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石油及石油化工装置中安全相关系统的工程设计

文档作者: 刘超明        文档来源: 中国石油天然气勘探开发公司
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更新时间: 2021年01月07日
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工程设计及标准 石 油 化 工 自 动 化,2008,1:19 AUToM ATIoN IN PETRo—CH EM ICAL INDUSTRY 石油及石油化工装置中安全 相关系统的工程设计 刘超明 (中国石油天然气勘探开发公司,北京 100034) 摘要:根据富拉油田开发项目安全相关系统FSC的设计和运行经验,全面介绍了安全相关系统的设计原则、设计程序、 设计方法。同时也介绍了与安全相关系统有关的术语和概念。设计原则主要涉及有效性、可靠性、安全完整性分配、目标故障、 有效性与可靠性以及经济适用等原则;设计程序包含了安全系统设计生命周期的各个部分和各阶段的目标;设计方法主要涉及 系统设计和系统组态。为同类系统的设计提供了可以借鉴的程序和方法。 关键词:安全相关系统;安全完整性;安全生命周期;有效性;可靠性;故障安全 中图分类号:TP202.1 文献标识码:B 文章编号:1007—7324(2008)01—0019—04 The Design of Systems Related to Safety in Petroleum and Petrochemical Units Liu Chaom ing ((China Natural Gas and Petroleum Prospecting& Development Co.,Beijing 100034,China) Abstract:According to the design and operation experience of the related safety system FSC in the Fular oilfield development project,design principal,design procedure and design method is comprehensively introduced.The terms and concepts related safety system are introduced too. The design principal mainly involved efficiency,reliability, safety integrate distribution, target obstacle,etc. principa1. Design procedure contains the target in each part and each stage during the safety system design period. Design method is mainly involved system design and system configuration. It provides program and method for the design of same kind of system. Keywords: safety relative system; safety integration; safety life period; availablity; reliability; sare-fai 1 Ure 1 安全相关系统的工程设计原则 自从20世纪90年代安全相关系统问世以来, 当今国内外市场上安全相关系统品种繁多,结构和 性能各有优劣,主流产品有HIMA H41q 和 H51q,Honeywell—FSC,ABB AC4OO等。因此,安 全相关系统的工程设计不是要求设计、开发一个新 的应用系统,而是根据生产工艺特点和安全要求等 级从市场上选择一种成熟系统的设计原则以及根 据设计原则构建安全相关系统的设计方法。安全 相关系统设计原则主要有如下几个。 a)有效性原则。是系统正常运行时间占总时 间的百分比。任何系统都不能排除出现故障的可能 性,关键是在故障出现时,系统是否具有诊断、定位、 排除和告警的功能。要得到好的有效性,选择的系 统必须具备容错和诊断功能以减少停车时间。具体 工程化设计技术有分散和冗余。分散包括网络分 散、结构分散、设备物理位置分散和有限停车等。冗 余包括安全控制器结构化及其数量冗余、I/O卡件 冗余、通信模件冗余、连接介质冗余和电源冗余等。 除此之外,还有冗余分离、短路保护、本质安全、故障 运行等辅助技术。容错是提高系统有效性的重要手 段,容错是指系统在出现故障时仍能正常工作,同时 又能查出故障的能力。冗余是实现容错的工程方 法,容错包括3种不同的功能:故障检测、故障鉴 别、故障隔离。提高系统的诊断覆盖率水平,也可以 提高系统的有效性。重化、冗余、容错结构的系统配 置在提高系统可靠性的同时,也提高了系统的有效 性。有效性不影响系统的安全性,但系统的有效性 收稿日期:2007—1O一16(修改稿)。 作者简介:刘超明(1967一),男,湖北天门人,1989毕业于江 汉石油学院,现在中国石油天然气勘探开发公司,任工程师,长期 从事国内外工程项目的施工、系统调试和试运。 维普资讯 http://www.cqvip.com 学兔兔 www.xuetutu.com 石油化工自动化 低可能会导致装置和工厂无法进行正常生产。 b)可靠性原则。是指系统在规定的条件下和规 定的时间内完成规定功能的能力L1]。可靠度是系统 在规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率,其 量化指标为安全完整性目标测量值,其值越小,安全 度越高。安全性针对过程的两个方面:过程问题和系 统故障;系统可靠性是组成系统各环节可靠性的乘 积。要提高系统可靠性,必须同时提高组成安全相关 系统的各环节的可靠性,具体就是选用高可靠性的安全 控制器、I/O设备、通信模件、电源模件和执行单元等。 c)安全度等级(S1L)的确定和分配原则。SIL是 指分配给E/E/PE安全相关系统安全功能的安全完 整性要求的离散等级,是在规定运行模式下,规定时 间内,安全相关系统成功实现所要求安全功能的概 率。IEC61508将SIL分为4个等级:SILl~4,其中 SILl最低,sIL4最高。分配到指定运行模式的E/E/ PE安全相关系统的SIL的量化指标如表1所列。 表1 安全相关系统的SIL量化指标 表1中的SILI~4表示的是目标故障测量值,只 有与硬件安全完整性有关的故障概率才可以量化并 用于目标故障测量评估的可靠性预测技术中。必须 制定关于预防性要求的定性技术和判据以满足与系 统安全完整性有关的目标故障测量。目标故障值是 在项目HAZOP风险评估阶段确定的,在确定过程 中,应包括所有导致故障状态的因素,如硬件失效、软 件失效以及电磁干扰引起的失效等。在得出这些目 标故障值之后,根据下限取值原则,确定SIL等级,并 在E/E/PE安全相关系统,其他技术安全相关系统以 及外部风险降低设施之间分配S1L值。 d)目标故障原则。故障是功能单元终止执行 要求功能的能力,根据故障的表现形式可分为显形 故障和隐形故障。显形故障是指能够显示自身存 在的故障,属于安全故障;隐形故障是指不能显示 自身存在的故障,属于危险故障,危险故障是使安 全相关系统处于危险并使其功能失效的潜在故障, 隐形故障一旦出现,可能使生产装置陷入危险。安 全相关系统的设计目标就是使得系统具有零隐形 甲 匪 匝 , 1菱和认 维,安护装,安和驯试全确运l 9 l E安/ 全E系/相统PE关 IlI l ·dl 安系全料相统关l 1牌l 譬 计划 整体安装和 试运计划 ——T一 整体安 全确认 ·4l蓁姿凳 H-sI l 系统退役 和处置 图1 整体安全生命周期技术架构 维普资讯 http://www.cqvip.com 学兔兔 www.xuetutu.com 第1期 刘超明.石油及石油化工装置中安全相关系统的工程设计 表2 整体安全生命周期各阶段目标概述 3 安全相关系统的工程设计方法 3.1 系统设计 根据确定的SIL,选择包括系统的输入、输出、 安全控制器及其辅助系统,并构建系统体系结构。 依据系统体系结构的要求,生成物质清单,按照物 质清单,确定系统所需的输入、输出设备类型,安全 控制器的重化结构等。 a)输入设备设计。输入设备类型有工艺过 程开关(如温度、压力、液位等),手动开关(如紧 急停车等)和火灾报警信号(可燃气体检测、火焰 检测、热感等)以及应用于安全的原始输入、输出 数字信号。在安全相关系统中,要求使用诸如故 障一安全输入模件和故障一安全输入传感器等安全 相关设备。如果输入设备不是故障一安全型,则 必须采用冗余结构模式,并定义最大准时时间、 最大偏差时间和最大允许偏差值。冗余结构必 须配以不同的表决模式,典型的模式有1ool、 1oolD、1002、1oo2D、2oo3D等。如果设计以可靠 性优先,则在冗余输入组态中使用与逻辑,如果 有效性优先,则使用或逻辑。火灾报警输入一般 为模拟信号,探测点应具有报警、超驰、测试、故 障等可视化功能。 b)输出设备设计。安全相关系统的输出设备 应是故障一安全型,如电磁阀、ESDV 阀等。当使用 非故障一安全执行机构时,应采用冗余拓扑。而冗 余模式由工艺特性决定,如燃烧控制系统的燃气回 路,其开关电磁阀应采用串联安装,而高压防空系 统,放空阀则应为并联冗余。由于安全系统的故障 或过程问题的停车都必须依赖动力源才起作用,在 失去动力源时(如电源故障或风源丢失),最终的输 出控制单元必须进入故障一安全状态,其机械设计 机构应能够使输出返回到安全位置,作为额外的安 全保证,即所谓的“事故时开或事故时关”。所有输 出电磁阀应为正常激励,故障失电模式。输入、输 出回路应设有开路、短路和漏电保护等功能。报警 和故障的远程显示必须采用硬接线或使用安全系 统内部通信链接。 c)安全控制器设计。根据分配到E/E/PE安 全相关系统的安全完整性目标值,正确评估现有 安全控制器的性价比,在满足装置安全要求的前 提下,选择安全控制器的结构。安全控制器的结 构一般有非冗余型、冗余型、冗余诊断型,三重 化、四重化等。控制器周期性地对硬件进行检 测,如果输出硬件存在故障,控制器不应使输出 整体失电,而应是成组或单点失电;如果安全相 维普资讯 http://www.cqvip.com 学兔兔 www.xuetutu.com 石油化工自动化 关输出模件存在故障,控制器应通过Watchdog 模件使与该模件有关的所有输出都失电;如果I/ 0结构为非冗余,则使所有输出都失电;以上失 电由控制器内部计时器控制。 d)电源设计。电源冗余是系统可靠性和有效 性的保证,冗余电源不能同时出现故障,其初级电 源来源不同、类型不同、相位不同,且能无扰切换。 电源功率应为系统负荷的150 。电源故障监测 应纳入系统设计的一部分。为降低电源线上扰动 的影响,必须对所有主要裸露的金属导体部分进行 良好接地。 e)控制逻辑设计。逻辑设计的目的是根据分 配给安全功能的SIL,按照预定义的安全控制逻 辑,基于输入确定工艺状态控制输出的过程。安全 系统的输入和输出既可以是数字信号,也可以是模 拟信号,所用基本逻辑函数有AND,OR,NOT等, 控制逻辑符合IEC61131—3。由于总线仪表有丰 富的诊断资源,推荐使用总线仪表。控制逻辑在输 入健康时,应保证过程处于预定义的安全状态。输 入输出的具体关系由工艺要求的安全功能决定。 f)操作界面的设计。安全相关系统独立于 DCS运行,正常不需人为干预,但异常时必须有人的 动作,如紧急按钮停车、启动复位、维护超驰、声光报 警等。另外,一个详细的因果关系表对缩短MTTR 也至关重要。因此合适的操作员界面应是安全系统 设计考虑的一部分。该界面可以是安全相关系统的 独立界面,也可以与DCS操作员界面集成。 3.2 安全相关系统组态 一旦确定控制策略和所需设备,就进入系统组 态进程。安全相关系统组态主要包括系统组态、逻 辑功能组态和源码转换等。 a)系统组态。系统参数组态。系统参数主 要有系统要求等级、安全控制器结构、过程安全时 间、故障时间、存储器类型以及上电模式等。 输入/输出信号组态。该组态在详细设计阶段 进行,主要是根据规格书分配I/0在安全系统中 的实际位置,包括柜号、架号、槽号、通道号、信号类 型、单位等信息。严禁安全相关信号与非安全相关 模件相连和有关信号的多次分配。为了维护和测 试,要求将输入、输出强制到某个规定值,强制可以 在不影响生产的同时对输入输出设备进行更换和 维修,当相应过程变量进入非安全状态时,强制将 引入潜在危险。强制状态根据工艺要求可以是高、 低或规定值等。 b)逻辑功能组态。逻辑组态工具有功能逻 辑图、指令表、顺序控制等,一般使用功能逻辑图 (FLD),它由一组预先定义的符号组成。设计应 用程序时,应根据安全系统要求,首先设计通用 模块,然后可以对通用模块进行多次调用。FLD 中的信号流起源和目的应采用传输方式进行,原 则是目的FLD页号必须大于源FLD页号,以增 加程序反应时间。 c)源码转换。源码转换的先决条件是要满足 有关FLD和功能块号要求,转换按FLD号的降序 进行,转换的目的是将组态文件变成系统可以识别 的机器码并检查编辑的程序是否正确。只有经过转 换的程序才能进行下装。转换同时修改程序文件版 本号,在冗余系统中,只有版本号一致的两个系统才 能正常工作。 参考文献: 1 王常力,廖道文.集散型控制系统的设计与应用.北京:清华大 学出版社,1993.322 (上接第15页) 45一 _= 丽一13.2(m) 由式(18)得A B 弧的半径: (45— 11.34) + 18.14 一38.24(m) 最低保护高度: h6z— h,一 z— H 一45— 38.24- 6— 0.76 m > 0.5 m 故所选两针校验合格。 4 结束语 和作图法相比,计算法较简便、准确,省略作图 麻烦。只要是双针保护(这是常用的防直击雷保 护),参照本文提供的计算图和相应公式进行计算 均可获满意结果。 参考文献: 1 GB50057—94(2000年版),建筑物防雷设计规范.北京:2001 2 工业与民用配电设计手册.第二版.中国电力出版社,北 京:1999 3 D501,防雷与接地安装标准图集.中国建筑标准设计研究院,北 京:2006
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