前言

根据《山西省人民政府关于做好 2018 年安全生产工作的通知》（晋政发〔2018〕1 号）的相关要求及重点工作安排，省安监局决定在全省危险化学品生产企业开展化工安全仪表系统专项整治工作，督促企业认真落实安全生产主体责任，切实贯彻安全生产法律法规及标准规范要求，按照原国家安全监管总局《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116 号）的工作部署，2018 年年底前，全面完成山西省涉及重点监管危险化工工艺和涉及毒性气体、液化气体、剧毒化学品且构成二级以上重大危险源的在役生产装置或设施的危险化学品生产企业安全仪表系统改造工作，切实提升企业本质安全水平[1]。山西天泽煤化工集团公司三个生产单位生产装置中含有国家安全监督管理总局公布的重点监管的危险化工工艺（合成氨工艺）和重大危险源（氨罐区等），为进一步加强公司化工安全仪表系统管理，完成各生产单位在役安全仪表系统（SIS）升级改造专项整改验收工作，集团公司领导高度重视，成立了“化工安全仪表系统专项整治工作领导组”，汇集公司各相关部门及工程技术人员对煤化工行业兄弟单位 SIS 系统配置情况进行考察，与上级管理部门积极联系落实具体要求、与设计单位进行技术交流落实实施方案，经过多方努力，制定了具体的整改实施方案、明确了整改措施和进度要求，于 2018 年 5月准备开始，目前已完成 SIS 系统设计、设备招标采购、安装调试、联动投运等工作，正在积极准备配合项目验收工作。

 

2 SIS 概述

2.1 安全仪表系统（SIS）

化 工 安 全 仪 表 系 统（ 简 称 SIS，Safetyinstrumented system）包括安全联锁系统、紧急停车系统和有毒有害、可燃气体及火灾检测保护系统等。安全仪表系统独立于基本过程控制系统 BPCS（例如 DCS 集散控制系统、可编程电子系统 PES 等），生产正常时处于休眠或静止状态，一旦生产装置或设施出现可能导致安全事故的情况时，能够瞬间准确动作，使生产过程安全停止运行或自动导入预定的安全状态，必须有很高的可靠性（即功能安全）和规范的维护管理[2]。根 据 安 全 仪 表 功 能 失 效 产 生 的 后 果 及 风险，将安全仪表功能划分为不同的安全完整性等级。不同等级安全仪表回路在设计、制造、安装调试和操作维护方面技术要求不同。

 

2.2 基本组成

由 触 发 传 感 器（Initiator）、逻 辑 控 制 器（Logic Solver）和终端元件（Final Element）以及达到特定安全完整性水平（SIL）的支持系统等组成，如框图 1 所示。

2.3 特点

（1）安全性。正常不动作，发生危险情况动作，工艺参数超限情况下的特定安防措施；

（2）独立性。独立于过程控制系统，设计意图不同、运行逻辑不同、管理要求不同。

 

2.4 基本要求

（1）按国家安全监督管理总局要求：对涉及“两重点一重大（即重点监管危险化学品、重点监 管 危 险 化 工 工 艺 和 危 险 化 学 品 重 大 危 险源）”所有新建和在役生产装置的化工企业和危险化学品储存单位，要设计符合要求的安全仪表系统。

（2）涉及“两重点一重大”在役生产装置或设施的化工企业和危险化学品储存单位，要在全面开展过程危险分析（如危险与可操作性分析）基础上，通过风险分析确定安全仪表功能及其风险降低要求，并尽快评估现有安全仪表功能是否满足风险降低要求。

（3）安全仪表系统改造工程必须经具有综合甲级资质或化工石化专业甲级设计资质的化工石化设计单位设计,并根据安全仪表功能失效产生的后果及风险等因素确定相应的安全完整性等级（SIL1-4，zui高为 4 级），防止设计不足或过度设计。安全仪表系统改造工程应委托具备相应资质的制造、安装单位进行，改造完成后，设计、制造、安装单位进行安装、调试，试运行正常后由企业组织以上单位编制竣工报告[3]。

（4）SIS 系统和相关仪表设备按设计需要有SIL 等级认证（安全完整性等级）。

 

3 SIS 系统使用现状

3.1 基本情况

山西天泽煤化工集团公司下设煤气化厂、化工厂和永丰化肥公司三个化工生产单位，各生产单位在生产装置建设和后续技术改造期间都安装有 ESD、SIS 系统，因装置规模大小、工艺控制和建设时期的具体要求不同，SIS 系统设计和配置也不相同。煤气化厂 SIS 系统共五套，分别为 1# 合成氨 SIS 系统、2# 合成氨 SIS 系统、3# 合成氨 SIS 系统和甲醇装置 SIS 系统、甲醛装置 SIS系统；永丰化肥公司合成氨装置 SIS 系统一套；化工厂合成氨装置 SIS 系统一套。

 

3.2 存在的问题

（1）合成氨装置 SIS 系统设计前的过程危险分析不够全面、不系统，HAZOP 报告书不规范，达不到安全验收标准。

（2）合成氨装置部分联锁系统按 ESD 要求设计，不满足 SIS 系统安全功能。

（3）合成氨装置氨储罐区采用 ESD，未独立设置 SIS 系统，不符合安全验收要求；

（4）甲醇装置粗醇、精醇储罐区未设计联锁系统，不符合 SIS 系统安全验收要求。

（5）SIS 系统相关仪表设备部分无 SIL 认证，安全等级达不到要求。

（6）仪表工未进行 SIS 系统专项知识培训，管理维护水平欠缺。

（7）SIS 系统管理不规范、专项资料、制度不健全，达不到安全验收标准要求。

 

4 SIS 升级改造

4.1 整改措施

按照晋城市安全生产监督管理局对安全仪表系统专项整治的具体要求，针对集团公司三个化工生产单位现有装置 SIS 系统摸底排查，列出问题清单，同时邀请专业设计单位分析评估，深入分析讨论后制定了详细的整改方案和具体实施要求。

（1）图纸资料核查。结合安监局相关要求和 SIS 系统相关标准规范，对在役装置现有 SIS系统、ESD 系统等联锁系统设计图纸资料和现场配置情况进行核查。

（2）提出整改意见。根据核查资料与专业设计单位技术交流，拿出整改意见。

（3）确定整改方案。符合安全仪表系统等级认证要求的 SIS 系统和仪表设备升级改造后利用，漏项的按设计独立配置补齐，明确整改方案，分析评估后开展设计。

（4）HAZOP 分析。设计单位按规定对各生产装置全面开展工艺过程危险分析。

（5）SIS 详 细 设 计 。 按 规 范 要 求 在 HAZOP报告基础上进行 SIS 系统详细设计。

（6）SIS 项目实施。按 SIS 系统设计图纸资料进行相关设备采购和安装调试。

（7）SIS 组织验收。按程序要求完成 SIS 系统升级改造安装调试和验收工作。

 

4.2 设计

由具有甲级设计资质的化工设计单位负责完成，主要有三大部分内容：危险与可操作性分析（HAZOP）、安全完整性等级（SIL）和 SIS 系统设计。

煤气化厂、永丰化肥公司、化工厂三个生产单位 SIS 系统设计同步进行，对各单位合成氨、甲醇及甲醛工艺流程、工段装置区、设备管线、控制措施、仪表自控系统等全面分析、讨论、设计。

 

4.2.1 HAZOP（HAZard and OPerability）分析

HAZOP 是一个结构化和系统化的检查被定义系统的技术，是一种工艺灾害识别方法[4]。识别系统中潜在的危害（Hazard）。这些危害可能包括本质上只与系统现有区域有关的危害和有更大影响范围的危害，例如，某些环境危害。识别系统潜在的操作性问题（Operability），特别是辨识操作性干扰的原因和可能导致非一致性产品的生产偏离。

 

HAZOP 分析要通过专用的 HAZOP 文档和软件进行，在前后修改时可确保一致性。要对每个区域场景具体分析，并提出整改建议。在进行 HAZOP 分析前专业设计人员要根据收集的资料将工艺流程在 PID 图中划分为不同的分析区域，称为“节点”，以便明确工艺功能，利于对重要部分进行分析。

（1）HAZOP 分析中的安防措施。

按照现代安全防护理论和洋葱模型，列出所分析偏差在 PID 图和操作程序中存在的安防措施。安防措施即在所评价位置的防止措施或减缓措施以及管理系统，该措施减少了偏离发生的概率或缓减了后果的严重度。

（2）资料及人员。

开展 HAZOP 需提供的主要资料有：生产装置实际的工艺流程图（PFD、PID）、设计说明、设备一览表、设备布置图、联锁逻辑图、仪表数据表、企业的风险可接受标准等。

针对合成氨生产工艺按区域“节点”进行了HAZOP 分析，参加分析组成人员主要有设计单位和建设各生产单位负责人及相关专业技术人员：设计单位项目经理和各专业负责人、工厂安全和生产管理负责人、安全工程师、工艺工程师、仪表工程师、各相关岗位操作人员等。

（3）重点区域和节点。

合成氨装置醇烃化、氨合成、冷冻、压缩、液氨储罐区、气柜等；甲醇装置合成、精醇粗醇罐区等；甲醛装置等。

（4）HAZOP 分析报告。

对各单位生产装置实际的工艺流程进行全面的工艺过程危险分析，根据设计资料、设计人员和操作人员对 HAZOP 分析内容的讨论及补充，编制zui终 HAZOP 分析报告。对各装置在生产过程中可能产生的偏离原因、偏离结果，为降低装置风险，提高安全运行水平，提出了建议措施。

 

4.2.2 SIL 认定

SIL 即安全完整性：在规定时间、规定条件下，安全相关系统成功执行所要求的安全功能的 概 率 。 IEC61508 将 SIL 定 义 为 四 个 等 级 ，SIL1～SIL4。SIL 等级越高，风险降低越多。安全完整性由两大要素组成。

 

①硬件安全完整性，其安全完整性与危险失效模式中随机硬件失效有关，主要体现在安全仪表功能的运行过程中，和部件的功能退化及老化等有关；

 

②系统安全完整性，其安全完整性与危险失效模式中系统失效有关，主要和系统设计、制造流程、变更改造、操作规程以及文档记录等有关。

（1）SIL 定级。

安全完整性等级 SIL 是通过评估安全仪表系统功能失效后的风险和已有风险降低手段来确定。这些风险包括人员伤亡、环境破坏以及经济损失的风险，其它风险降低手段包括其它技术安全相关系统和外部风险降低设施。

 

SIL 定级是 SIS 系统详细设计的重要依据，SIL等级确定后，在 SIS 系统相关回路中的仪控设备，包括仪表、控制器、I/O 卡件、安全栅、继电器等仪表设备和控制系统都要达到 SIL 等级相应要求。

 

（2）SIL 定级方法。

常见的 SIL 定级方法有：保护层分析（Layerof protection analysis，简 称 LOPA）、风 险 矩 阵（Risk Matrix）、风险图（Risk Graph）、定量风险分析（QRA）。本项目采用 LOPA 进行定量分析，对各装置进行 SIL 定级分析，确定 SIL 等级，编制SIL 定级报告。

 

化工生产过程包含各种保护层，如本质安全设计、基本过程控制系统（BPCS）、报警与人员干预、安全仪表功能（SIF）、物理保护（安全阀等）、释放后保护设施、工厂应急响应和社区应急响应等。这些保护层降低了事故发生的频率。保护层分析（LOPA）是在定性危害分析的基础上，进一步评估保护层的有效性，并进行风险决策的系统方法，主要目的是确定是否有足够的保护层使过程风险满足企业的风险可接受标准。

 

4.2.3 SIS 设计

SIS 系统设计是由设计单位在完成 HAZOP分析报告，并zui终确定 SIL 等级后提交终版相关技术资料，由设计单位仪表自控专业按具体条件资料进行的安全仪表系统详细设计。

（1）安全要求规格书（SRS）。

SRS 是 SIS 设计zui基础的文件，编制 SRS 时主要依据有 HAZOP 报告、SIS 设计法规和标准规范、所需 SIF 的列表等。

 

（2）控制、仪表设备选型设计。

 

三个单位生产装置均设计 SIS 系统及辅助操 作 台 ，实 现 工 厂 安 全 仪 表 系 统 安 全 管 控 功能。按区域分别设置 SIS 系统，新增 SIS 系统设计独立设置；在役 SIS 系统升级改造增设扩展柜做详细设计，SIS 系统要符合 SIL 等级认证。辅助操作台设置紧急停车钥匙开关复位按钮等。停车钥匙开关采用红色，复位按钮采用灰色。紧急停车钥匙开关、复位按钮等用硬接线方式与 SIS 系统连接。

 

SIS 系统每个 SIF 回路均设计采用浪涌保护器和隔离式安全栅，有效防止雷电流对仪表设备损坏，浪涌保护器和安全栅均安装在系统控制柜（或安全栅柜）内。

 

电源：设计为 220V.AC 50HZ UPS 不间断电源。

 

设计主要仪表设备，液位测量仪表有：翻板液位计、磁致伸缩液位计、外测超声波液位计、雷达液位计、射频导纳液位计、差压变送器等；压力测量仪表有：差压变送器、（法兰式）压力变送器等；另，24V.DC，二位三通型电磁阀；24V.DC 隔离式安全栅；浪涌保护器等。防爆等级：iaⅡCT4，仪表设备符合 SIL 相应等级认证。

 

（3）联锁系统设计主要有以下内容。

①气柜高度。

半水煤气气柜高度≥95%时，停煤气炉；半水煤气气柜高度≤20%时，停罗茨机。联锁逻辑结构采用二选二。

 

②氨合成工艺指标。

a 氨合成废热回收器汽包液位≤20%时或

b 合成塔催化剂层温度：≥520℃或

c 氨合成补气油分进口压力≥28MPa、氨合成油分离器进口压力≥28MPa、氨合成冷交换器进口压力≥28MPa 时。停系统压缩机，停罗茨机。

联锁逻辑结构采用三选二。

 

③液氨球罐液位。

液氨球罐液位≥85%时，液氨进口切断阀关闭；液氨球罐液位≤5%时，液氨出口切断阀关闭。

联锁逻辑结构采用二选二。

 

④甲醇罐液位。

甲 醇 罐 液 位 ≥85% 时 ，甲 醇 进 口 切 断 阀 关闭；甲醇罐液位≤10%时，甲醇出口切断阀关闭。

联锁逻辑结构采用二选二。

 

4.3 实施

4.3.1 项目实施过程

（1）完成 SIS 设计图纸会审，解决疑难问题；

（2）完成 SIS 升级改造设备采购计划编制；

（3）完成 SIS 升级改造设备招标采购工作；

（4）完成 SIS 升级改造系统设备现场安装和调试；

（5）完成工厂竣工验收和资料归档整理工作；

（6）完成 SIS 专项安全评价和验收工作。

 

4.3.2 SIS 系统升级改造情况

 

（1）SIS 控制系统。

各生产单位按 SIS 设计图纸资料要求对新增的 SIS 系统独立配置（如化工厂甲醛系统等），成套订购 SIS 系统设备并安装实施。在役的 SIS系统按设计区域对现有 SIS 系统升级改造，如操作站、辅操台改造利旧，原有安全栅、继电器等不符合安全等级要求的产品全部更换为 SIL 等级安全栅和继电器，新增部分测点按具体技术方案增设 I/O 卡成套配置在新增机柜（扩展柜）内，整体要求达到 SIL3 等级认证。控制系统主要采用和利时公司 HOLLiAS 安全控制系统 V2.0，HiaGuard 系统，浙江中控技术股份有限公司 TCS-900 安全仪表系统。系统硬件、软件均通过 SIL3/SC3 级认证。

 

（2）SIS 仪表设备。

①液位测量仪表。磁致伸缩液位计 LMT200.C1.S6.R2.B2.D2.L2.H1，SIL 认 证 等 级 为 SIL3，防爆等级为 ExiaIICT4,防护等级为 IP66，输出 4～20mA+HART 协议。外测超声波液位计 ELL-FI-CE16L0.5HDF1，SIL 认证等级为 SIL3，防爆等级：ExdⅡCT6、防护等级：IP67/WF1，输出：4～20mA，四线制，显示方式：LCD。

雷 达 液 位 计 FMP54、FMR51，SIL 认 证 等 级为 SIL3，认 证: NEPSI ExiaIICT6 Ga，输 出: 两 线制，4～20mA+HART。射频导纳液位计 UYB-SP-DH，SIL 认证等级为 SIL3，输出：4～20mA+HART，带可设定的数显表头。

 

②压力测量仪表。EJA 型差压变送器、（法兰式）压力变送器等，认证等级为 SIL3。

③ASCO 电磁阀。 NF8327B002 24V DC，二位三通型，认证等级为 SIL3。

④安全栅。GS8535-EX/GS8523-EX /GS8567-EX /GS8576-EX，24V.DC 隔 离 式, 认 证 等 级 为SIL2/SIL3。

⑤浪涌保护器。T-24-L，认证等级为 SIL3。

 

（3）安装实施。

因装置处于正常生产状态，为使 SIS 系统升级改造对生产系统影响减小，按计划分步实施，系统停车前做好安装准备工作，停车后进行系统对接碰头。

 

①停车前安装准备。提前完成各区域 SIS系统升级改造，新增机柜（扩展柜）安装就位，仪表一次部件预制、仪表设备校验安装就位，信号线缆敷设、校接线等工作。

 

②停车后系统对接。完成各区域 SIS 系统组态、调试，现场仪表一次部件焊接，仪表设备校接线投运、SIS 系统及仪表设备联动调试等工作。

 

③联锁试验。静态联锁模拟试验、动态系统投用试验，并做好完整记录。

 

④竣工验收。SIS 系统资料归档整理、组织竣工验收。验收合格后，SIS 系统全部投入正常使用。

 

5 总结

在煤化工行业领域安全仪表系常被称为安全 联 锁 系 统（Safety interlocking System）。 通 过SIS 系统实现安全报警和联锁，对系统检测的威胁（或潜在的威胁）结果实施报警或开关调节或停机动作，是工厂安全自动控制的重要部分。它为企业的安全生产，人员设备保护和环境保护提供了基本保障。但是目前国内对于 SIL 定级与验证，还缺乏足够的专业人员；同时一些企业由于种种原因，SIS 系统应用没有得到高度重视，SIS 系统配置不合格不投用形同虚设；没有设立专项管理制度、没有专业维护人员，这就给生产装置带来了安全隐患。

 

近年来，随着国家安监局的强制要求和企业安全意识的提高，SIS 系统也得到广泛应用。但要想真真提高工厂生产本质安全，一方面需要国家安监和技术部门，尽快完善煤化工企业安全仪表系统技术标准和认证体系，完善评估、验收标准，同时需帮助企业做好相关人员技术和专项管理的培训工作。另一方面企业和设计单位自身要严格执行国家相关法规标准，规范企业新建或在役装置 SIS 系统评估、设计、安装验收等工作，同时加强专项人员培训、加强管理制度的强化，使 SIS系统长期真实有效的投入运行，切实提高生产装置的安全技术防护能力和本质安全水平。