生产装置的安全保护及SIS安全仪表系统

肖虹

摘要：现代化工业生产装置，为了预防、控制或减少来自过程及安全相关设备的特定危险，采用降低外部风险设施、工艺参数条件控制、安全保护控制、SIS安全仪表系统及火灾及气体检测保护系统,构筑生产装置无懈可击的安全保护层，确保生产装置长期连续稳定运行。即使安全功能出现失效危险, SIS安全仪表系统也能自动将受控过程转入预定的安全状态。

关键词：安全保护层，保护控制，安全完整性等级（Safety integrity levels），SIS

安全仪表系统( safyte instrumente system)

中图分类号： TU714 文献标识码： A

1 生产装置安全保护层

1.1第一安全保护层：装置设计

（1）工艺设计：根据安全需要,在工艺设备或管道上设置安全放空阀、防爆膜、排气阻火器,设备电化学保护及特殊工艺管道的静电接地保护等安全设施来降低外部风险。

(2) 构筑物设计：高层构筑物或有爆炸危险设备（例如有爆炸危险的气柜）设有防雷

击的安全保护装置。

（3）仪表设计：根据现场危险区域划分,针对所划分的危险区域类别，为满足安全要求，现场仪表采用隔爆或由本安仪表和安全栅关联设备构成的本安防爆系统来防止爆炸危险发生。此外，在雷区现场采用防雷仪表和防雷接地设施防止雷击危险。

1.2第二安全保护层：过程检测和控制

以过程检测、控制及参数越限报警为目的, 针对生产过程的物料流和能量流，设置必要的物料平衡控制、能量平衡控制和约束条件控制，以及保护控制来确保生产装置长期在最适宜的工况下运行。

图1是大型离心式压缩机特性曲线。图中N1～N4为离心式压缩机的速度线；在某一恒速运行都有一个喘震极限流量称为喘震点，喘震点的轨迹形成喘震线。喘震线的左边区域称为喘震区；喘震线的右边区域称为安全工作区。大于喘震流量的10～15%

P2

P1

安

喘N1

A 全B

N2 线

震 工线

N3 震 作 制

区

N4 喘区 控

QA QB

通过离心压缩机流量

图1 离心式压缩机特性曲线

流量值的轨迹线称为离心式压缩机的控制线。

假定离心式压缩机在额定转速为N2下运行，当通过离心式压缩机的流量低于某一极限流量QA时，压缩机产生的压头不能克服系统外部阻力，使压缩机出口气体出现倒流，引起流量和出口压力迅速变化的不稳定现象称为离心式压缩机喘震。喘震发生时压缩机产生轴向高频反推力，使压缩机叶轮和压缩机基础遭到毁灭性破坏而造成设备人员伤亡。为确保设备和人身安全，设立离心式压缩机流量定值抗喘震保护控制系统,流量控制的设定值为图中的QB =[1+（10～15%）]QA，当通过压缩机的流量≤QB时，流量定值抗喘震控制系统打开压缩机旁路调节阀，将压缩机出口气体旁路而回流到压缩机入口，迅速增大通过压缩机的流量来防止喘震发生。

1.3第三安全保护层：SIS安全仪表系统

SIS安全仪表系统，目前已取代了ESD紧急停车系统。该系统采用与过程控制系统在物理上完全分离的SIS安全仪表系统。在正常状态下，SIS安全仪表系统的自诊断测试几乎复盖所有的输入、输出硬件设备和系统软件，一旦安全功能出现危险故障时, SIS安全仪表系统执行安全功能,将被控过程自动转入预定的安全状态。

1.4第四安全保护层：火灾及气体检测保护系统（FGS）

在工业领域中，火灾及气体检测保护系统是非常重要的安全保护系统。随着经济的发展，人们对安全、健康和环保的要求越来越高。设置火灾及气体检测保护系统用来处理可燃性气体及有毒气体产生的危险。当火灾发生时，火灾及气体检测保护系统立即启动消防灭火系统，必要时同时启动SIS安全仪表系统执行停车安全保护。当检测到有毒气体泄漏发生时, 火灾及气体检测保护系统迅速切断并封堵有毒气体。

2SIS安全仪表系统

2.1SIS安全仪表系统构成、硬件和软件结构及系统功能

2.1.1SIS安全仪表系统构成

如图2所示,SIS安全仪表系统通常由以下四部分组成：

（1）输入端(传感器)：包括不可编程设备和可编程电子设备；

（2）逻辑控制系统(控制器)：包括用作输入/输出接口的输入/ 输出模块、SIS控制器和通讯网络；

（3）输出端(执行元件) ：包括不可编程设备和可编程电子设备。

（4）安全操作中心：包括安全工作站、辅助操作台及打印机 。

输入端(传感器) 逻辑控制系统（控制器）输出端(执行元件)

不可编程可编程电子器件不可编程

设备 设备

可编程电子 可编程电子器件可编程电子

设备设备

硬件 软件硬件 软件硬件 软件

打印机安全工作站 辅助操作台

图2SIS安全仪表系统构成

2.1.2 硬件和软件结构：硬件和软件结构如表1所示，系统软件包括嵌入软件和应用软件 。

2.1.3SIS安全仪表的系统功能：

2.1.3.1 系统设备功能

（1）输入端设备：实现安全功能所需的各类传感器，包括模拟量和开关量输入设备,

用于逻辑控制系统的逻辑变量输入。

（2）逻辑控制设备（逻辑控制器）：用于逻辑运算和逻辑控制的设备。该部分设备是系统核心设备，包括逻辑输入/输出模块、控制器及通讯设备。

表1可编程电子器件硬件和软件结构。

可编程电子器件结构