生產裝置的安全保護及SIS安全儀表系統

肖虹

摘要：現代化工業生產裝置，為了預防、控制或減少來自過程及安全相關設備的特定危險，采用降低外部風險設施、工藝參數條件控制、安全保護控制、SIS安全儀表系統及火災及氣體檢測保護系統,構筑生產裝置無懈可擊的安全保護層，確保生產裝置長期連續穩定運行。即使安全功能出現失效危險, SIS安全儀表系統也能自動將受控過程轉入預定的安全狀態。

關鍵詞：安全保護層，保護控制，安全完整性等級（Safety integrity levels），SIS

安全儀表系統( safyte instrumente system)

中圖分類號： TU714 文獻標識碼： A

1 生產裝置安全保護層

1.1第一安全保護層：裝置設計

（1）工藝設計：根據安全需要,在工藝設備或管道上設置安全放空閥、防爆膜、排氣阻火器,設備電化學保護及特殊工藝管道的靜電接地保護等安全設施來降低外部風險。

(2) 構筑物設計：高層構筑物或有爆炸危險設備（例如有爆炸危險的氣柜）設有防雷

擊的安全保護裝置。

（3）儀表設計：根據現場危險區域劃分,針對所劃分的危險區域類別，為滿足安全要求，現場儀表采用隔爆或由本安儀表和安全柵關聯設備構成的本安防爆系統來防止爆炸危險發生。此外，在雷區現場采用防雷儀表和防雷接地設施防止雷擊危險。

1.2第二安全保護層：過程檢測和控制

以過程檢測、控制及參數越限報警為目的, 針對生產過程的物料流和能量流，設置必要的物料平衡控制、能量平衡控制和約束條件控制，以及保護控制來確保生產裝置長期在最適宜的工況下運行。

圖1是大型離心式壓縮機特性曲線。圖中N1～N4為離心式壓縮機的速度線；在某一恒速運行都有一個喘震極限流量稱為喘震點，喘震點的軌跡形成喘震線。喘震線的左邊區域稱為喘震區；喘震線的右邊區域稱為安全工作區。大于喘震流量的10～15%

P2

P1

安

喘N1

A 全B

N2 線

震 工線

N3 震 作 制

區

N4 喘區 控

QA QB

通過離心壓縮機流量

圖1 離心式壓縮機特性曲線

流量值的軌跡線稱為離心式壓縮機的控制線。

假定離心式壓縮機在額定轉速為N2下運行，當通過離心式壓縮機的流量低于某一極限流量QA時，壓縮機產生的壓頭不能克服系統外部阻力，使壓縮機出口氣體出現倒流，引起流量和出口壓力迅速變化的不穩定現象稱為離心式壓縮機喘震。喘震發生時壓縮機產生軸向高頻反推力，使壓縮機葉輪和壓縮機基礎遭到毀滅性破壞而造成設備人員傷亡。為確保設備和人身安全，設立離心式壓縮機流量定值抗喘震保護控制系統,流量控制的設定值為圖中的QB =[1+（10～15%）]QA，當通過壓縮機的流量≤QB時，流量定值抗喘震控制系統打開壓縮機旁路調節閥，將壓縮機出口氣體旁路而回流到壓縮機入口，迅速增大通過壓縮機的流量來防止喘震發生。

1.3第三安全保護層：SIS安全儀表系統

SIS安全儀表系統，目前已取代了ESD緊急停車系統。該系統采用與過程控制系統在物理上完全分離的SIS安全儀表系統。在正常狀態下，SIS安全儀表系統的自診斷測試幾乎復蓋所有的輸入、輸出硬件設備和系統軟件，一旦安全功能出現危險故障時, SIS安全儀表系統執行安全功能,將被控過程自動轉入預定的安全狀態。

1.4第四安全保護層：火災及氣體檢測保護系統（FGS）

在工業領域中，火災及氣體檢測保護系統是非常重要的安全保護系統。隨著經濟的發展，人們對安全、健康和環保的要求越來越高。設置火災及氣體檢測保護系統用來處理可燃性氣體及有毒氣體產生的危險。當火災發生時，火災及氣體檢測保護系統立即啟動消防滅火系統，必要時同時啟動SIS安全儀表系統執行停車安全保護。當檢測到有毒氣體泄漏發生時, 火災及氣體檢測保護系統迅速切斷并封堵有毒氣體。

2SIS安全儀表系統

2.1SIS安全儀表系統構成、硬件和軟件結構及系統功能

2.1.1SIS安全儀表系統構成

如圖2所示,SIS安全儀表系統通常由以下四部分組成：

（1）輸入端(傳感器)：包括不可編程設備和可編程電子設備；

（2）邏輯控制系統(控制器)：包括用作輸入/輸出接口的輸入/ 輸出模塊、SIS控制器和通訊網絡；

（3）輸出端(執行元件) ：包括不可編程設備和可編程電子設備。

（4）安全操作中心：包括安全工作站、輔助操作臺及打印機 。

輸入端(傳感器) 邏輯控制系統（控制器）輸出端(執行元件)

不可編程可編程電子器件不可編程

設備 設備

可編程電子 可編程電子器件可編程電子

設備設備

硬件 軟件硬件 軟件硬件 軟件

打印機安全工作站 輔助操作臺

圖2SIS安全儀表系統構成

2.1.2 硬件和軟件結構：硬件和軟件結構如表1所示，系統軟件包括嵌入軟件和應用軟件 。

2.1.3SIS安全儀表的系統功能：

2.1.3.1 系統設備功能

（1）輸入端設備：實現安全功能所需的各類傳感器，包括模擬量和開關量輸入設備,

用于邏輯控制系統的邏輯變量輸入。

（2）邏輯控制設備（邏輯控制器）：用于邏輯運算和邏輯控制的設備。該部分設備是系統核心設備，包括邏輯輸入/輸出模塊、控制器及通訊設備。

表1可編程電子器件硬件和軟件結構。

可編程電子器件結構