在役大型石油儲罐安全儀表系統改造方案

　　摘　要：在石油化工行業的實際生產過程中，應用安全儀表系統(SIS)可以有效地避免和減少廠區或生產裝置設施中存在的過程風險，該系統的合理設計以及運行情況可以對裝置的安全狀態產生直接影響。本文介紹了如何判斷在役大型石油儲罐罐區SIS設備等級，驗證安全儀表功能(SIF)設計和安全完整性等級(SIL)確認，以對平均危險失效概率和可靠性的比較為基礎，從而達到選擇合適的安全儀表系統的目的。以某個實際工程項目為例，針對在役大型石油儲罐SIS改造工程，根據其安全完整性等級分析確定了儲罐SIS的主要工藝控制變量，具體設計和改造了SIS及完整的聯鎖控制，并開始投入生產運營。

　　關鍵詞：在役石油儲罐安全儀表系統(SIS)安全完整性等級(SIL)聯鎖控制

　　引言

　　石油儲罐罐區通過配置獨立于其他系統的安全儀表系統(SafetyInstrumentedSystem，SIS)，增加聯鎖保護控制的可靠性，可以有效防止因聯鎖保護回路失效而導致的危險事件或事故發生。然而對于石化儲罐罐區項目中安全儀表系統的設置，現行相關法規或技術標準中的規定比較模糊。基于該現狀，應急管理部(原國家安監總局)于2014年發布了《關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》，明確規定了相關企業在役罐區需要進行風險分析及安全評估，并在此基礎上進行安全儀表系統設計。

　　與新建裝置不同，在役的罐區在進行SIS改造時，需要面臨的困難更多，改造風險也會相應增加。所以建議在開始進行項目設計時，需要提前全面考慮各種危險因素，從而審慎全面地提出設計方案。在進行在役罐區SIS改造時，儲罐一般沒有預留充足的液位傳感器安裝接口，并且改造可能會影響罐區的正常作業，參與聯鎖動作的液位傳感器可靠性較低，改造成本可能會過高等。因此本文重點研究了如何能夠在保證可靠性的前提下，又能節省SIS改造成本，達到安全可靠、經濟實用的目的。

　　1罐區工藝概況及危險因素分析

　　1.1工藝概況

　　在役儲油罐區的儲存轉運油品儲罐容積較大、品種較多，并且涉及的生產裝置多，工藝流程比較復雜，且介質多為易揮發、易擴散、易燃易爆介質，儲存危險性大。因此，如何設置罐區安全控制系統，對罐區內的裝置進行統一的監控及聯鎖顯得非常重要，也是接下來的研究重點。

　　1.2危險因素分析

　　本文對國內十余家大型儲油罐區的安全儀表系統進行了調研分析，發現了SIS普遍存在一些問題，比如設計時間較早、采用已淘汰的標準導致設計缺陷、使用時間較長導致可靠性下降、日常維護不到位、設備管理存在漏洞等，主要表現在以下幾方面：

　　(1)安全儀表系統未獨立設置根據國內外最新版標準規范的要求，儲油罐區等儲運裝置的SIS的設置必須與過程控制系統(SCADA)互相獨立，但目前大部分儲罐并沒有設置獨立的SIS，其相關的安全聯鎖控制一般依賴過程控制系統(如SCADA、DCS等)完成，安全性不能得到保證。(2)安全保護方案設計缺陷由于裝置設計時間及建設時間一般比較久遠，所以當時采用的相關標準存在過期或已被替換的情況。且由于建成時間不同，導致相同或類似儲罐裝置的安全控制方案不一樣。在某些危險程度較高的儲罐卻沒有相對應的可靠性高的安全保護措施與方法。

　　(3)現場安全儀表設置缺陷現場傳感器、執行器(如閥門)在設置時，存在沒有設置合適的冗余結構、檢驗測試周期設置不足等問題，導致裝置的拒動或誤動的次數比例升高，無法滿足功能安全的需要。(4)某些大型儲罐的罐根閥仍采用現場人員手動操作控制的方式儲罐的罐根閥作為在儲罐發生泄露時的最后保障起到了非常重要的作用，但是當現場發生危險情況時(如起火、爆炸等)時，現場操作人員根本無法靠近罐體并手動關閉閥門，這時就需要設置一個自動緊急切斷閥，從而避免產生更嚴重的損失。

　　1.3改造難點

　　一般情況下，在役罐區SIS改造工程中，實現液位測量功能的儀表的選擇是安全聯鎖功能能否發揮作用的主要因素。對于在役罐區，尤其是一些建成時間較長的裝置，設備一般沒有備用口，那么新增儀表設備的施工就成為了難點。如果設備條件受限，或者綜合考慮成本和工期等因素，不允許在設備上重新開口，通常有以下幾種方法可供參考：充分利用原有儀表開口;利用設備的人孔;利用設備的聯通氣相連接口;選用外貼式的超聲波液位開關實現液位測量等。

　　2安全儀表系統改造前準備

　　目前，大型油品儲罐的安全儀表系統設計既要遵循GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統設計規范》的規定，又要符合國家應急管理部發布的第40和116號令的要求。由于是在役罐區改造工程，因此在設計方案過程中要充分考慮可實施性以及已有設施的充分利用。根據現有規范和現場裝置的需求，為了防止在異常工況下儲罐冒罐或抽空的危險情況發生，在進行SIS的設計時，液位將會作為首要控制參數進行考慮。液位傳感器可以用來監測液位的位置情況，在液位達到限值時，觸發液位高/低報警，達到聯鎖值時則進行緊急聯鎖。

　　2.1危險與可操作性分析

　　根據功能安全標準IEC61508和IEC61511的要求，在進行功能安全評估時，首先應該分析與工藝過程有相關性的危險與風險。由于是在已有圖紙資料比如在役大型儲油罐區的P&ID圖、儀表聯鎖邏輯圖等的基礎上，進行工藝過程的危險和風險評估，因此本文選擇采用目前常用且證明有效的HAZOP分析方法，辨識儲罐裝置的安全儀表功能(SIF)。以典型儲罐為例，儲罐HAZOP分析結果的建議措施中，有涉及到儀表專業的是：增加儲罐高高液位聯鎖進料閥和儲罐低低液位聯鎖出料閥。

　　2.2確定安全完整性等級

　　安全完整性等級(SIL)的確定是為了驗證每個安全儀表功能(SIF)回路安全可靠性的最低要求，從而達到使生產過程中可能發生的風險減少與危害降低的目的。保護層分配安全功能的分配方法主要有：保護層分析LOPA、風險矩陣、風險圖等。本研究運用LOPA分析方法對在役大型儲油罐區SIF進行目標SIL等級的分配。通過對在役大型儲油罐區SIS進行LOPA分析，確定了各個SIF的目標SIL等級。

　　與原油罐的液位高高/低低相關的目標SIL等級為SIL≥1，并且儲罐裝置面臨的主要安全風險就是液位過高導致冒頂，原油溢出發生起火爆炸。

　　2.3安全儀表功能SIL驗證計算

　　根據技術文件ISA-TR84.00.02-2002，目前主流的SIL等級計算方法分別有以下幾種：故障樹分析、簡化方程式、可靠性方塊圖、馬爾可夫分析等。其中，故障樹分析方法(FTA，FaultTreeAnalysis)是本研究所采用的驗證計算方法。根據每條安全儀表功能回路的硬件組成，使用FTA的計算方法進行可靠性計算。

　　3安全控制系統實際改造方案

　　某工程項目是大型外資石油化工企業針對其在役儲油罐區的SIS改造，改造設計首先要滿足國家相關法律法規要求，比如《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》(GB/T21109-2007/IEC61511:2003)、《石油化工安全儀表系統設計規范》(GB/T50770-2013)和《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》(GB/T20438-2017/IEC61508:2010)等。對存在在役大型石油儲罐的罐區，可以使用過程風險評估和保護層分配安全功能的方法，完成針對在役大型罐區的SIS改造。

　　3.1項目概況

　　在進行SIS改造工程之前，首先應對裝置進行HAZOP分析和SIL評估，并為每一條SIF回路定級。現階段儲罐液位的聯鎖邏輯控制還沒有獨立出來，依然通過DCS實現，這樣的設置無法實現風險降低的目的。因此，需要進行SIS改造工程，從而達到液位安全性所要求的SIL等級，主要改造內容：

　　(1)增設1套安全儀表系統硬件，實現液位保護功能：1)當液位達到高高聯鎖值時，自動觸發相應進罐管道上的氣動切斷閥。2)當液位達到低低聯鎖值時，自動觸發相應出罐管道上的氣動切斷閥。(2)SIS能夠將信息上傳到DCS中進行顯示。在系統集成上可以把SIS的信號通過通信的方式，把檢測器、執行元件等元器件以及安全功能的狀態在DCS上進行顯示。使DCS成為唯一有效的監測窗口，使SIS在DCS顯示統一的報警和狀態，方便操作人員對生產情況的全盤檢測。當然，SIS自身對于設備的控制功能，必須在SIS上完成。按照安全完整性要求，現場的檢測儀表和實現動作的執行元件必須由SIS進行供電和控制。

　　3.2改造內容

　　對罐區儲罐進行SIS設備現場改造。

　　(1)此改造對象中設置自動聯鎖的進出管道中，分別新增一個電磁閥控制原有的氣動開關閥門，增加的電磁閥還應采用滿足SIL1等級的產品。原來電磁閥的動作信號是從DCS輸出的，負責在正常工況下閥門的開關控制。新增電磁閥的動作信號來自于新增的SIS，可以實現在特殊情況下的緊急聯鎖功能。氣動閥門的閥位回訊器產生的回訊信號接入SIS，SIS與DCS之間可以通信，最終信號在DCS上顯示，并且可以將原來的電纜加以利用來傳輸回訊信號。

　　(2)由于此儲罐并未預留測量儀表的安裝接口，再加上成本及工期等客觀因素，考慮將聯鎖回路中的液位開關替換為SIL1及以上等級的外貼式產品。(3)儲罐現有的液位高高傳感器信號上傳到SIS中，從而實現安全儀表功能中的液位高高停進料，當液位高高時，關閉進料管線上的新增電磁閥;將儲罐現有的液位低低傳感器信號傳輸至SIS，實現安全儀表功能中的液位低低停出料,當液位低低時，關閉出料管線上的新增電磁閥。利用現有傳感器信號，此液位開關現有的儀表相關線纜可以直接加以利用，降低成本。

　　(4)罐區如若發生火災等危急情況時，現場操作人員根本無法靠近儲罐并手動關閉罐根閥，因此建議將罐根手操閥改造為可遠程可控制的電動閥，增設泵房控制室操作臺緊急關閥硬按鈕，實現緊急關閥功能。并將罐根閥的開、關、停控制和全開、全關、就地/遠控、故障狀態全部進SIS。(5)罐前操作閥及罐根閥宜采用故障安全型,即失電時閥門自動關閉，以保證在系統斷電時的功能安全。(6)當遇到緊急情況觸發聯鎖值，儲罐的罐前閥在緊急關斷時，為避免與其連接的輸油管道發生超壓危險，需要系統關閉船上的輸油泵等設備;若不能關閉，則應設置壓力安全泄放裝置。

　　3.3SIS選型

　　在考慮SIS產品選型時，首先了解罐區原來的控制系統品牌與型號。由于本在役罐區使用的DCS為羅克韋爾的產品，因此現場的操作及維護人員對羅克韋爾的操作系統已經非常了解，因此決定也選用羅克韋爾AADvance系列的SIS，可以使新系統的系統畫面、操作流程、系統配置都與原有DCS系統大致相同。選用的SIS經國際第三方TÜV安全認證，并能夠達到SIL1及以上安全等級，確保罐區裝置安全穩定運行。

　　4結束語

　　在役大型石油罐區內，裝置的安全、平穩運行是該類裝置設計和操作的最重要問題之一。本文以某工程項目為背景，結合實際情況，首先分析討論了HAZOP分析及SIL定級的基礎流程。在役罐區的改造通常涉及各方面因素，各個罐區情況各不相同，SIS改造工程的難度較大。對于在役儲罐罐區的改造項目，首先應確定罐區類別，然后通過具體分析罐區內每個儲罐的特點擬定相應的設計方案，使其改造之后能夠達到要求的安全完整性等級。根據實際項目情況，本文具體討論了如何根據安全完整性等級設計符合要求的SIS，形成了在役罐區安全控制系統的改造方案樣本以及一定的有益經驗。

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　　作者：徐慶春1郭怡安2

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