安全仪表系统

输油管道安全仪表系统

雍永鹏华东管道设计研究院2015.05.261一、输油管道安全仪表系统提出的背景二、安全仪表系统基本概念介绍三、输油管道安全仪表系统设计方案四、主流安全仪表系统介绍目录输油管道安全仪表系统提出的背景2一、标准规范及法律法规1、国际标准◆IEC61508《电气、电子、可编程电子安全相关系统的功能安全》◆IEC61511《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》

在安全仪表领域，IEC61508，IEC61511提供了很好的国际通用技术规范和参考。IEC于2000年5月发布了IEC61508标准，2003年1月颁布IEC61511标准。这两个标准有很密切的关系，IEC61508标准是综合性基础标准，主要为装置的制造商和使用，IEC61511可以说是IEC61508的延续，主要针对具体的仪器仪表设计者和使用者。一、标准规范及法律法规2、国标及行标◆GB/T20438《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》(等同采用IEC61508)◆

GB/T21109《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》（等同采用IEC61511）◆GB/T50770-2013石油化工安全仪表系统设计规范（针对石油化工厂或装置）◆SY/T6966-2013《输油气管道工程安全仪表系统设计规范》（2014年4月1日实施，适用于陆上原油、成品油和天然气管道）

一、标准规范及法律法规3、法律法规一、标准规范及法律法规3、法律法规◆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）“从2016年1月1日起，大型和外商独资合资等具备条件的化工企业新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施，要按照本指导意见的要求设计符合相关标准规定的安全仪表系统。”“从2018年1月1日起，所有新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施要设计符合要求的安全仪表系统。其他新建化工装置、危险化学品储存设施安全仪表系统，从2020年1月1日起，应执行功能安全相关标准要求，设计符合要求的安全仪表系统。

”

二、行业现状及发展趋势1、行业现状中石油西气东输、西部原油成品油管道、兰郑长成品油管道、中缅油气管道等国内重点长输管道工程已设置独立的安全仪表系统。

中石化川气东送管道、涪陵-王场页岩气管道等输气管道已设置独立的安全仪表系统；仪长复线仪征至九江段是管道公司第一条独立设置安全仪表系统的管道，目前正在建设中。二、行业现状及发展趋势2、发展趋势

◆输油管道安全仪表系统独立于过程控制系统，单独设置；

◆输油管道安全仪表系统与过程控制系统合并设计，提高过程控制系统PLC安全完整性等级，满足安全仪表系统的安全完整性等级要求。安全仪表系统基本概念介绍一、系统的定义1、基本过程控制系统（BPCS，basicprocesscontrolsystem）

不执行任何SIL≥1以上的安全仪表功能，响应过程测量以及其它相关设备、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。2、安全仪表系统（SIS，safetyinstrumentedsystem）

用来实现一个或多个安全仪表功能的仪表系统。3、紧急停车系统（ESD，emergencyshutdownsystem）

当生产过程出现紧急情况时，应在允许的时间内做出响应，及时地发出保护信号，对管道或现场设备进行安全保护的系统。一、系统的定义3、火灾及可燃气体报警系统（FGS，fire&gasalarmSystem）

能够检测到工艺装置区火灾及可燃气体泄漏并发出报警的系统。4、消防控制系统

接收火灾信号，并按预设逻辑完成各项消防功能的控制系统。二、系统间相互关系

站控制系统宜由基本过程控制系统、安全仪表系统和消防控制系统组成。1、未设置消防控制系统的站场，火灾和可燃气体报警系统报警信号应引入安全仪表系统。2、

设置消防控制系统的站场，火灾和可燃气体报警系统应纳入消防控制系统。消防控制系统启动信号、报警信号引入安全仪表系统，由安全仪表系统完成相关的联锁保护。二、系统间相互关系二、系统间相互关系三、术语及定义1、安全完整性等级（SIL，safetyintegritylevel）

用来规定分配给安全仪表系统的仪表安全功能的安全完整性要求的离散等级（4个等级中的一个）。SIL4是安全完整性的最高等级，SIL1为最低等级。2、安全仪表功能（SIF,safetyinstrumentedfunction）

具有某个特定SIL等级，用以达到功能安全的安全功能。它既可以是一个仪表安全保护功能，也可以是仪表安全控制功能。三、术语及定义IEC61508中对安全完整性等级SIL的定义为：在一定时间，一定条件下，安全相关系统执行其所规定的安全功能的可能性。选择安全完整性等级的目的是通过降低风险发生的概率把系统的风险降低到一个可以接受的等级。安全仪表功能就是当潜在危险发生时安全仪表系统为了整个过程的安全所采取的动作。安全仪表功能要做的第一件事判别危险的出现。接下来考虑安全仪表功能动作后要将过程带入什么样的安全状态。最后安全仪表功能具体应该做什么才能使过程进入安全状态三、术语及定义3、危险与可操作性分析（HAZOP,hazardandoperabilitystudy）

由有经验的多专业的专家小组对工艺装置的设计和操作提出有关安全上的问题，共同讨论解决问题的方法。4、故障安全failsafe

安全仪表系统发生故障时，被控制过程将转入预定安全状态。四、安全仪表系统基本原则1、独立设置原则

当安全完整性等级为SIL2及以上时，安全仪表系统与基本过程控制系统应分开设置；安全仪表系统与基本过程控制系统合用时，共用部分应与安全完整性等级相适应。独立设置包括三个方面：检测元件、执行元件、逻辑控制器等。2、故障安全原则执行元件电磁阀应为励磁回路；开关量检测元件应为常闭或带诊断功能的接点。四、安全仪表系统基本原则3、优先原则安全仪表系统的动作应优先于基本过程控制系统；执行元件应无条件的接受和执行安全仪表系统的逻辑控制单元的命令。4、最简原则应减少安全仪表系统的中间环节；逻辑控制单元与检测元件、执行元件间均应采用硬线方式直接连接。输油管道安全仪表系统设计方案下面简要介绍仪长复线仪征至九江段（下面简称仪九线）安全仪表系统的设计方案。一、仪九线安全仪表系统提出的背景2014年年初，国家安监总局先后组织西气东输三线和仪九线的安全评价报告的验收会，这是在中石化青岛11.22事故后国家安监局组织的首批油气管道的安全评价报告的验收。在此背景下，与会专家提出明确仪九线安全仪表系统的设计原则和主要回路的安全完整性等级。

为提高仪九线运行的安全性，在经过广泛调研和深入讨论后，仪九线独立设置安全仪表系统，主要回路SIL等级定为2级，设置独立的安全仪表PLC，进出站ESD阀门执行机构由电动改为电液联动。二、安全仪表系统的设计原则

安全完整性原则：对每项安全仪表回路确定适当的安全完整性等级；

独立设置原则：当安全完整性等级为SIL2及以上时，SIS与过程控制系统从功能和结构上分离设置；当安全完整性等级为SIL1时，SIS与过程控制系统合用，共用设备有SIL认证并应满足SIL1要求。

主要回路的SIL等级：

给油泵入口管线压力超低、输油泵入口汇管压力超低、输油泵出口汇管压力超高、出站压力超高等安全仪表回路为SIL2。

泵机组停车、液位超限联锁等安全仪表回路的安全完整性等级为SIL1，安全仪表系统与过程控制系统合用,共用设备满足SIL1要求。三、检测仪表1、检测仪表主要包括：◆压力检测仪表：给油泵入口管线、输油泵入口汇管、输油泵出口汇管、出站压力设置压力变送器。◆可燃气体探测器及火焰探测器：在阀组区、泵区、计量区、罐区等应设置可燃气体探测器；在泵区、储罐区宜设置火焰探测器。◆ESD按钮：站控制室操作台应设置ESD按钮；站场的工艺设备区通道旁应设置ESD按钮。三、检测仪表2、检测仪表设置原则：◆独立设置原则：对于SIL1安全仪表功能回路，其检测元件可与基本过程控制回路共用；对于SIL2以上安全仪表功能回路，其检测元件应独立设置。◆冗余设置原则：对于SIL1安全仪表功能回路，可采用单一的检测元件。对于SIL2安全仪表功能回路，宜采用冗余的检测元件。对于SIL3安全仪表功能回路，应采用冗余的检测元件。三、检测仪表检测仪表的冗余设置方式有以下三种：当系统要求高安全性时，应采用1oo2；当系统要求高可用性时，应采用2oo2；当系统的安全性和可用性均需保障时，宜采用2oo3。三、检测仪表四、执行元件1、执行元件主要包括：

◆输油管道进、出站管线应设置紧急关断阀（ESDV）；

◆输油管道储油罐区的进、出汇管宜设置紧急关断阀（ESDV）；◆输油管道燃料油（气）的入口管线应设置紧急关断阀（ESDV）；

◆输油泵；

◆加热炉

。

对于仪九线来说，安全仪表系统的执行元件主要为进、出站紧急关断阀（ESD阀）。四、执行元件2、执行元件的设置原则：◆SIL1安全仪表功能回路，阀门可与基本过程控制系统共用。◆SIL2安全仪表功能回路，阀门宜与基本过程控制系统分开。当阀门与基本过程控制系统共用时，配套的电磁阀应分别设置。◆SIL3安全仪表功能回路，阀门应与基本过程控制系统分开。四、执行元件3、执行机构的冗余设置原则：SIL2安全仪表回路，宜采用冗余控制阀。如采用单一的控制阀，其配套的电磁阀应冗余设置。采用冗余控制阀或电磁阀时，冗余方式宜采用1oo2逻辑结构。但在实际工程中为了节省建设和维护成本，大多不会采用执行机构串、并联的方式，那么在这种情况下，如何满足功能回路的SIL等级要求呢？解决方案：在执行机构回路中串、并联电磁阀。四、执行元件4、仪九线ESD阀介绍：

仪九线干线进出站采用34”CL600开维喜球阀，配套德国法奥克电液联动执行机构SEHAZ-E-1-125-KSP

四、执行元件

四、执行元件技术特点：FAHLKE电液联动执行机构为一体化（电动液压与手动液压独立配置）、模块化、高集成化装置。其中包括集成型电液动力装置、活塞式蓄能器、联轴器、独立的手动泵、电磁阀、集成安全阀和单向阀、按钮、接线盒、电控箱以及其它附属设备。ESD通道的电磁阀采用长期励磁型，断电时关阀，ESD电磁阀供电由安全仪表系统单独提供。

带储能器，在阀门掉电情况下，可满足三个行程的动作。

五、安全仪表PLC1、安全仪表PLC应与SIL等级相适应；2、安全仪表PLC冗余设置原则：◆对于SIL2安全仪表功能回路，宜采用冗余的逻辑控制单元。其中央处理单元、电源模块、通讯网络与接口等应冗余配置，输入、输出模块宜冗余配置。◆对于SIL3安全仪表功能回路，应采用冗余的逻辑控制单元。其中央处理单元、电源模块、输入、输出模块及通讯网络与接口等均应冗余配置。五、安全仪表PLC3、安全仪表PLC的冗余结构在构建一个安全系统时，可以有很多方式来安排安全系统部件，主要考虑系统的可用性和安全性，侧重点不同则冗余结构的选择不同。◆1oo2两个控制器并行处理和连线可以降低单个PLC危险失效的影响，两个输出电路采用串行连接，以防止任何一个控制器在危险的方式下失效。1oo2结构具有高安全性，但降低了可靠性。

五、安全仪表PLC◆1oo2D

使用两重1oo1D（一个带有诊断功能的控制器通道，一个诊断通道利用串行连接构成输出回路）结构，并有额外的控制线路。既有较高的可用性，又有较高的安全性。五、安全仪表PLC◆2oo3

带有三个控制器单元，每个控制器单元带有两个输出点，把三个控制器的各自两个输出点连接成表决电路，用表决的结果来决定真正的输出信号。2oo3结构即具有安全性又具有高可用性。

六、安全仪表系统功能1、ESD：在事故状态下能使本站停运并与管道线路迅速隔离，紧急停车动作包括：打开全越站旁通阀、关闭进出站阀门、停主输油泵、停给油泵、关闭油罐的进出口阀等。紧急停车动作的启动命令来自于现场或站控紧急停车按钮的直接触发。2、超压保护功能：给油泵入口压力超低、输油泵入口汇管压力超低、输油泵出口汇管压力超高、出站压力超高联锁本站停运，并与管道隔离，3、火灾及可燃气体报警系统联锁保护功能。

六、安全仪表系统功能功能ESD分级触发源联锁动作ESD站场ESD同一区域2个及以上火气系统报警信号1、停所有的运行泵，关闭进出站ESD阀

2、切断分输支路

3、切断电源（消防系统电源除外）

4、开启站控室报警灯及喇叭

5、向全线水击保护程序发出本站ESD启动信号ESD手动按钮动作调控中心ESD命令区域ESD无无单体设备ESD输油主泵轴承温度高高报警1、执行单台泵机组紧急停车输油主泵振动高高报警泵壳温度高高报警输油主泵机械密封泄漏检测高高报警电机轴承温度高高报警电机轴承振动高高报警电机定子温度高高报警加热炉出口油温高高报警1、由加热炉系统的ESD逻辑控制单元完成逻辑控制，实现加热炉单机紧急停车热媒流量低低报警加热炉排烟温度高高报警加热炉进风温度高高报警本地紧急停机信号冷却风机故障

六、安全仪表系统功能功能ESD分级触发源联锁动作超压保护

给油泵入口设置压力变送器低低报警1、自动触发顺序停泵程序输油泵机组入口汇管设置压力变送器低低报警输油泵机组出口汇管设置压力变送器高高报警在出站设置压力变送器高高报警减压站出口管线上设置压力变送器高高报警1、自动关闭减压站入口阀水击超前保护

首站故障停泵1、以全线安全仪表系统作为主控，各站控制系统的安全仪表系统作为从控，组成站间联动的超前保护系统。超前完成某些特定的水击保护动作，如改变控制阀开度或逻辑顺序停运泵机组。站场停电中间站外输泵突然停车线路远控截断阀事故关闭不可越站的工艺站场ESD全线ESD

调度控制中心发出ESD命令1、触发某个站的ESD2、从而连锁触发水击保护程序。经确认危及管道安全运行造成环境破坏、人员伤亡的情况发生，如管线较大的泄漏、发生火灾等

七、供电与接地1、供电：安全仪表系统为SIL2时，电源宜由UPS电源双回路供电；安全仪表系统为SIL3时，电源应由UPS电源双回路供电。

下图为仪九线控制系统供电系统图：

七、仪表安装及配线1、安全仪表功能回路为SIL2及以上时，现场仪表的取源口应独立设置。2、安全仪表系统与基本过程控制系统的电缆宜分开设置。3、所有信号电缆应采用阻燃型屏蔽电缆。4、安全仪表系统的接线端子排应独立设置。5、安全仪表功能回路不应共用同一公共线。6、不同电压等级的电缆应分开敷设。7、电缆应连续敷设，中间不应有接头，直埋敷设的电缆应采用铠装铜芯电缆。

八、HMI及报警安全仪表系统HMI应显示以下内容：1过程执行顺序；2保护动作命令指示；3旁路状态；4检测元件和执行元件的状态；5诊断结果；6电源状态。主流安全仪表系统介绍

一、德国HIMA发展历史：

1908由Johannes

Hildebrandt先生创建于曼海姆,HIMA的名字源于

Hildebrandt和Mannheim；

1970

世界上第一套获TÜV认证的安全系统:Planar；1986

世界上第一套获TÜV认证的PES系统:H50；1991

世界上第一个获TÜV认证的

软件-反向编译功能；

1994

通过DINISO9001、DQS

认证；1997

世界上第一家获TÜV认证的

安全以太网通讯技术；199