“石油化工安全仪表系统设计规范”分析｜存干货

此文是东华工程科技股份有限公司副总工程师马恒平，基于《石油化工安全仪表系统设计规范》GB/T 50770-2013进行简单的分析。

一.适用范围

适用于石油化工工厂或装置的新建、扩建及改建项目的安全仪表系统工程设计。

国家安全生产监督管理总局相关文件要求采用ESD、SIS的工程设计采用此规范。包括“二重点一重大”项目和可燃有毒气体、液化气体、剧毒液体监控的项目。

注: 条文说明中提出不适用于石油化工工厂或装置的火灾及气体报警系统、压缩机控制系统、锅炉控制保护系统。

二.相关术语

1. 安全仪表系统（SIS）

实现一个或多个安全仪表功能的仪表系统

组成：测量仪表、逻辑控制器、最终元件及相关软件构成，作为系统还有通信接口、人机接口。系统特征为故障安全型。

2. 安全仪表功能（SIF）

为了防止、减少危险事件发生或保持过程安全状态，用测量仪表、逻辑控制器、最终元件及相关软件等实现的安全保护功能或安全控制功能。

3. 风险、安全

风险：预期可能发生的特定危险事件和后果。

安全：简单的说，可以接受的风险就是安全。

4. 安全完整性、安全完整性等级（SIL）

安全完整性：在规定的条件和时间内，SIS完成SIF的平均概率。

安全完整性等级（SIL）：安全功能的等级，由低到高分SIL1—SIL4。

本规范要求在安全功能分配时，安全完整性等级最高为SIL3。

低要求操作模式：

SIL1为平均每年失效的概率10-1---10-2

SIL2为平均每年失效的概率10-2---10-3

SIL3为平均每年失效的概率10-3---10-4

SIL评估内容：

1）确定每个SIF的SIL

2）确定诊断、维护和测试要求，包括测试间隔时间。

5. 基本过程控制系统（BPCS）

响应过程测量以及其它设备、其它仪表、控制系统或操作员的输入信号，按过程控制规律、算法、方式，产生输出信号实现过程控制及其相关设备运行的系统。

（理解就是SIS以外的控制系统，不执行SIF的系统）。

6. 保护层

通过预防、控制、减缓等手段降低风险的措施

安全生命周期：从工程方案设计开始到所有安全仪表功能停止使用的全部过程。

分三个阶段：

1）工程设计阶段，从方案设计到详细工程设计完。自控专业从收到SIL评估及审查前的过程为参与者，后为主导者。

2）集成调试验收测试阶段，集成商为主。

3）操作维护阶段，业主自控专业为主。

三.测量仪表

测量仪表包括模拟量和开关量两种类型仪表

1. 一般规定

● 测量仪表宜采用4～20mA HART的智能变送器

● 爆炸危险场所优先使用隔爆型仪表

● 现场安装测量仪表防护等级不应低于IP65

● 测量仪表及取源点宜独立设置

● 不应采用现场总线或其它通信方式作为SIS的输入信号

2. 测量仪表独立设置和冗余设置原则

● 完成SIL1的SIF：测量仪表可与BPCS共用，可采用单一测量仪表

● 完成SIL2的SIF：测量仪表宜与BPCS分开，宜采用冗余测量仪表

● 完成SIL3的SIF：测量仪表应与BPCS分开，应采用冗余测量仪表

3. 冗余方式

● 当系统要求高安全性时，应采用“或”逻辑结构

● 当系统要求高可用性时，应采用“与”逻辑结构

● 当系统要求兼顾高安全性和高可用性时，应采用三取二逻辑结构

四.最终元件

最终元件包括控制阀（调节阀、切断阀）、电磁阀、电机等执行设备

1. 一般规定

● 最终元件宜采用气动控制阀，不宜采用电动控制阀

● 气动控制阀执行安全仪表功能时，SIS应优先动作，也就是说调节阀带的电磁阀应安装在定位器和执行机构之间，切断阀带的电磁阀应安装在执行机构上。电磁阀电源应由SIS提供

● 气动控制阀宜采用弹簧复位单气缸执行机构，当采用双气缸执行机构时，宜配空气储罐或专用仪表气源管线

● 爆炸危险场所优先使用隔爆型电磁阀、阀位开关

● 现场安装电磁阀、阀位开关防护等级不应低于IP65

2. 控制阀独立设置和冗余设置原则

● 完成SIL1的SIF：控制阀可与BPCS共用，但SIS应优先动作，可采用单一控制阀

● 完成SIL2的SIF：控制阀宜与BPCS分开，宜采用冗余控制阀

● 完成SIL3的SIF：控制阀应与BPCS分开，应采用冗余控制阀

3. 冗余方式

● 控制阀冗余可采用一个调节阀和一个切断阀，也可采用二个切断阀

● 当系统要求高安全性时，冗余电磁阀宜采用“或”逻辑结构

● 当系统要求高可用性时，冗余电磁阀宜采用“与”逻辑结构

五.逻辑控制器

逻辑控制器宜采用可编程电子系统，简单场合可采用继电器系统，或可编程电子系统、继电器系统混合构成。

1. 一般规定: 当逻辑控制器为可编程电子系统时

● 逻辑控制器总响应时间宜为100ms---300ms,总响应时间指信号从进逻辑控制器到出逻辑控制器所需的全部时间

● 逻辑控制器的中央处理单元负荷不应超过50%

● 逻辑控制器的内部通信负荷不应超过50%，若采用以太网的通信负荷不应超过20%

2. 逻辑控制器独立设置和冗余设置原则

● 完成SIL1的SIF：逻辑控制器宜与BPCS分开，可采用冗余逻辑控制器

● 完成SIL2的SIF：逻辑控制器应与BPCS分开，宜采用冗余逻辑控制器

● 完成SIL3的SIF：逻辑控制器应与BPCS分开，应采用冗余逻辑控制器

3. 逻辑控制器的配置原则

● 逻辑控制器符合SIL要求，应独立完成SIF

● 逻辑控制器的软硬件版本应是正式发布的

● 逻辑控制器的中央处理单元、I/O单元、电源单元、通信单元等应是独立的单元，应允许在线更换单元而不影响逻辑控制器的正常运行

● 逻辑控制器应有软件和硬件诊断和测试功能，诊断和测试信息应在工程师站和/或操作站显示、记录

● 逻辑控制器的系统故障宜在SIS的操作站报警，也可在BPCS的操作站报警

4. 逻辑控制器的接口配置原则

● I/O卡信号通道应带光电或电磁隔离，I/O卡不应采用现场总线数字信号

● 检测同一过程变量的多台测量仪表信号宜接到不同输入卡件

● 冗余的最终元件应接到不同的输出卡件，每一个输出信号通道应只接一个最终元件

六.个人理解

1. 由于当前国家层面的过程危险分析与风险评估制度、体系不完善，各业主单位的要求不同，行业技术人员缺乏，专业水平差距较大，对保护层的安全功能分配经验不足，对安全完整性等级的评估及审查重视不够，使得对安全仪表功能的确认缺乏主动性和积极性，使得自控专业对安全仪表系统的设计往往缺少依据，工作推动困难。

希望国家层面协调，完善安全监管部门、设计单位、业主单位相关安全仪表系统的管理制度、管理体系，推动安全仪表功能的合理实施。

2. 国家认证体系不完善，被国外利益公司炒作的概念利用较多，对SIS设计干扰较大。

本规范仅要求“用于逻辑控制器的可编程电子系统应取得国家权威机构的功能安全认证”，对SIS中其它任何仪表设备均没有要求认证。

本规范要求对测量仪表和最终元件采用计算低要求操作模式的平均失效概率的方法设计和验证仪表安全完整性等级；也可根据经验使用原则，有实际证据证明所使用的仪表在以前的使用中有足够的安全完整性，就可确定选用该仪表符合安全完整性等级。

希望国家层面能完善SIS仪表的准入制度，提高SIS仪表的选型水平。

3. 人员注册，我国目前还没有这方面的注册或认证，国家层面也没有要求取证，所以在中国做设计，不需要取国外的证。

七.对安监总管三[2014]116号文的理解

1. 国家安全监管总局及各级安监局对SIS实施非常重视

（1）国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知（安监总管三〔2009〕116号）和国家安全监管总局关于公布第二批重点监管的危险化工工艺目录和调整首批重点监管的危险化工工艺中部分典型工艺的通知（安监总管三〔2013〕3号）列出了重点监管的危险化工工艺安全控制要求、重点监控参数及推荐的控制方案（含ESD设置方案）

（2）国家安全生产监督管理总局令第40号发布了《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》，自2011年12月1日起施行,其中有下列规定：第十三条 危险化学品单位应当根据构成重大危险源的危险化学品种类、数量、生产、使用工艺（方式）或者相关设备、设施等实际情况，按照下列要求建立健全安全监测监控体系，完善控制措施：

● 重大危险源配备温度、压力、液位、流量、组份等信息的不间断采集和监测系统以及可燃气体和有毒有害气体泄漏检测报警装置，并具备信息远传、连续记录、事故预警、信息存储等功能；一级或者二级重大危险源，具备紧急停车功能。记录的电子数据的保存时间不少于30天；

● 重大危险源的化工生产装置装备满足安全生产要求的自动化控制系统；一级或者二级重大危险源，装备紧急停车系统；

● 对重大危险源中的毒性气体、剧毒液体和易燃气体等重点设施，设置紧急切断装置；毒性气体的设施，设置泄漏物紧急处置装置。涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或者二级重大危险源，配备独立的安全仪表系统（SIS）

（3）国家安全监管总局关于开展提升危险化学品领域本质安全水平专项行动的通知（安监总管三〔2012〕87号），要求对当前在役SIS系统存在问题限时整改，并要求回头看

（4）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）

2. 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）

此文件发布前也提到2014年化工自控中心站技术委员会会议上征求过意见。

2015年4月17日，在中国仪器仪表学会产品信息工作委员会刘秘书长主持下，邀请到GB/T50770主编人和安监总管三[2014]116号文件主起草人及行业内各方面专家，就安监总管三[2014]116号文件实施进行讨论。

本指导意见内容共分七部分，对目前我国石油化工行业安全仪表系统状况进行了客观描述。

（1）对各化工设计单位、相关业主单位的人员培养及标准体系建设提出具体的要求。

（2）按照安全仪表系统安全生命周期的工作流程逐项提出具体要求。

（3）对相关其他仪表保护措施管理的要求（过程报警管理、BPCS管理、可燃有毒气体检测保护系统要求）

（4）对以后新上项目采用SIS的安排（三个阶段：2016年1月1日、2018年1月1日、2020年1月1日全覆盖）

（5）对在役安全仪表系统评估工作安排（2019年底前完成评估和完善工作）。

（6）工作要求（其中要求：要将安全仪表系统功能安全评估、安全仪表系统管理制度落实、人员培训开展等情况纳入安全监管检查内容）

（7）本指导意见应该说对安全仪表系统的顺利实施是一个战略部署，但时间紧任务重，实施起来较为困难。

3. 目前实施本指导意见的核心分歧点

“化工安全仪表系统（SIS）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

● 化工安全仪表系统（SIS）包括安全联锁系统、紧急停车系统，指原设计和实施的SISESD等列入现在的SIS管理范畴；已发布的有效文件、规定中提到的SIS ESD等列入将要实施的SIS管理范畴

● 化工安全仪表系统（SIS）包括……和有毒有害、可燃气体检测保护系统，在本指导意见（十一）描述很清楚，但同“石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范”GB 50493的5.3.2不一致，相矛盾，建议按照本指导意见，但采用独立的一套SIS完成有毒有害、可燃气体检测保护系统，其显示、报警信息通信到BPCS操作站。

● 化工安全仪表系统（SIS）包括……及火灾检测保护系统等。由于火灾检测保护系统由公安部门对口强制管理，同SIS不是一个系统，建议火灾检测保护系统仍然按照公安部门对口强制管理的有关规范，由电气专业设计，具体实施过程中可同安监部门协商解决。

“（一）……安全仪表系统独立……，必须有很高的可靠性（即功能安全）和……

这句话从规范角度用词不准，建议不予考虑，具体实施过程中，按照GB/T 50770执行。

编制背景

● 中石化安全仪表设计导则

● 石油化工安全仪表系统设计规范SH

● 石油化工安全仪表系统设计规范GB/T 50770-2013

注：规范共分十五章，内容非常齐全，可操作性强，从2008年立项到2013年发布，历时五年

本文转载自：必维质量技术服务中心