前言

根據《山西省人民政府關于做好 2018 年安全生產工作的通知》（晉政發〔2018〕1 號）的相關要求及重點工作安排，省安監局決定在全省危險化學品生產企業開展化工安全儀表系統專項整治工作，督促企業認真落實安全生產主體責任，切實貫徹安全生產法律法規及標準規范要求，按照原國家安全監管總局《關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》（安監總管三〔2014〕116 號）的工作部署，2018 年年底前，全面完成山西省涉及重點監管危險化工工藝和涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒化學品且構成二級以上重大危險源的在役生產裝置或設施的危險化學品生產企業安全儀表系統改造工作，切實提升企業本質安全水平[1]。山西天澤煤化工集團公司三個生產單位生產裝置中含有國家安全監督管理總局公布的重點監管的危險化工工藝（合成氨工藝）和重大危險源（氨罐區等），為進一步加強公司化工安全儀表系統管理，完成各生產單位在役安全儀表系統（SIS）升級改造專項整改驗收工作，集團公司領導高度重視，成立了“化工安全儀表系統專項整治工作領導組”，匯集公司各相關部門及工程技術人員對煤化工行業兄弟單位 SIS 系統配置情況進行考察，與上級管理部門積極聯系落實具體要求、與設計單位進行技術交流落實實施方案，經過多方努力，制定了具體的整改實施方案、明確了整改措施和進度要求，于 2018 年 5月準備開始，目前已完成 SIS 系統設計、設備招標采購、安裝調試、聯動投運等工作，正在積極準備配合項目驗收工作。

 

2 SIS 概述

2.1 安全儀表系統（SIS）

化 工 安 全 儀 表 系 統（ 簡 稱 SIS，Safetyinstrumented system）包括安全聯鎖系統、緊急停車系統和有毒有害、可燃氣體及火災檢測保護系統等。安全儀表系統獨立于基本過程控制系統 BPCS（例如 DCS 集散控制系統、可編程電子系統 PES 等），生產正常時處于休眠或靜止狀態，一旦生產裝置或設施出現可能導致安全事故的情況時，能夠瞬間準確動作，使生產過程安全停止運行或自動導入預定的安全狀態，必須有很高的可靠性（即功能安全）和規范的維護管理[2]。根 據 安 全 儀 表 功 能 失 效 產 生 的 后 果 及 風險，將安全儀表功能劃分為不同的安全完整性等級。不同等級安全儀表回路在設計、制造、安裝調試和操作維護方面技術要求不同。

 

2.2 基本組成

由 觸 發 傳 感 器（Initiator）、邏 輯 控 制 器（Logic Solver）和終端元件（Final Element）以及達到特定安全完整性水平（SIL）的支持系統等組成，如框圖 1 所示。

2.3 特點

（1）安全性。正常不動作，發生危險情況動作，工藝參數超限情況下的特定安防措施；

（2）獨立性。獨立于過程控制系統，設計意圖不同、運行邏輯不同、管理要求不同。

 

2.4 基本要求

（1）按國家安全監督管理總局要求：對涉及“兩重點一重大（即重點監管危險化學品、重點監 管 危 險 化 工 工 藝 和 危 險 化 學 品 重 大 危 險源）”所有新建和在役生產裝置的化工企業和危險化學品儲存單位，要設計符合要求的安全儀表系統。

（2）涉及“兩重點一重大”在役生產裝置或設施的化工企業和危險化學品儲存單位，要在全面開展過程危險分析（如危險與可操作性分析）基礎上，通過風險分析確定安全儀表功能及其風險降低要求，并盡快評估現有安全儀表功能是否滿足風險降低要求。

（3）安全儀表系統改造工程必須經具有綜合甲級資質或化工石化專業甲級設計資質的化工石化設計單位設計,并根據安全儀表功能失效產生的后果及風險等因素確定相應的安全完整性等級（SIL1-4，zui高為 4 級），防止設計不足或過度設計。安全儀表系統改造工程應委托具備相應資質的制造、安裝單位進行，改造完成后，設計、制造、安裝單位進行安裝、調試，試運行正常后由企業組織以上單位編制竣工報告[3]。

（4）SIS 系統和相關儀表設備按設計需要有SIL 等級認證（安全完整性等級）。

 

3 SIS 系統使用現狀

3.1 基本情況

山西天澤煤化工集團公司下設煤氣化廠、化工廠和永豐化肥公司三個化工生產單位，各生產單位在生產裝置建設和后續技術改造期間都安裝有 ESD、SIS 系統，因裝置規模大小、工藝控制和建設時期的具體要求不同，SIS 系統設計和配置也不相同。煤氣化廠 SIS 系統共五套，分別為 1# 合成氨 SIS 系統、2# 合成氨 SIS 系統、3# 合成氨 SIS 系統和甲醇裝置 SIS 系統、甲醛裝置 SIS系統；永豐化肥公司合成氨裝置 SIS 系統一套；化工廠合成氨裝置 SIS 系統一套。

 

3.2 存在的問題

（1）合成氨裝置 SIS 系統設計前的過程危險分析不夠全面、不系統，HAZOP 報告書不規范，達不到安全驗收標準。

（2）合成氨裝置部分聯鎖系統按 ESD 要求設計，不滿足 SIS 系統安全功能。

（3）合成氨裝置氨儲罐區采用 ESD，未獨立設置 SIS 系統，不符合安全驗收要求；

（4）甲醇裝置粗醇、精醇儲罐區未設計聯鎖系統，不符合 SIS 系統安全驗收要求。

（5）SIS 系統相關儀表設備部分無 SIL 認證，安全等級達不到要求。

（6）儀表工未進行 SIS 系統專項知識培訓，管理維護水平欠缺。

（7）SIS 系統管理不規范、專項資料、制度不健全，達不到安全驗收標準要求。

 

4 SIS 升級改造

4.1 整改措施

按照晉城市安全生產監督管理局對安全儀表系統專項整治的具體要求，針對集團公司三個化工生產單位現有裝置 SIS 系統摸底排查，列出問題清單，同時邀請專業設計單位分析評估，深入分析討論后制定了詳細的整改方案和具體實施要求。

（1）圖紙資料核查。結合安監局相關要求和 SIS 系統相關標準規范，對在役裝置現有 SIS系統、ESD 系統等聯鎖系統設計圖紙資料和現場配置情況進行核查。

（2）提出整改意見。根據核查資料與專業設計單位技術交流，拿出整改意見。

（3）確定整改方案。符合安全儀表系統等級認證要求的 SIS 系統和儀表設備升級改造后利用，漏項的按設計獨立配置補齊，明確整改方案，分析評估后開展設計。

（4）HAZOP 分析。設計單位按規定對各生產裝置全面開展工藝過程危險分析。

（5）SIS 詳 細 設 計 。 按 規 范 要 求 在 HAZOP報告基礎上進行 SIS 系統詳細設計。

（6）SIS 項目實施。按 SIS 系統設計圖紙資料進行相關設備采購和安裝調試。

（7）SIS 組織驗收。按程序要求完成 SIS 系統升級改造安裝調試和驗收工作。

 

4.2 設計

由具有甲級設計資質的化工設計單位負責完成，主要有三大部分內容：危險與可操作性分析（HAZOP）、安全完整性等級（SIL）和 SIS 系統設計。

煤氣化廠、永豐化肥公司、化工廠三個生產單位 SIS 系統設計同步進行，對各單位合成氨、甲醇及甲醛工藝流程、工段裝置區、設備管線、控制措施、儀表自控系統等全面分析、討論、設計。

 

4.2.1 HAZOP（HAZard and OPerability）分析

HAZOP 是一個結構化和系統化的檢查被定義系統的技術，是一種工藝災害識別方法[4]。識別系統中潛在的危害（Hazard）。這些危害可能包括本質上只與系統現有區域有關的危害和有更大影響范圍的危害，例如，某些環境危害。識別系統潛在的操作性問題（Operability），特別是辨識操作性干擾的原因和可能導致非一致性產品的生產偏離。

 

HAZOP 分析要通過專用的 HAZOP 文檔和軟件進行，在前后修改時可確保一致性。要對每個區域場景具體分析，并提出整改建議。在進行 HAZOP 分析前專業設計人員要根據收集的資料將工藝流程在 PID 圖中劃分為不同的分析區域，稱為“節點”，以便明確工藝功能，利于對重要部分進行分析。

（1）HAZOP 分析中的安防措施。

按照現代安全防護理論和洋蔥模型，列出所分析偏差在 PID 圖和操作程序中存在的安防措施。安防措施即在所評價位置的防止措施或減緩措施以及管理系統，該措施減少了偏離發生的概率或緩減了后果的嚴重度。

（2）資料及人員。

開展 HAZOP 需提供的主要資料有：生產裝置實際的工藝流程圖（PFD、PID）、設計說明、設備一覽表、設備布置圖、聯鎖邏輯圖、儀表數據表、企業的風險可接受標準等。

針對合成氨生產工藝按區域“節點”進行了HAZOP 分析，參加分析組成人員主要有設計單位和建設各生產單位負責人及相關專業技術人員：設計單位項目經理和各專業負責人、工廠安全和生產管理負責人、安全工程師、工藝工程師、儀表工程師、各相關崗位操作人員等。

（3）重點區域和節點。

合成氨裝置醇烴化、氨合成、冷凍、壓縮、液氨儲罐區、氣柜等；甲醇裝置合成、精醇粗醇罐區等；甲醛裝置等。

（4）HAZOP 分析報告。

對各單位生產裝置實際的工藝流程進行全面的工藝過程危險分析，根據設計資料、設計人員和操作人員對 HAZOP 分析內容的討論及補充，編制zui終 HAZOP 分析報告。對各裝置在生產過程中可能產生的偏離原因、偏離結果，為降低裝置風險，提高安全運行水平，提出了建議措施。

 

4.2.2 SIL 認定

SIL 即安全完整性：在規定時間、規定條件下，安全相關系統成功執行所要求的安全功能的 概 率 。 IEC61508 將 SIL 定 義 為 四 個 等 級 ，SIL1～SIL4。SIL 等級越高，風險降低越多。安全完整性由兩大要素組成。

 

①硬件安全完整性，其安全完整性與危險失效模式中隨機硬件失效有關，主要體現在安全儀表功能的運行過程中，和部件的功能退化及老化等有關；

 

②系統安全完整性，其安全完整性與危險失效模式中系統失效有關，主要和系統設計、制造流程、變更改造、操作規程以及文檔記錄等有關。

（1）SIL 定級。

安全完整性等級 SIL 是通過評估安全儀表系統功能失效后的風險和已有風險降低手段來確定。這些風險包括人員傷亡、環境破壞以及經濟損失的風險，其它風險降低手段包括其它技術安全相關系統和外部風險降低設施。

 

SIL 定級是 SIS 系統詳細設計的重要依據，SIL等級確定后，在 SIS 系統相關回路中的儀控設備，包括儀表、控制器、I/O 卡件、安全柵、繼電器等儀表設備和控制系統都要達到 SIL 等級相應要求。

 

（2）SIL 定級方法。

常見的 SIL 定級方法有：保護層分析（Layerof protection analysis，簡 稱 LOPA）、風 險 矩 陣（Risk Matrix）、風險圖（Risk Graph）、定量風險分析（QRA）。本項目采用 LOPA 進行定量分析，對各裝置進行 SIL 定級分析，確定 SIL 等級，編制SIL 定級報告。

 

化工生產過程包含各種保護層，如本質安全設計、基本過程控制系統（BPCS）、報警與人員干預、安全儀表功能（SIF）、物理保護（安全閥等）、釋放后保護設施、工廠應急響應和社區應急響應等。這些保護層降低了事故發生的頻率。保護層分析（LOPA）是在定性危害分析的基礎上，進一步評估保護層的有效性，并進行風險決策的系統方法，主要目的是確定是否有足夠的保護層使過程風險滿足企業的風險可接受標準。

 

4.2.3 SIS 設計

SIS 系統設計是由設計單位在完成 HAZOP分析報告，并zui終確定 SIL 等級后提交終版相關技術資料，由設計單位儀表自控專業按具體條件資料進行的安全儀表系統詳細設計。

（1）安全要求規格書（SRS）。

SRS 是 SIS 設計zui基礎的文件，編制 SRS 時主要依據有 HAZOP 報告、SIS 設計法規和標準規范、所需 SIF 的列表等。

 

（2）控制、儀表設備選型設計。

 

三個單位生產裝置均設計 SIS 系統及輔助操 作 臺 ，實 現 工 廠 安 全 儀 表 系 統 安 全 管 控 功能。按區域分別設置 SIS 系統，新增 SIS 系統設計獨立設置；在役 SIS 系統升級改造增設擴展柜做詳細設計，SIS 系統要符合 SIL 等級認證。輔助操作臺設置緊急停車鑰匙開關復位按鈕等。停車鑰匙開關采用紅色，復位按鈕采用灰色。緊急停車鑰匙開關、復位按鈕等用硬接線方式與 SIS 系統連接。

 

SIS 系統每個 SIF 回路均設計采用浪涌保護器和隔離式安全柵，有效防止雷電流對儀表設備損壞，浪涌保護器和安全柵均安裝在系統控制柜（或安全柵柜）內。

 

電源：設計為 220V.AC 50HZ UPS 不間斷電源。

 

設計主要儀表設備，液位測量儀表有：翻板液位計、磁致伸縮液位計、外測超聲波液位計、雷達液位計、射頻導納液位計、差壓變送器等；壓力測量儀表有：差壓變送器、（法蘭式）壓力變送器等；另，24V.DC，二位三通型電磁閥；24V.DC 隔離式安全柵；浪涌保護器等。防爆等級：iaⅡCT4，儀表設備符合 SIL 相應等級認證。

 

（3）聯鎖系統設計主要有以下內容。

①氣柜高度。

半水煤氣氣柜高度≥95%時，停煤氣爐；半水煤氣氣柜高度≤20%時，停羅茨機。聯鎖邏輯結構采用二選二。

 

②氨合成工藝指標。

a 氨合成廢熱回收器汽包液位≤20%時或

b 合成塔催化劑層溫度：≥520℃或

c 氨合成補氣油分進口壓力≥28MPa、氨合成油分離器進口壓力≥28MPa、氨合成冷交換器進口壓力≥28MPa 時。停系統壓縮機，停羅茨機。

聯鎖邏輯結構采用三選二。

 

③液氨球罐液位。

液氨球罐液位≥85%時，液氨進口切斷閥關閉；液氨球罐液位≤5%時，液氨出口切斷閥關閉。

聯鎖邏輯結構采用二選二。

 

④甲醇罐液位。

甲 醇 罐 液 位 ≥85% 時 ，甲 醇 進 口 切 斷 閥 關閉；甲醇罐液位≤10%時，甲醇出口切斷閥關閉。

聯鎖邏輯結構采用二選二。

 

4.3 實施

4.3.1 項目實施過程

（1）完成 SIS 設計圖紙會審，解決疑難問題；

（2）完成 SIS 升級改造設備采購計劃編制；

（3）完成 SIS 升級改造設備招標采購工作；

（4）完成 SIS 升級改造系統設備現場安裝和調試；

（5）完成工廠竣工驗收和資料歸檔整理工作；

（6）完成 SIS 專項安全評價和驗收工作。

 

4.3.2 SIS 系統升級改造情況

 

（1）SIS 控制系統。

各生產單位按 SIS 設計圖紙資料要求對新增的 SIS 系統獨立配置（如化工廠甲醛系統等），成套訂購 SIS 系統設備并安裝實施。在役的 SIS系統按設計區域對現有 SIS 系統升級改造，如操作站、輔操臺改造利舊，原有安全柵、繼電器等不符合安全等級要求的產品全部更換為 SIL 等級安全柵和繼電器，新增部分測點按具體技術方案增設 I/O 卡成套配置在新增機柜（擴展柜）內，整體要求達到 SIL3 等級認證。控制系統主要采用和利時公司 HOLLiAS 安全控制系統 V2.0，HiaGuard 系統，浙江中控技術股份有限公司 TCS-900 安全儀表系統。系統硬件、軟件均通過 SIL3/SC3 級認證。

 

（2）SIS 儀表設備。

①液位測量儀表。磁致伸縮液位計 LMT200.C1.S6.R2.B2.D2.L2.H1，SIL 認 證 等 級 為 SIL3，防爆等級為 ExiaIICT4,防護等級為 IP66，輸出 4～20mA+HART 協議。外測超聲波液位計 ELL-FI-CE16L0.5HDF1，SIL 認證等級為 SIL3，防爆等級：ExdⅡCT6、防護等級：IP67/WF1，輸出：4～20mA，四線制，顯示方式：LCD。

雷 達 液 位 計 FMP54、FMR51，SIL 認 證 等 級為 SIL3，認 證: NEPSI ExiaIICT6 Ga，輸 出: 兩 線制，4～20mA+HART。射頻導納液位計 UYB-SP-DH，SIL 認證等級為 SIL3，輸出：4～20mA+HART，帶可設定的數顯表頭。

 

②壓力測量儀表。EJA 型差壓變送器、（法蘭式）壓力變送器等，認證等級為 SIL3。

③ASCO 電磁閥。 NF8327B002 24V DC，二位三通型，認證等級為 SIL3。

④安全柵。GS8535-EX/GS8523-EX /GS8567-EX /GS8576-EX，24V.DC 隔 離 式, 認 證 等 級 為SIL2/SIL3。

⑤浪涌保護器。T-24-L，認證等級為 SIL3。

 

（3）安裝實施。

因裝置處于正常生產狀態，為使 SIS 系統升級改造對生產系統影響減小，按計劃分步實施，系統停車前做好安裝準備工作，停車后進行系統對接碰頭。

 

①停車前安裝準備。提前完成各區域 SIS系統升級改造，新增機柜（擴展柜）安裝就位，儀表一次部件預制、儀表設備校驗安裝就位，信號線纜敷設、校接線等工作。

 

②停車后系統對接。完成各區域 SIS 系統組態、調試，現場儀表一次部件焊接，儀表設備校接線投運、SIS 系統及儀表設備聯動調試等工作。

 

③聯鎖試驗。靜態聯鎖模擬試驗、動態系統投用試驗，并做好完整記錄。

 

④竣工驗收。SIS 系統資料歸檔整理、組織竣工驗收。驗收合格后，SIS 系統全部投入正常使用。

 

5 總結

在煤化工行業領域安全儀表系常被稱為安全 聯 鎖 系 統（Safety interlocking System）。 通 過SIS 系統實現安全報警和聯鎖，對系統檢測的威脅（或潛在的威脅）結果實施報警或開關調節或停機動作，是工廠安全自動控制的重要部分。它為企業的安全生產，人員設備保護和環境保護提供了基本保障。但是目前國內對于 SIL 定級與驗證，還缺乏足夠的專業人員；同時一些企業由于種種原因，SIS 系統應用沒有得到高度重視，SIS 系統配置不合格不投用形同虛設；沒有設立專項管理制度、沒有專業維護人員，這就給生產裝置帶來了安全隱患。

 

近年來，隨著國家安監局的強制要求和企業安全意識的提高，SIS 系統也得到廣泛應用。但要想真真提高工廠生產本質安全，一方面需要國家安監和技術部門，盡快完善煤化工企業安全儀表系統技術標準和認證體系，完善評估、驗收標準，同時需幫助企業做好相關人員技術和專項管理的培訓工作。另一方面企業和設計單位自身要嚴格執行國家相關法規標準，規范企業新建或在役裝置 SIS 系統評估、設計、安裝驗收等工作，同時加強專項人員培訓、加強管理制度的強化，使 SIS系統長期真實有效的投入運行，切實提高生產裝置的安全技術防護能力和本質安全水平。