在役大型石油储罐安全仪表系统改造方案

　　摘　要：在石油化工行业的实际生产过程中，应用安全仪表系统(SIS)可以有效地避免和减少厂区或生产装置设施中存在的过程风险，该系统的合理设计以及运行情况可以对装置的安全状态产生直接影响。本文介绍了如何判断在役大型石油储罐罐区SIS设备等级，验证安全仪表功能(SIF)设计和安全完整性等级(SIL)确认，以对平均危险失效概率和可靠性的比较为基础，从而达到选择合适的安全仪表系统的目的。以某个实际工程项目为例，针对在役大型石油储罐SIS改造工程，根据其安全完整性等级分析确定了储罐SIS的主要工艺控制变量，具体设计和改造了SIS及完整的联锁控制，并开始投入生产运营。

　　关键词：在役石油储罐安全仪表系统(SIS)安全完整性等级(SIL)联锁控制

　　引言

　　石油储罐罐区通过配置独立于其他系统的安全仪表系统(SafetyInstrumentedSystem，SIS)，增加联锁保护控制的可靠性，可以有效防止因联锁保护回路失效而导致的危险事件或事故发生。然而对于石化储罐罐区项目中安全仪表系统的设置，现行相关法规或技术标准中的规定比较模糊。基于该现状，应急管理部(原国家安监总局)于2014年发布了《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》，明确规定了相关企业在役罐区需要进行风险分析及安全评估，并在此基础上进行安全仪表系统设计。

　　与新建装置不同，在役的罐区在进行SIS改造时，需要面临的困难更多，改造风险也会相应增加。所以建议在开始进行项目设计时，需要提前全面考虑各种危险因素，从而审慎全面地提出设计方案。在进行在役罐区SIS改造时，储罐一般没有预留充足的液位传感器安装接口，并且改造可能会影响罐区的正常作业，参与联锁动作的液位传感器可靠性较低，改造成本可能会过高等。因此本文重点研究了如何能够在保证可靠性的前提下，又能节省SIS改造成本，达到安全可靠、经济实用的目的。

　　1罐区工艺概况及危险因素分析

　　1.1工艺概况

　　在役储油罐区的储存转运油品储罐容积较大、品种较多，并且涉及的生产装置多，工艺流程比较复杂，且介质多为易挥发、易扩散、易燃易爆介质，储存危险性大。因此，如何设置罐区安全控制系统，对罐区内的装置进行统一的监控及联锁显得非常重要，也是接下来的研究重点。

　　1.2危险因素分析

　　本文对国内十余家大型储油罐区的安全仪表系统进行了调研分析，发现了SIS普遍存在一些问题，比如设计时间较早、采用已淘汰的标准导致设计缺陷、使用时间较长导致可靠性下降、日常维护不到位、设备管理存在漏洞等，主要表现在以下几方面：

　　(1)安全仪表系统未独立设置根据国内外最新版标准规范的要求，储油罐区等储运装置的SIS的设置必须与过程控制系统(SCADA)互相独立，但目前大部分储罐并没有设置独立的SIS，其相关的安全联锁控制一般依赖过程控制系统(如SCADA、DCS等)完成，安全性不能得到保证。(2)安全保护方案设计缺陷由于装置设计时间及建设时间一般比较久远，所以当时采用的相关标准存在过期或已被替换的情况。且由于建成时间不同，导致相同或类似储罐装置的安全控制方案不一样。在某些危险程度较高的储罐却没有相对应的可靠性高的安全保护措施与方法。

　　(3)现场安全仪表设置缺陷现场传感器、执行器(如阀门)在设置时，存在没有设置合适的冗余结构、检验测试周期设置不足等问题，导致装置的拒动或误动的次数比例升高，无法满足功能安全的需要。(4)某些大型储罐的罐根阀仍采用现场人员手动操作控制的方式储罐的罐根阀作为在储罐发生泄露时的最后保障起到了非常重要的作用，但是当现场发生危险情况时(如起火、爆炸等)时，现场操作人员根本无法靠近罐体并手动关闭阀门，这时就需要设置一个自动紧急切断阀，从而避免产生更严重的损失。

　　1.3改造难点

　　一般情况下，在役罐区SIS改造工程中，实现液位测量功能的仪表的选择是安全联锁功能能否发挥作用的主要因素。对于在役罐区，尤其是一些建成时间较长的装置，设备一般没有备用口，那么新增仪表设备的施工就成为了难点。如果设备条件受限，或者综合考虑成本和工期等因素，不允许在设备上重新开口，通常有以下几种方法可供参考：充分利用原有仪表开口;利用设备的人孔;利用设备的联通气相连接口;选用外贴式的超声波液位开关实现液位测量等。

　　2安全仪表系统改造前准备

　　目前，大型油品储罐的安全仪表系统设计既要遵循GB/T50770-2013《石油化工安全仪表系统设计规范》的规定，又要符合国家应急管理部发布的第40和116号令的要求。由于是在役罐区改造工程，因此在设计方案过程中要充分考虑可实施性以及已有设施的充分利用。根据现有规范和现场装置的需求，为了防止在异常工况下储罐冒罐或抽空的危险情况发生，在进行SIS的设计时，液位将会作为首要控制参数进行考虑。液位传感器可以用来监测液位的位置情况，在液位达到限值时，触发液位高/低报警，达到联锁值时则进行紧急联锁。

　　2.1危险与可操作性分析

　　根据功能安全标准IEC61508和IEC61511的要求，在进行功能安全评估时，首先应该分析与工艺过程有相关性的危险与风险。由于是在已有图纸资料比如在役大型储油罐区的P&ID图、仪表联锁逻辑图等的基础上，进行工艺过程的危险和风险评估，因此本文选择采用目前常用且证明有效的HAZOP分析方法，辨识储罐装置的安全仪表功能(SIF)。以典型储罐为例，储罐HAZOP分析结果的建议措施中，有涉及到仪表专业的是：增加储罐高高液位联锁进料阀和储罐低低液位联锁出料阀。

　　2.2确定安全完整性等级

　　安全完整性等级(SIL)的确定是为了验证每个安全仪表功能(SIF)回路安全可靠性的最低要求，从而达到使生产过程中可能发生的风险减少与危害降低的目的。保护层分配安全功能的分配方法主要有：保护层分析LOPA、风险矩阵、风险图等。本研究运用LOPA分析方法对在役大型储油罐区SIF进行目标SIL等级的分配。通过对在役大型储油罐区SIS进行LOPA分析，确定了各个SIF的目标SIL等级。

　　与原油罐的液位高高/低低相关的目标SIL等级为SIL≥1，并且储罐装置面临的主要安全风险就是液位过高导致冒顶，原油溢出发生起火爆炸。

　　2.3安全仪表功能SIL验证计算

　　根据技术文件ISA-TR84.00.02-2002，目前主流的SIL等级计算方法分别有以下几种：故障树分析、简化方程式、可靠性方块图、马尔可夫分析等。其中，故障树分析方法(FTA，FaultTreeAnalysis)是本研究所采用的验证计算方法。根据每条安全仪表功能回路的硬件组成，使用FTA的计算方法进行可靠性计算。

　　3安全控制系统实际改造方案

　　某工程项目是大型外资石油化工企业针对其在役储油罐区的SIS改造，改造设计首先要满足国家相关法律法规要求，比如《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》(GB/T21109-2007/IEC61511:2003)、《石油化工安全仪表系统设计规范》(GB/T50770-2013)和《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》(GB/T20438-2017/IEC61508:2010)等。对存在在役大型石油储罐的罐区，可以使用过程风险评估和保护层分配安全功能的方法，完成针对在役大型罐区的SIS改造。

　　3.1项目概况

　　在进行SIS改造工程之前，首先应对装置进行HAZOP分析和SIL评估，并为每一条SIF回路定级。现阶段储罐液位的联锁逻辑控制还没有独立出来，依然通过DCS实现，这样的设置无法实现风险降低的目的。因此，需要进行SIS改造工程，从而达到液位安全性所要求的SIL等级，主要改造内容：

　　(1)增设1套安全仪表系统硬件，实现液位保护功能：1)当液位达到高高联锁值时，自动触发相应进罐管道上的气动切断阀。2)当液位达到低低联锁值时，自动触发相应出罐管道上的气动切断阀。(2)SIS能够将信息上传到DCS中进行显示。在系统集成上可以把SIS的信号通过通信的方式，把检测器、执行元件等元器件以及安全功能的状态在DCS上进行显示。使DCS成为唯一有效的监测窗口，使SIS在DCS显示统一的报警和状态，方便操作人员对生产情况的全盘检测。当然，SIS自身对于设备的控制功能，必须在SIS上完成。按照安全完整性要求，现场的检测仪表和实现动作的执行元件必须由SIS进行供电和控制。

　　3.2改造内容

　　对罐区储罐进行SIS设备现场改造。

　　(1)此改造对象中设置自动联锁的进出管道中，分别新增一个电磁阀控制原有的气动开关阀门，增加的电磁阀还应采用满足SIL1等级的产品。原来电磁阀的动作信号是从DCS输出的，负责在正常工况下阀门的开关控制。新增电磁阀的动作信号来自于新增的SIS，可以实现在特殊情况下的紧急联锁功能。气动阀门的阀位回讯器产生的回讯信号接入SIS，SIS与DCS之间可以通信，最终信号在DCS上显示，并且可以将原来的电缆加以利用来传输回讯信号。

　　(2)由于此储罐并未预留测量仪表的安装接口，再加上成本及工期等客观因素，考虑将联锁回路中的液位开关替换为SIL1及以上等级的外贴式产品。(3)储罐现有的液位高高传感器信号上传到SIS中，从而实现安全仪表功能中的液位高高停进料，当液位高高时，关闭进料管线上的新增电磁阀;将储罐现有的液位低低传感器信号传输至SIS，实现安全仪表功能中的液位低低停出料,当液位低低时，关闭出料管线上的新增电磁阀。利用现有传感器信号，此液位开关现有的仪表相关线缆可以直接加以利用，降低成本。

　　(4)罐区如若发生火灾等危急情况时，现场操作人员根本无法靠近储罐并手动关闭罐根阀，因此建议将罐根手操阀改造为可远程可控制的电动阀，增设泵房控制室操作台紧急关阀硬按钮，实现紧急关阀功能。并将罐根阀的开、关、停控制和全开、全关、就地/远控、故障状态全部进SIS。(5)罐前操作阀及罐根阀宜采用故障安全型,即失电时阀门自动关闭，以保证在系统断电时的功能安全。(6)当遇到紧急情况触发联锁值，储罐的罐前阀在紧急关断时，为避免与其连接的输油管道发生超压危险，需要系统关闭船上的输油泵等设备;若不能关闭，则应设置压力安全泄放装置。

　　3.3SIS选型

　　在考虑SIS产品选型时，首先了解罐区原来的控制系统品牌与型号。由于本在役罐区使用的DCS为罗克韦尔的产品，因此现场的操作及维护人员对罗克韦尔的操作系统已经非常了解，因此决定也选用罗克韦尔AADvance系列的SIS，可以使新系统的系统画面、操作流程、系统配置都与原有DCS系统大致相同。选用的SIS经国际第三方TÜV安全认证，并能够达到SIL1及以上安全等级，确保罐区装置安全稳定运行。

　　4结束语

　　在役大型石油罐区内，装置的安全、平稳运行是该类装置设计和操作的最重要问题之一。本文以某工程项目为背景，结合实际情况，首先分析讨论了HAZOP分析及SIL定级的基础流程。在役罐区的改造通常涉及各方面因素，各个罐区情况各不相同，SIS改造工程的难度较大。对于在役储罐罐区的改造项目，首先应确定罐区类别，然后通过具体分析罐区内每个储罐的特点拟定相应的设计方案，使其改造之后能够达到要求的安全完整性等级。根据实际项目情况，本文具体讨论了如何根据安全完整性等级设计符合要求的SIS，形成了在役罐区安全控制系统的改造方案样本以及一定的有益经验。

　　参考文献

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　　作者：徐庆春1郭怡安2

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