪表、系统控制和安全专家。
通过对国内外自动化控制系统的调查，杭州和利时自动化有限公司现场总线式结构的集散控制系统相应速度快，且构成的ESD系统软硬件取得了SIL3级安全认证，符合当前我国安全生产监督管理中对“重点监管的危险化学品安全措施和应急处置原则”通知中实施ESD（电子安全装置）报警联锁紧急停车的要求。2013年11月14日双方达成联合开发甲醇原料危险工艺安全监控系统ESD合作协议。
在近三年危化工艺ESD技术改造中，双方已成功应用于甲醇氧化工艺、合成氨工艺、制氢、加氢、聚合、裂解等危险工艺的安全监控。
为了尽快适应以甲醇为原料的危险化学品工艺装置、及企业界内的生产、储存设施的安全监控系统，双方充分交流并达成如下共识：
1、为甲醇、甲醛行业提供ESD系统现场信号控制柜、ESD现场监控站及安全工程师站。
2、为客户提供危险工艺安全技术工艺包和安全法律法规实时跟进工作。
3、研发适应现场条件的立式和挂式结构ESD现场信号控制柜。
4、提供安全适用的变送器、传感器、信号隔离器、执行器配套工作。
5、负责与各地设计院、安监部门专家组审查沟通工作。
6、 提供ESD合理解决方案，参加现场工程服务。
二、安全保护系统简介
石油化工行业作为工业领域中的重要分支，其工艺流程决定了其高危险性，一旦发生事故就会造成重大的人员伤亡和财产损失。如图1所示，在石油化工行业的安全保护级别中，安全仪表系统（Safety Instrumented System，简称SIS）是其中关键的一环，安全等级高于常规控制系统，需要有第三方认证证书来证明其安全性。

图1 石油化工行业安全保护级别
国际上的安全仪表系统的研究与开发起始于20世纪60年代，早期的系统设计以气动元件和机电元件为主。到70年代，由简单的继电器组合逻辑系统发展为微处理器和可编程序调节器（PLC或PC），并且由简单的单机系统发展为冗余表决系统和容错系统。1996年，美国仪表协会制定完成了第一个关于安全仪表系统的美国标准ISA S84.01-1996，该标准对安全仪表系统应用过程中涉及到的设计、安装、应用与维护等方面作出了全面的规定。随后，国际电工委员会也在2000年完成了IEC61508国际标准，即电气、电子、可编程电子系统的功能安全标准，不久又完成了用于过程控制工业的国际功能安全标准IEC61511。其中IEC61508的颁布标志着功能安全作为独立的安全学科进入到实际的应用阶段。
中国目前相关的规范主要有《石油化工安全仪表系统设计规范（SH/T3108-2003）》和《工业生产过程中安全仪表系统的应用（SY/T10045-2003）》等，国内对于功能安全的研究目前还处于起步阶段，安全仪表系统完全依赖于国外产品，据权威机构统计2010年的安全保护系统相关设备采购金额约15亿人民币。
与常规控制系统（DCS）相比，SIS系统具有如下特点：
1、常规控制系统关注可靠性和可用性，安全保护系统更关注安全性和可用性，所以安全保护系统采用故障安全设计。
2安全保护系统通过安全等级分级对安全回路的安全性进行了量化，而常规控制系统的安全性是无法保障的。
三、和利时安全仪表系统-HiaGuard介绍
1 系统概述
HiaGuard系统是和利时集团面向过程工业自动化安全应用开发的一套安全仪表系统（SIS）。
该系统通过TÜV Rheinland Industrie Service GmbH（德国TÜV莱茵）认证，满足IEC61508/IEC61511中定义的SC3系统能力等级和SIL3安全完整性等级。依据IEC61508/IEC61511/IEC50156-1标准要求，HiaGuard系统可应用于要求安全完整性等级为SIL3及以下的安全相关应用。
HiaGuard系统采用带诊断的三取二架构（2oo3D），适用于包括紧急停车系统（Emergency Shutdown System，简称ESD）、火气监测系统（Fire & Gas System，简称FGS）、燃烧炉管理系统（Burner Management System，简称BMS）、紧急跳闸系统（Emergency Trip System，简称ETS）、过程停车系统（Process Shutdown System，简称PSD）以及关键过程控制（Critical Process Control）等应用。
2 系统组成

图2.1 HiaGuard系统组成
HiaGuard系统由安全工程师站、操作员站及硬件平台三部分组成（如图2.1所示），其中安全工程师站软件作为IEC61508标准中定义的T3工具，也通过了德国TÜV莱茵公司认证。
图 2.2 系统架构图
系统采用完全的三重化结构，体现在安全回路中，包括输入模块、控制器和输出模块。控制器之间以及控制器与I/O模块之间通过三重化的带有安全层协议的安全通讯链路实现数据传输。
通讯模块和I/O模块可冗余配置，方便维修的同时也增加了系统可用性。
通讯模块内置防火墙功能，能够阻止恶意的网络风暴和病毒攻击，确保网络安全。

图2.3 SIS与DCS集成示意图
如图2.3所示，与和利时DCS集成时可通过以太网实现SIS侧过程信息、设备信息和报警信息的共享，并和DCS共用操作员站；与第三方DCS集成时通过RS485接口，采用MODBUS RTU协议，SIS信息可在DCS侧操作员站显示。

图 2.4 安全回路数据流
系统采用了带诊断的多重表决机制来剔除异常数据，确保高可用性和高安全性。多重表决机制的数据流如图2.4所示，每个扫描周期内安全回路的数据流如下所述：
n 现场传感器信号通过输入端子模块将信号分配到三重化的输入通道；
n 每系输入通道通过I/O总线将本系输入数据发送给本系控制器；
n 三系控制器通过CPU 总线交换输入数据，每系控制器得到三份输入数据；
n 每系控制器表决三份输入数据，用表决结果运行用户组态逻辑，得到本系输出数据；
n 三系控制器通过CPU总线交换输出数据，每系控制器得到三份输出数据；
n 每系控制器表决三份输出数据，得到表决后的输出数据；
n 每系控制器通过I/O总线发送输出数据到本系的输出通道；
n 每系输出通道通过三取二（2oo3）硬件表决电路得到输出到输出端子模块的信号；
n 输出信号通过输出端子板输出到现场执行器。
3 系统特点
作为国内唯一具有自主知识产权的安全仪表系统，HiaGuard系统能够在确保系统安全性、可用性及易用性的同时满足不同用户要求。下面将HiaGuard系统的特点概述如下：
n 从输入到控制到输出采用完全的三重化架构（2oo3D）。
n 安全回路可用性最少可达99.999%。
n 系统响应时间可以做到30ms以内，对危险工况反应更及时。
n 部分诊断方法可满足SIL4等级要求，因此系统中诊断不到的危险失效更低，系统更安全。
n 现场提供了丰富的现场接线诊断功能，能够及时发现现场接线故障，排除安全隐患。
n 作为安全回路中的重要一环，平均要求危险失效概率（PFDavg）可低至整个安全回路的10%以下，便于安全回路其他部件的选择。
n 具有独立的通讯模块，且通讯模块内置防火墙，可有效阻止外部网络风暴和病毒对安全回路的影响，通讯模块失效则安全回路的安全性不受影响。
n 控制站内及控制站间的SOE精度可达到1ms。
n 与和利时DCS可以在以太网层面实现信息集成，共用HMI界面，DCS侧失效不影响SIS侧安全。
n 软件操作界面及手册完全中文，便于国内用户使用。
四、典型应用方案
2009年国家安监总局【116号文】规定了15种危险化学工艺必须要采用安全仪表系统，2013年3月又新增了3种危险化学工艺，这三种危险化学工艺中就包括“新型煤化工工艺”，包括煤制油(甲醇制汽油、费-托合成油)、煤制烯烃（甲醇制烯烃）、煤制二甲醚、煤制乙二醇（合成气制乙二醇）、煤制甲烷气（煤气甲烷化）、煤制甲醇、甲醇制醋酸等工艺。
在“新型煤化工工艺”中，重点监控工艺参数包括：反应器温度和压力；反应物料的比例控制；料位；液位；进料介质温度、压力与流量；氧含量；外取热器蒸汽温度与压力；风压和风温；烟气压力与温度；压降；H2/CO比；NO/ O2比；NO/ 醇比；H2、H2S、CO2含量等。
“新型煤化工工艺”对于安全控制的基本要求可以概括为：反应器温度、压力报警与联锁；进料介质流量控制与联锁；反应系统紧急切断进料联锁；料位控制回路；液位控制回路；H2/CO比例控制与联锁；NO/O2比例控制与联锁；外取热器蒸汽热水泵联锁；主风流量联锁；可燃和有毒气体检测报警装置；紧急冷却系统；安全泄放系统。
“新型煤化工工艺”涉及的装置宜采用的控制方式包括：将进料流量、外取热蒸汽流量、外取热蒸汽包液位、H2/CO比例与反应器进料系统设立联锁关系，一旦发生异常工况启动联锁，紧急切断所有进料，开启事故蒸汽阀或氮气阀，迅速置换反应器内物料，并将反应器进行冷却、降温。
考虑到安全保护系统和常规控制系统要“相互独立”的原则，典型的保护方案示意如图3.1所示：根据不同工艺、不同装置的危险程度，以HAZOP分析结果为依据，确定安全回路的冗余方式（单通道、双冗余还是三冗余）及部件的安全等级（比如安全回路中的传感器需要为SIL2等级还是SIL3等级），安全回路中的部件和常规控制回路中的部件完全独立，避免两系统间耦合（比如共用电源）造成的同时失效。

图3.1 安全仪表系统和常规控制系统
氧化工艺”是国家安监总局规定的15种危险化学工艺中的第十种，安全控制的基本要求是：（氧化）反应温度、（系统）压力的报警和联锁（停止风机）；反应物料的比例（氧醇摩尔比）控制和联锁及紧急切断系统（甲醇供料阀、罗茨风机、尾气风机）、气相氧含量监测、安全泄放系统、可燃（甲醇、氢气）和有毒（甲醛）气体检测及报警联锁。
目前甲醛行业单位基本普及了DCS生产过程控制，但是缺少危化安全工艺要求的切断、泄放、紧急停车系统和气相氧含量与氧醇比安全监测。对于企业界区内原料储罐、成品罐区、高位槽、水封液位、汽包液位和压力监测还存在监控空白。
五、结论
随着危化企业重伤、死亡事故的频发和安全监管意识的强化，本文特此向全行业提供一套科学合理的安全系统解决方案，附带全套设计、施工资质，敬请放心！

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