郝　瓊 ， 董少磊 ， 畢　輝

(河南煤氣化(集團)義馬氣化廠 ， 河南 義馬　472300)

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SIS系統(tǒng)在義馬氣化廠合成氨裝置中的應(yīng)用

郝瓊 ， 董少磊 ， 畢輝

(河南煤氣化(集團)義馬氣化廠 ， 河南 義馬472300)

摘要：危險化工工藝設(shè)置獨立于DCS系統(tǒng)的SIS系統(tǒng)，才能保證生產(chǎn)過程中的安全性和穩(wěn)定性。該文介紹了SIS系統(tǒng)及其作用原理，闡述了HONEYWELL公司的SIS系統(tǒng)在義馬氣化廠合成氨裝置中的應(yīng)用以及運用效果，說明SIS系統(tǒng)在提升邏輯控制與主要化工設(shè)備與裝置的安全性之間發(fā)揮著重要的作用。

關(guān)鍵詞：SIS 系統(tǒng) 合成氨 應(yīng)用

0引言

近些年來，國家對煤化工行業(yè)鼓勵政策的不斷推出，全國各地煤化工發(fā)展趨勢日漸高漲，基于這種生產(chǎn)物耗、能耗的集中化和擴大化趨勢，各地化工工業(yè)生產(chǎn)裝置的密集程度變得越來越高，相對應(yīng)的對操作、控制及安全的要求也越來越嚴(yán)格，化工行業(yè)生產(chǎn)過程安全控制也越來越受到人們的關(guān)注。在這種生產(chǎn)工藝事故高發(fā)、頻發(fā)狀態(tài)之下，SIS安全儀表系統(tǒng)，一種自動安全保護系統(tǒng)，用于監(jiān)視生產(chǎn)過程狀態(tài)，判斷危險條件，防止風(fēng)險的發(fā)生或者減輕風(fēng)險造成的后果的裝置，成為了現(xiàn)代化工工業(yè)安全管理所采用的必要手段。

義馬氣化廠合成氨工藝屬于國家安監(jiān)總局公布的首批重點監(jiān)管的危險化工工藝。國家安監(jiān)總局116號文件中明確要求，對于涉及機械設(shè)備故障、控制系統(tǒng)自身故障或能源中斷時使工藝裝置及操作人員處于安全狀態(tài)的保護應(yīng)采用性能可靠、技術(shù)先進的緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來實現(xiàn)。

1SIS系統(tǒng)及其作用原理

SIS安全儀表系統(tǒng)(Safety instrumented systems,SIS)是一種自動安全保護系統(tǒng),它在保證正常生產(chǎn)和人身、設(shè)備安全過程中發(fā)揮著重要的作用，是工業(yè)自動化的不可缺少的一部分[1]。在過程工業(yè)中,安全儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性對于發(fā)生事故的影響十分巨大，因為在過程工業(yè)中發(fā)生的安全事故往往會造成人員傷亡和巨額財產(chǎn)損失，因此開展過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)安全評定對于保證過程工業(yè)安全具有十分重要的意義。它的主要作用為企業(yè)內(nèi)控制系統(tǒng)中報警和聯(lián)鎖部分，對控制系統(tǒng)中檢測到的結(jié)果進行報警動作以及調(diào)節(jié)或停機控制，是工廠企業(yè)自動控制中的重要一部分[2]。

安全儀表系統(tǒng)是一種可編程的控制系統(tǒng)，它由(傳感器、邏輯運算器和最終執(zhí)行元件，即檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元)組成[3]。它可以監(jiān)測生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的或者隱藏的危險，對生產(chǎn)裝置以及設(shè)備中有可能發(fā)生的危險果斷采取緊急措施，發(fā)出預(yù)警信息或者對慢慢惡化的狀態(tài)直接響應(yīng)執(zhí)行預(yù)定的程序，即刻進入操作，使裝置進入到預(yù)定義的安全停車工況，使得危險和損失降到最低的程度，保證企業(yè)中生產(chǎn)、設(shè)備、人員和環(huán)境的安全。防止安全事故的發(fā)生、并且降低事故帶來的危害及其影響。

2合成氨裝置SIS系統(tǒng)硬件介紹

義馬氣化廠合成氨SIS系統(tǒng)運用網(wǎng)絡(luò)通訊，采用獨立的網(wǎng)絡(luò)通道，全部控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過交換機接入實時數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，從物理結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)從控制系統(tǒng)到實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的單向傳輸，確保輔助控制系統(tǒng)的安全。完全切斷SIS向生產(chǎn)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，最大程度上防止了可能出現(xiàn)的病毒擴散。接口計算機實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集，接口機是實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)從控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到SIS的橋梁。這些接口設(shè)備對于現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀取均采用單向傳輸，不允許這些接口設(shè)備直接進行修改、組態(tài)對于下層控制網(wǎng)絡(luò)，也不允許對工藝過程進行直接控制，這樣在任何情況下都不會影響DCS/PLC等下層控制網(wǎng)絡(luò)的安全性。這些數(shù)據(jù)通過全部底層接口通過隔離器及工控機后，匯總至SIS系統(tǒng)核心交換機CISCO 2960G，每個傳輸通道均單獨配置Vlan，相互之間無法直接訪問，避免了數(shù)據(jù)通道之間的數(shù)據(jù)交換。SIS核心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器由DELLT3500 PC服務(wù)器，數(shù)據(jù)接口機DELL工控機，數(shù)據(jù)交換機CISCO 2960G(24口千兆交換機)、1G的以太網(wǎng)卡、4塊菲尼克斯的直流電源和冗余模塊、倍加福安全柵構(gòu)成，并配獨立的防病毒服務(wù)器，企業(yè)級殺毒軟件對SIS核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行安全防護。數(shù)據(jù)通訊接口支持：TCP/IP、UDP、API等接口。采取模塊構(gòu)件，可靈活選擇配置，系統(tǒng)為B/S結(jié)構(gòu)，管理和維護都集中在服務(wù)器中。功能儀表安全儀表系統(tǒng)供電采用UPS、IPS雙路供電方式，測量的信號使用故障安全型，確保失電時整個系統(tǒng)處于安全停車狀態(tài)，邏輯控制器采用獨立的SIS與DCS聯(lián)鎖邏輯相結(jié)合的控制方式，測量元件(傳感器)采用冗余、多點測量形式，增強了測量的可靠性，執(zhí)行器采用切斷閥和調(diào)節(jié)閥混合控制的方式，增強了執(zhí)行器的可靠性。系統(tǒng)中使用一次元件測量，信號兩路分配的方式分別送入DCS和SIS系統(tǒng)，輸出雙重控制執(zhí)行器，即DCS既實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)又實現(xiàn)聯(lián)鎖控制功能，SIS系統(tǒng)共用信號，邏輯獨立控制。

3合成氨系統(tǒng)SIS點介紹

義馬氣化廠合成氨裝置中分有進料及反應(yīng)單元、余熱回收單元、冷卻分離單元、氣氨液氨的排放處理、開車還原五個節(jié)點。進料及反應(yīng)單元的主要作用是自循環(huán)壓縮機來的工藝氣經(jīng)熱交換器預(yù)熱升溫后分三股，合成塔零米副線、上層間冷卻器、下層間冷卻器升溫后進入催化劑床層進行合成反應(yīng)，反應(yīng)氣送合成廢鍋。自合成氣壓縮機來的新鮮氣經(jīng)新鮮氣氨冷器冷卻，并分離出氨中夾帶的少量水分后進入合成循環(huán)系統(tǒng)；余熱回收單元的主要作用是自合成塔出來的合成氣經(jīng)廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽、熱交換器預(yù)熱工藝氣后進入水冷器、冷交進一步冷卻后送往下一單元；冷卻分離單元的主要作用是冷卻后的合成氣入一級氨分離器進行氣液分離，分離的工藝氣經(jīng)一級氨冷、二級氨冷器用液氨冷卻后入二級氨分，分離出的氣體作為循環(huán)氣返回冷交降低工藝氣溫度后去循環(huán)氣壓縮機增壓，一級氨分、二級氨分分離的液氨進入閃蒸槽減壓閃蒸，閃蒸氣送氨洗，液氨作為成品外送；自冷凍站來液氨與產(chǎn)品液氨換熱后依次進一級氨冷器、二級氨冷器冷卻工藝氣后，蒸發(fā)氣氨返回冷凍站；氣氨液氨的排放處理的主要作用是閃蒸氣及液氨球罐來的閃蒸氣進入氨洗塔經(jīng)洗滌水洗滌后進入放空總管至氨火炬排放，洗滌的氨水送往煙氣脫硫，裝置區(qū)內(nèi)所有含氨排氣均送往含氨尾氣總管送往火炬，所有污氨均經(jīng)污氨總管收集后送冷凍站；開車還原的主要作用是裝置中設(shè)置有開工電加熱爐，為氨合成催化劑提供還原所需的熱量。經(jīng)過危險與可操作性分析(HAZOP)對合成氨裝置辨識出危險事件及其風(fēng)險類別，并運用SIL評估，結(jié)合最小風(fēng)險降低要求，全面分析所有的風(fēng)險降低措施，確定安全儀表系統(tǒng)的效能指標(biāo)，即目標(biāo)SIL等為SIL2。氨合成裝置中運用HONEYWELL SIS系統(tǒng)，實際實現(xiàn)的是SIL3等級，在氨合成裝置中設(shè)有74個點。用霍尼韋爾SM系統(tǒng)集中完成全部輸入邏輯處理運算和輸出設(shè)備的控制，集中度高、風(fēng)險高，SIL3的等級高于輸入輸出。這種SIL級別的要求包括系統(tǒng)內(nèi)部邏輯處理器的輸入輸出接口、處理器(CPU)、電源、總線、通信接口和軟件系統(tǒng)，且必須是通過TUV認證的。控制處理器由冗余的兩塊CPU卡構(gòu)成，每個CPU卡有兩個微處理器，安全降級模式為4-2-0，正常工作時為SIL3；當(dāng)一個CPU卡出現(xiàn)故障時，仍為SIL3；當(dāng)兩塊都壞時，系統(tǒng)將宕機。

在合成氨裝置中，SIS點SISA630250，SISA630251，SISA630252為汽輪機轉(zhuǎn)速保護聯(lián)鎖，主要為防止汽輪機轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致事故發(fā)生，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速高高報時機組三取二聯(lián)鎖停車；SIS點TISA63224A/B，為電加熱器出口工藝氣溫度，主要為防止電加熱器出口溫度過高時，損壞電加熱器，當(dāng)電加熱器出口工藝氣溫度高高報時裝置二取二電加熱器聯(lián)鎖停車；SIS點FISAS63205A/B為電加熱器出口工藝氣流量保護聯(lián)鎖，主要為防止經(jīng)過電加熱器流量減小時損壞電加熱器內(nèi)件，；當(dāng)電加熱器出口工藝氣流量低低報時電加熱器二取二聯(lián)鎖停車；SIS點TISA63214X為氨合成塔創(chuàng)層溫度保護聯(lián)鎖，主要為防止合成塔催化劑床層溫度超溫時，造成催化劑層燒焦結(jié)塊造成催化劑失活，當(dāng)床層溫度高高報時裝置一取一聯(lián)鎖停車；SIS點LSH63212A/B/C為二級氨分離器液位保護聯(lián)鎖，主要防止液位過高時，氣氨帶液，造成壓縮機入口帶液，損壞機組，當(dāng)二級氨分離器出現(xiàn)液位高高報時壓縮機組三取二聯(lián)鎖停車；SIS點LSL63203A/B/C，LISA63208為氨合成廢鍋液位顯示，主要防止液位過低時，廢鍋干鍋，導(dǎo)致設(shè)備損壞，當(dāng)合成廢鍋出現(xiàn)液位低低報時壓縮機組三取二聯(lián)鎖停車；SIS點LISA18001為液氨球罐F18001A液位顯示，當(dāng)球罐液位出現(xiàn)高高報或低低報警時可自動關(guān)閉或打開，防止球罐液氨外溢或外送裝車泵損壞；SIS點PISA18001 PISA18002為液氨球罐壓力顯示，主要為防止液氨球罐超壓后造成安全閥起跳污染環(huán)境，當(dāng)球罐壓力高高報時放空調(diào)節(jié)閥打開泄壓至氨火炬系統(tǒng)保護球罐安全。

4SIS系統(tǒng)應(yīng)用效果

義馬氣化廠SIS系統(tǒng)的主要作用是當(dāng)運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)失誤時保證單位(部分或者全部)的安全停車，并規(guī)定了允許單元開車的詳細條件和后續(xù)應(yīng)該跟進的相關(guān)措施。此處的單元部分被分隔成了不同的功能模塊(包括過程子單元、機械設(shè)備，等等)。在SIS系統(tǒng)中，達到允許模塊開車的條件時，這些條件用一個邏輯函數(shù)“AND”連接，所有的條件必須獲得滿足后單元才能開車。如果模塊正處于運行之中，這些條件可以取消，他們對模塊不再起作用。輸入停車模塊可以來自于停車設(shè)定點(溫度、壓力、液面、分析報告、速度、震動┉┉)或者來自于另一個模塊的狀態(tài)(串聯(lián)停車)，這些輸入值用一個邏輯函數(shù)OR連接，因此任何一個輸入值都可以讓模塊停車。一個模塊的輸出是作用于一部機器或者一個閥門或者轉(zhuǎn)換從原料到產(chǎn)品排放閥門控制器的輸出量，或者通過作用于另一個模塊來實現(xiàn)。這種情況下模塊一直向其他模塊發(fā)送上游或者下游的缺陷或者條件來控制機器和閥門，所有情形都是這樣，如果滿足開車條件并且沒有停車情形，模塊的開車可以通過操作員按鈕來實現(xiàn)。模塊的停車可能因發(fā)生失誤引起，或者是通過操作人員按鈕來完成。

SIS系統(tǒng)在合成氨裝置應(yīng)用過程中發(fā)揮了重要的作用，在因廢鍋給水突然中斷時成功停車，未造成廢鍋干燒，保證了氨合成系統(tǒng)的安全。從用戶角度來說，盡可能的有一種規(guī)?？勺兊南到y(tǒng)來保證靈活的進行位置調(diào)度和伸縮組合。運用一種有著經(jīng)過權(quán)威認證的有著功能齊全的模塊系統(tǒng)，在實現(xiàn)邏輯運算時可以納入現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，方便設(shè)計和配置才是重要的。而在安全應(yīng)用問題上，經(jīng)過認證的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的操作系統(tǒng)對于整個系統(tǒng)來說才是非常重要的。選擇一個系統(tǒng)，其可以通過對于全回路使用自動檢驗測試和改良的診斷功能，來達到安全和可用率的同時最大化。

參考文獻：

[1]邊俊.安全儀表系統(tǒng)的研究和設(shè)計方法分析[D].浙江大學(xué)，2011.

[2]龔義文.安全儀表系統(tǒng)在化工裝置中的應(yīng)用[D].自動化儀表，2010，31(12):50-54.

[3]胡澤亮.張家口發(fā)電廠SIS設(shè)計與應(yīng)用[D]華.北電力大學(xué)，2011.

中圖分類號：TQ113.255

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-3467(2015)05-0045-03

作者簡介：郝瓊(1983-)，女，注冊安全工程師，從事安全管理工作，電話：13939815488。

收稿日期：2015-03-01