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石油化工企業(yè)儲運罐區安全儀表系統的設計與應用
發(fā)布時(shí)間:
2024-02-28 14:32
安全儀表系統的定義
安全儀表系統相關(guān)概念
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安全儀表系統的設計規范標準
安全儀表系統的設計應用
1碳五球罐改造前的狀況
2HAZOP及LOPA分析
對該項目做了HAZOP分析及LOPA分析,對碳五球罐所作的分析總結如下:
1)工藝偏離因素:高溫。
a)可能原因及危害。由于起火導致碳五球罐溫度、壓力上升,設備超溫、超壓損壞,引起火災爆炸,人員傷亡,污染環(huán)境。
b)改善措施。增設噴淋管線(xiàn)自控閥,碳五球罐溫度高高(達到50℃)通過(guò)SIS聯(lián)鎖打開(kāi)自動(dòng)噴淋措施,應符合SIL1等級;碳五球罐進(jìn)出料管道增設緊急切斷閥,并具有手動(dòng)操作功能,采取防火措施,火災報警通過(guò)SIS聯(lián)鎖切斷罐體根部進(jìn)出料緊急切斷閥,應符合SIL1及閥門(mén)TSO等級。
2)工藝偏離因素:高液位。
a)可能原因及危害。人員操作失誤或伺服液位計故障導致碳五球罐液位上升,滿(mǎn)溢,嚴重時(shí)導致C5氣化,引起火災爆炸。
b)改善措施。罐頂增設1套雷達液位測量作為比對,增設液位高報警,高高聯(lián)鎖液位開(kāi)關(guān),增設進(jìn)料緊急切斷閥。碳五球罐液位高高(至90%)通過(guò)SIS聯(lián)鎖關(guān)斷進(jìn)料緊急切斷閥,應符合SIL2及相應閥門(mén)TSO等級。
3)工藝偏離因素:低/無(wú)液位。
a)可能原因及危害。人員操作失誤或伺服液位計故障導致碳五球罐液位下降,造成廢碳五裝車(chē)泵抽空損壞,C5外泄,引起火災爆炸,人員傷害,環(huán)境污染。
b)改善措施。罐頂增設1套雷達液位測量作為比對,增設液位低報警,低低聯(lián)鎖液位開(kāi)關(guān),增設出料緊急切斷閥。碳五球罐液位低低(至15%)通過(guò)SIS聯(lián)鎖關(guān)斷出料緊急切斷閥,停廢碳五裝車(chē)泵,應符合SIL2及相應閥門(mén)TSO等級。
3設計應用
根據上述HAZOP及LOPA分析報告,確定碳五球罐應設置SIS保護層,增設安全儀表改造方案為:罐頂增設1套雷達液位計,罐體分別增設1套高、低液位開(kāi)關(guān),罐體進(jìn)出料管線(xiàn)分別增設1套緊急切斷閥,上/下半球噴淋管線(xiàn)分別增設1臺雨淋閥,原罐體的溫度檢測儀表取消,新上1臺具有SIL認證的溫度儀表。所有新增的現場(chǎng)安全儀表均接入新上的獨立的SIS中。
①現場(chǎng)安全儀表的選型設計
罐體溫度檢測儀表選用一體化溫度變送器,并須至少滿(mǎn)足SIL1認證要求;上下半球消防水噴淋管線(xiàn)各增設1臺雨淋閥,雨淋閥的選型及相關(guān)設計由給排水專(zhuān)業(yè)負責,其控制及閥位狀態(tài)等信號均引入消防控制室進(jìn)行監控;雷達液位計選用喇叭口天線(xiàn)型式,24V(DC)二線(xiàn)制回路供電,安裝利用罐頂原有的備用口,并須滿(mǎn)足SIL2認證要求;由于液化烴球罐在非檢修狀態(tài)下不允許動(dòng)火作業(yè),設備開(kāi)口難度大,所以高/低液位開(kāi)關(guān)選用外貼式超聲波液位開(kāi)關(guān),采用24V(DC)四線(xiàn)制,須滿(mǎn)足SIL2認證要求。以上儀表均選用防爆等級為ExDIICT4的隔爆型儀表。
根據《液化烴球罐緊急切斷閥選型設計規定》,在球罐的進(jìn)、出料管線(xiàn)與球罐連接處的根部分別設置1臺緊急切斷閥。緊急切斷閥是實(shí)現液位高、低聯(lián)鎖的關(guān)鍵執行元件,當球罐發(fā)生溢油或抽空時(shí),或者罐區突發(fā)火災時(shí),如果閥門(mén)出現故障無(wú)法實(shí)現自動(dòng)或者遠程手動(dòng)操作,而人員現場(chǎng)操作易產(chǎn)生嚴重的時(shí)間滯后,也會(huì )給操作人員造成生命危險,損壞重要的機組設備,給企業(yè)帶來(lái)重大的損失。故對緊急切斷閥的設計選型做以下詳細說(shuō)明:
1)執行機構。該罐區管廊均配有干凈的儀表風(fēng)管線(xiàn),因此緊急切斷閥應優(yōu)先選用氣動(dòng)執行機構,單作用氣缸選用氣開(kāi)型(FC),側面帶手輪。
2)閥體和閥內件。緊急切斷閥的形式選用球閥或者蝶閥都可以,球閥的密封性更好、結構也相對簡(jiǎn)單,但是口徑大的球閥價(jià)格比較昂貴,一般在DN200及以下的全通徑管線(xiàn)才選用球閥;大于DN200的管線(xiàn)一般選用價(jià)格相對便宜的蝶閥,而對密封性要求較高的場(chǎng)合可以選用技術(shù)更為先進(jìn)的三偏心高性能蝶閥。
該球罐進(jìn)、出口管徑為DN150,故優(yōu)先選用球閥,密封面采用金屬硬密封,泄漏等級為ANSIB16.104ClassVI級,可滿(mǎn)足該場(chǎng)合下對密閉性的高要求。閥體材質(zhì)應符合配管材料等級規定,選用鑄鋼閥體,壓力等級為Class300Lb,選用符合API607或API6FA標準的火災安全型閥門(mén)。為了在火災發(fā)生時(shí)保護緊急切斷閥的執行機構及其附件,閥門(mén)需配套安裝符合UL1709標準的防火罩。緊急切斷閥材質(zhì)選擇見(jiàn)表2所列。
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3)附件。電磁閥選用24V(DC)ASCO二位三通低功耗型,雙電磁閥配置,電磁閥線(xiàn)圈采用高溫(等級H)絕緣耐用型及長(cháng)期帶電型線(xiàn)圈,可以有效避免線(xiàn)圈燒毀引發(fā)的故障,采用直動(dòng)式(非先導式)可以有效避免電磁閥粘連或者堵塞;閥位開(kāi)關(guān)采用機械式接近型開(kāi)關(guān),防爆等級均為ExDIICT4;在罐區防火圍堰外設置現場(chǎng)防爆操作柱,確保人員在緊急情況下能夠實(shí)現現場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閥,接點(diǎn)信號接至SIS,電纜應采用防火電纜。
緊急切斷閥及附件整體遵循了故障安全型的設計原則,并須滿(mǎn)足SIL2等級的認證要求。
②安全聯(lián)鎖邏輯
由于HAZOP及LOPA分析報告中對碳五球罐的高低液位聯(lián)鎖保護SIF回路的SIL等級定為SIL2級,可以有兩種聯(lián)鎖設計方案:一是采用“一對一”聯(lián)鎖邏輯保護,低低液位開(kāi)關(guān)與出口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關(guān)閥保護,高高液位開(kāi)關(guān)與入口緊急切斷閥作聯(lián)鎖關(guān)閥保護;二是本次改造增設1臺雷達液位計,可與高高/低低液位開(kāi)關(guān)分別構成“二取一”,邏輯運算輸出再分別與進(jìn)、出口緊急切斷閥實(shí)現聯(lián)鎖關(guān)閥保護。很顯然,第二種設計思路可以大幅提高系統的安全性和可靠性,有效避免因1臺液位儀表的故障而造成聯(lián)鎖的失效,從而避免不必要的損失。該次碳五球罐改造涉及的SIS安全聯(lián)鎖有:
1)球罐新設溫度儀表檢測溫度值高高(達到50℃)聯(lián)鎖或者突發(fā)火災或者球罐泄漏等事故時(shí),操作人員做出反應遠程操作控制軟按鈕,自動(dòng)打開(kāi)噴淋水閥門(mén),同時(shí)關(guān)閉進(jìn)出料緊急切斷閥。
2)球罐雷達液位計與高高液位開(kāi)關(guān)中只要有1臺達到高高液位(聯(lián)鎖輸出0,邏輯“與”運算,“二取一”)聯(lián)鎖,或者通過(guò)現場(chǎng)操作柱按鈕直接控制,實(shí)現自動(dòng)關(guān)閉入口切斷閥,同時(shí)停裝罐輸料泵。
3)球罐雷達液位計與低低液位開(kāi)關(guān)中只要有1臺達到低低液位(聯(lián)鎖輸出0,邏輯“與”運算,“二取一”)聯(lián)鎖,或者通過(guò)現場(chǎng)操作柱按鈕直接控制,實(shí)現自動(dòng)關(guān)閉出口切斷閥,同時(shí)停卸罐輸料泵。
所有安全儀表聯(lián)鎖回路均設有旁路開(kāi)關(guān)(手動(dòng)按鈕除外)以備檢修測試使用,緊急切斷閥和泵均設有復位軟按鈕,SIS中設有停泵軟按鈕,關(guān)閥及停泵的脈沖信號均通過(guò)RS觸發(fā)器做狀態(tài)保持。
③安全儀表系統
該次改造新設1套獨立的用于工藝安全聯(lián)鎖保護的SIS。該系統采用的是北京康吉森公司的Tsx Plus系統,該系統通過(guò)了德國TÜV萊茵認證和IEC 61508 SIL3標準安全認證,滿(mǎn)足了標準認證原則。
該SIS配置3面標準機柜,包括1面電源柜、1面控制柜和1面輔助端子板柜。該系統為機籠式設計,機架內安裝的模塊都設計有助拔器,易于在線(xiàn)更換和維護。該系統設置3個(gè)獨立的控制器模塊PM01,實(shí)現了物理上完全獨立的三重化設計,每個(gè)I/O模塊配置三重化的I/O通道,所有控制器和I/O模塊均采用帶自診斷的“2oo3”冗余架構,I/O模塊通過(guò)支持ProfiSafe安全協(xié)議的通信總線(xiàn)與控制器完成數據交換,I/O模塊采用冗余電源供電,系統側與現場(chǎng)側隔離,支持帶電熱插拔。
這樣的架構特點(diǎn)完全符合了SIS設計的可靠性和可用性原則。按照系統I/O點(diǎn)不少于20%預留量的配置原則,該系統共配置AI模塊(AI3281,32通道,4~20mA)4塊,DI模塊(DI3201,32通道,干接點(diǎn))5塊,DO模塊(DO3201,32通道,0.5A/24V(DC))3塊。
SIS與DCS完全獨立,獨立完成安全保護功能。系統配置2塊通信模塊CM01,采用“一主一熱備”的方式,用于實(shí)現控制器與上位機之間的數據交換;配置2臺安全交換機和1塊以太網(wǎng)卡,通過(guò)以太網(wǎng)與工程師站通信;通過(guò)ModbusRTU與DCS實(shí)現通信,并通過(guò)CM01接收GPS校時(shí)源的校時(shí)脈沖,實(shí)現與DCS的同步集成。
此外,輔助機柜中所有信號類(lèi)型均配有轉接端子板,參與電氣馬達狀態(tài)指示和控制以及電磁閥控制和閥位指示的DI/DO均采用繼電器隔離。有些參與SIS聯(lián)鎖的機組設備或者控制閥,還需要在DCS中實(shí)現過(guò)程控制,為這些信號配置滿(mǎn)足SIL2等級標準的“一入二出”信號分配器,以硬接線(xiàn)的方式從SIS中分一路信號至DCS,而那些只需要在DCS監視而不操作的,可以采用通信的方式從SIS中讀取數據。結合現場(chǎng)儀表供電需要,電源模塊(24V(DC)/480W)和(24V(DC)/240W)各8塊,并配置電源冗余模塊;220V(AC)和24V(DC)空開(kāi)若干。
控制室內設置獨立的1套操作站和1套工程師站SOE站兼操作員站。另外還設置了1個(gè)輔助操作臺,操作臺面板上設置了一鍵緊急停車(chē)按鈕以及循環(huán)氫壓縮機、氫氣入口切斷閥等重要機組及儀表設備的緊急操作按鈕,這些按鈕均采用硬接線(xiàn)的方式接入SIS的DI輸入模塊,并在聯(lián)鎖邏輯中體現。
Tsx Plus系統供電,設計采用了兩路220V(AC)UPS電源。機柜內每個(gè)機籠的供電通過(guò)PLUS電源轉換成24V(DC)給機籠供電,機籠供電分成系統側電源和現場(chǎng)側電源,完全獨立布置。機柜的照明及風(fēng)扇等用電取自一路市電。
SIS接地電阻應小于4Ω,滿(mǎn)足系統和規范要求,保護地和工作地的接地銅排分開(kāi)接線(xiàn),動(dòng)力纜和信號纜分開(kāi)敷設,線(xiàn)纜的屏蔽層直接接入屏蔽地匯流排。
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2021-09-15
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