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石油及石油化工裝置中安全相關(guān)系統(tǒng)的工程設(shè)計

文檔作者：劉超明文檔來源：中國石油天然氣勘探開發(fā)公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月07日
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工程設(shè)計及標準 石 油 化 工 自 動 化，2008，1：19
AUToM ATIoN IN PETRo—CH EM ICAL INDUSTRY
石油及石油化工裝置中安全
相關(guān)系統(tǒng)的工程設(shè)計
劉超明
(中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京 100034)
摘要：根據(jù)富拉油田開發(fā)項目安全相關(guān)系統(tǒng)FSC的設(shè)計和運行經(jīng)驗，全面介紹了安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計原則、設(shè)計程序、
設(shè)計方法。同時也介紹了與安全相關(guān)系統(tǒng)有關(guān)的術(shù)語和概念。設(shè)計原則主要涉及有效性、可靠性、安全完整性分配、目標故障、
有效性與可靠性以及經(jīng)濟適用等原則；設(shè)計程序包含了安全系統(tǒng)設(shè)計生命周期的各個部分和各階段的目標；設(shè)計方法主要涉及
系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)組態(tài)。為同類系統(tǒng)的設(shè)計提供了可以借鑒的程序和方法。
關(guān)鍵詞：安全相關(guān)系統(tǒng)；安全完整性；安全生命周期；有效性；可靠性；故障安全
中圖分類號：TP202．1 文獻標識碼：B 文章編號：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&amp;amp; 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 安全相關(guān)系統(tǒng)的工程設(shè)計原則
自從20世紀90年代安全相關(guān)系統(tǒng)問世以來，
當今國內(nèi)外市場上安全相關(guān)系統(tǒng)品種繁多，結(jié)構(gòu)和
性能各有優(yōu)劣，主流產(chǎn)品有HIMA H41q 和
H51q，Honeywell—FSC，ABB AC4OO等。因此，安
全相關(guān)系統(tǒng)的工程設(shè)計不是要求設(shè)計、開發(fā)一個新
的應(yīng)用系統(tǒng)，而是根據(jù)生產(chǎn)工藝特點和安全要求等
級從市場上選擇一種成熟系統(tǒng)的設(shè)計原則以及根
據(jù)設(shè)計原則構(gòu)建安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方法。安全
相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計原則主要有如下幾個。
a)有效性原則。是系統(tǒng)正常運行時間占總時
間的百分比。任何系統(tǒng)都不能排除出現(xiàn)故障的可能
性，關(guān)鍵是在故障出現(xiàn)時，系統(tǒng)是否具有診斷、定位、
排除和告警的功能。要得到好的有效性，選擇的系
統(tǒng)必須具備容錯和診斷功能以減少停車時間。具體
工程化設(shè)計技術(shù)有分散和冗余。分散包括網(wǎng)絡(luò)分
散、結(jié)構(gòu)分散、設(shè)備物理位置分散和有限停車等。冗
余包括安全控制器結(jié)構(gòu)化及其數(shù)量冗余、I／O卡件
冗余、通信模件冗余、連接介質(zhì)冗余和電源冗余等。
除此之外，還有冗余分離、短路保護、本質(zhì)安全、故障
運行等輔助技術(shù)。容錯是提高系統(tǒng)有效性的重要手
段，容錯是指系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時仍能正常工作，同時
又能查出故障的能力。冗余是實現(xiàn)容錯的工程方
法，容錯包括3種不同的功能：故障檢測、故障鑒
別、故障隔離。提高系統(tǒng)的診斷覆蓋率水平，也可以
提高系統(tǒng)的有效性。重化、冗余、容錯結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)配
置在提高系統(tǒng)可靠性的同時，也提高了系統(tǒng)的有效
性。有效性不影響系統(tǒng)的安全性，但系統(tǒng)的有效性
收稿日期：2007—1O一16(修改稿)。
作者簡介：劉超明(1967一)，男，湖北天門人，1989畢業(yè)于江
漢石油學(xué)院，現(xiàn)在中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，任工程師，長期
從事國內(nèi)外工程項目的施工、系統(tǒng)調(diào)試和試運。
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低可能會導(dǎo)致裝置和工廠無法進行正常生產(chǎn)。
b)可靠性原則。是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)
定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力L1]?？煽慷仁窍到y(tǒng)
在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，其
量化指標為安全完整性目標測量值，其值越小，安全
度越高。安全性針對過程的兩個方面：過程問題和系
統(tǒng)故障；系統(tǒng)可靠性是組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)可靠性的乘
積。要提高系統(tǒng)可靠性，必須同時提高組成安全相關(guān)
系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的可靠性，具體就是選用高可靠性的安全
控制器、I／O設(shè)備、通信模件、電源模件和執(zhí)行單元等。
c)安全度等級(S1L)的確定和分配原則。SIL是
指分配給E／E／PE安全相關(guān)系統(tǒng)安全功能的安全完
整性要求的離散等級，是在規(guī)定運行模式下，規(guī)定時
間內(nèi)，安全相關(guān)系統(tǒng)成功實現(xiàn)所要求安全功能的概
率。IEC61508將SIL分為4個等級：SILl～4，其中
SILl最低，sIL4最高。分配到指定運行模式的E／E／
PE安全相關(guān)系統(tǒng)的SIL的量化指標如表1所列。
表1 安全相關(guān)系統(tǒng)的SIL量化指標
表1中的SILI~4表示的是目標故障測量值，只
有與硬件安全完整性有關(guān)的故障概率才可以量化并
用于目標故障測量評估的可靠性預(yù)測技術(shù)中。必須
制定關(guān)于預(yù)防性要求的定性技術(shù)和判據(jù)以滿足與系
統(tǒng)安全完整性有關(guān)的目標故障測量。目標故障值是
在項目HAZOP風(fēng)險評估階段確定的，在確定過程
中，應(yīng)包括所有導(dǎo)致故障狀態(tài)的因素，如硬件失效、軟
件失效以及電磁干擾引起的失效等。在得出這些目
標故障值之后，根據(jù)下限取值原則，確定SIL等級，并
在E／E／PE安全相關(guān)系統(tǒng)，其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)以
及外部風(fēng)險降低設(shè)施之間分配S1L值。
d)目標故障原則。故障是功能單元終止執(zhí)行
要求功能的能力，根據(jù)故障的表現(xiàn)形式可分為顯形
故障和隱形故障。顯形故障是指能夠顯示自身存
在的故障，屬于安全故障；隱形故障是指不能顯示
自身存在的故障，屬于危險故障，危險故障是使安
全相關(guān)系統(tǒng)處于危險并使其功能失效的潛在故障，
隱形故障一旦出現(xiàn)，可能使生產(chǎn)裝置陷入危險。安
全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計目標就是使得系統(tǒng)具有零隱形
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整體安裝和
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和處置
圖1 整體安全生命周期技術(shù)架構(gòu)
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第1期 劉超明．石油及石油化工裝置中安全相關(guān)系統(tǒng)的工程設(shè)計
表2 整體安全生命周期各階段目標概述 3 安全相關(guān)系統(tǒng)的工程設(shè)計方法
3．1 系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)確定的SIL，選擇包括系統(tǒng)的輸入、輸出、
安全控制器及其輔助系統(tǒng)，并構(gòu)建系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。
依據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的要求，生成物質(zhì)清單，按照物
質(zhì)清單，確定系統(tǒng)所需的輸入、輸出設(shè)備類型，安全
控制器的重化結(jié)構(gòu)等。
a)輸入設(shè)備設(shè)計。輸入設(shè)備類型有工藝過
程開關(guān)(如溫度、壓力、液位等)，手動開關(guān)(如緊
急停車等)和火災(zāi)報警信號(可燃氣體檢測、火焰
檢測、熱感等)以及應(yīng)用于安全的原始輸入、輸出
數(shù)字信號。在安全相關(guān)系統(tǒng)中，要求使用諸如故
障一安全輸入模件和故障一安全輸入傳感器等安全
相關(guān)設(shè)備。如果輸入設(shè)備不是故障一安全型，則
必須采用冗余結(jié)構(gòu)模式，并定義最大準時時間、
最大偏差時間和最大允許偏差值。冗余結(jié)構(gòu)必
須配以不同的表決模式，典型的模式有1ool、
1oolD、1002、1oo2D、2oo3D等。如果設(shè)計以可靠
性優(yōu)先，則在冗余輸入組態(tài)中使用與邏輯，如果
有效性優(yōu)先，則使用或邏輯?；馂?zāi)報警輸入一般
為模擬信號，探測點應(yīng)具有報警、超馳、測試、故
障等可視化功能。
b)輸出設(shè)備設(shè)計。安全相關(guān)系統(tǒng)的輸出設(shè)備
應(yīng)是故障一安全型，如電磁閥、ESDV 閥等。當使用
非故障一安全執(zhí)行機構(gòu)時，應(yīng)采用冗余拓撲。而冗
余模式由工藝特性決定，如燃燒控制系統(tǒng)的燃氣回
路，其開關(guān)電磁閥應(yīng)采用串聯(lián)安裝，而高壓防空系
統(tǒng)，放空閥則應(yīng)為并聯(lián)冗余。由于安全系統(tǒng)的故障
或過程問題的停車都必須依賴動力源才起作用，在
失去動力源時(如電源故障或風(fēng)源丟失)，最終的輸
出控制單元必須進入故障一安全狀態(tài)，其機械設(shè)計
機構(gòu)應(yīng)能夠使輸出返回到安全位置，作為額外的安
全保證，即所謂的“事故時開或事故時關(guān)”。所有輸
出電磁閥應(yīng)為正常激勵，故障失電模式。輸入、輸
出回路應(yīng)設(shè)有開路、短路和漏電保護等功能。報警
和故障的遠程顯示必須采用硬接線或使用安全系
統(tǒng)內(nèi)部通信鏈接。
c)安全控制器設(shè)計。根據(jù)分配到E／E／PE安
全相關(guān)系統(tǒng)的安全完整性目標值，正確評估現(xiàn)有
安全控制器的性價比，在滿足裝置安全要求的前
提下，選擇安全控制器的結(jié)構(gòu)。安全控制器的結(jié)
構(gòu)一般有非冗余型、冗余型、冗余診斷型，三重
化、四重化等?？刂破髦芷谛缘貙τ布M行檢
測，如果輸出硬件存在故障，控制器不應(yīng)使輸出
整體失電，而應(yīng)是成組或單點失電；如果安全相
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關(guān)輸出模件存在故障，控制器應(yīng)通過Watchdog
模件使與該模件有關(guān)的所有輸出都失電；如果I／
0結(jié)構(gòu)為非冗余，則使所有輸出都失電；以上失
電由控制器內(nèi)部計時器控制。
d)電源設(shè)計。電源冗余是系統(tǒng)可靠性和有效
性的保證，冗余電源不能同時出現(xiàn)故障，其初級電
源來源不同、類型不同、相位不同，且能無擾切換。
電源功率應(yīng)為系統(tǒng)負荷的150 。電源故障監(jiān)測
應(yīng)納入系統(tǒng)設(shè)計的一部分。為降低電源線上擾動
的影響，必須對所有主要裸露的金屬導(dǎo)體部分進行
良好接地。
e)控制邏輯設(shè)計。邏輯設(shè)計的目的是根據(jù)分
配給安全功能的SIL，按照預(yù)定義的安全控制邏
輯，基于輸入確定工藝狀態(tài)控制輸出的過程。安全
系統(tǒng)的輸入和輸出既可以是數(shù)字信號，也可以是模
擬信號，所用基本邏輯函數(shù)有AND，OR，NOT等，
控制邏輯符合IEC61131—3。由于總線儀表有豐
富的診斷資源，推薦使用總線儀表?？刂七壿嬙谳?
入健康時，應(yīng)保證過程處于預(yù)定義的安全狀態(tài)。輸
入輸出的具體關(guān)系由工藝要求的安全功能決定。
f)操作界面的設(shè)計。安全相關(guān)系統(tǒng)獨立于
DCS運行，正常不需人為干預(yù)，但異常時必須有人的
動作，如緊急按鈕停車、啟動復(fù)位、維護超馳、聲光報
警等。另外，一個詳細的因果關(guān)系表對縮短MTTR
也至關(guān)重要。因此合適的操作員界面應(yīng)是安全系統(tǒng)
設(shè)計考慮的一部分。該界面可以是安全相關(guān)系統(tǒng)的
獨立界面，也可以與DCS操作員界面集成。
3．2 安全相關(guān)系統(tǒng)組態(tài)
一旦確定控制策略和所需設(shè)備，就進入系統(tǒng)組
態(tài)進程。安全相關(guān)系統(tǒng)組態(tài)主要包括系統(tǒng)組態(tài)、邏
輯功能組態(tài)和源碼轉(zhuǎn)換等。
a)系統(tǒng)組態(tài)。系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)。系統(tǒng)參數(shù)主
要有系統(tǒng)要求等級、安全控制器結(jié)構(gòu)、過程安全時
間、故障時間、存儲器類型以及上電模式等。
輸入／輸出信號組態(tài)。該組態(tài)在詳細設(shè)計階段
進行，主要是根據(jù)規(guī)格書分配I／0在安全系統(tǒng)中
的實際位置，包括柜號、架號、槽號、通道號、信號類
型、單位等信息。嚴禁安全相關(guān)信號與非安全相關(guān)
模件相連和有關(guān)信號的多次分配。為了維護和測
試，要求將輸入、輸出強制到某個規(guī)定值，強制可以
在不影響生產(chǎn)的同時對輸入輸出設(shè)備進行更換和
維修，當相應(yīng)過程變量進入非安全狀態(tài)時，強制將
引入潛在危險。強制狀態(tài)根據(jù)工藝要求可以是高、
低或規(guī)定值等。
b)邏輯功能組態(tài)。邏輯組態(tài)工具有功能邏
輯圖、指令表、順序控制等，一般使用功能邏輯圖
(FLD)，它由一組預(yù)先定義的符號組成。設(shè)計應(yīng)
用程序時，應(yīng)根據(jù)安全系統(tǒng)要求，首先設(shè)計通用
模塊，然后可以對通用模塊進行多次調(diào)用。FLD
中的信號流起源和目的應(yīng)采用傳輸方式進行，原
則是目的FLD頁號必須大于源FLD頁號，以增
加程序反應(yīng)時間。
c)源碼轉(zhuǎn)換。源碼轉(zhuǎn)換的先決條件是要滿足
有關(guān)FLD和功能塊號要求，轉(zhuǎn)換按FLD號的降序
進行，轉(zhuǎn)換的目的是將組態(tài)文件變成系統(tǒng)可以識別
的機器碼并檢查編輯的程序是否正確。只有經(jīng)過轉(zhuǎn)
換的程序才能進行下裝。轉(zhuǎn)換同時修改程序文件版
本號，在冗余系統(tǒng)中，只有版本號一致的兩個系統(tǒng)才
能正常工作。
參考文獻：
1 王常力，廖道文．集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用．北京：清華大
學(xué)出版社，1993．322
(上接第15頁)
45一 _= 麗一13．2(m)
由式(18)得A B 弧的半徑：
(45— 11．34) + 18．14 一38．24(m)
最低保護高度：
h6z— h，一 z— H 一45— 38．24- 6—
0．76 m > 0．5 m
故所選兩針校驗合格。
4 結(jié)束語
和作圖法相比，計算法較簡便、準確，省略作圖
麻煩。只要是雙針保護(這是常用的防直擊雷保
護)，參照本文提供的計算圖和相應(yīng)公式進行計算
均可獲滿意結(jié)果。
參考文獻：
1 GB50057—94(2000年版)，建筑物防雷設(shè)計規(guī)范．北京：2001
2 工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊．第二版．中國電力出版社，北
京：1999
3 D501，防雷與接地安裝標準圖集．中國建筑標準設(shè)計研究院，北
京：2006

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