紧急停车系统（ESD）在气相法白炭黑装置中的应用

吴其昌

（浙江新安化工集团股份有限公司，浙江建德311600）

紧急停车系统（ESD）在气相法白炭黑装置中的应用

吴其昌

（浙江新安化工集团股份有限公司，浙江建德311600）

Trusted紧急停车系统（ESD）是一个经过TüV的安全认证，可应用于AK6和IEC61508 SIL1到3安全等级环境，高效的全面综合的安全保护系统。Trusted紧急停车系统（ESD）为要求紧急停车的过程提供最高SIL等级的安全性，高可用性使得Trusted成为确保环境、人员和安全投资的理想解决方案。通过对紧急停车系统的简单介绍，结合ESD在气相法白炭黑装置安全仪表系统中的实际应用，论述了ESD的高安全性。

紧急停车系统（ESD）；气相法白炭黑；安全仪表

气相法白炭黑制备过程中，四氯化硅（甲基三氯硅烷）、氢气参与反应。四氯化硅受热或遇水分解放热，放出有毒的腐蚀性烟气，具有腐蚀性。甲基三氯硅烷易燃，有引起燃烧爆炸的危险，受热或遇水分解放热，放出有毒的腐蚀性烟气，具有腐蚀性。氢气具有易燃易爆的危险特性。一旦发生事故，经济损失巨大。因此，在气相法白炭黑项目实施中，设置紧急停车系统（ESD）是一项重要的安全措施。主要目的是在生产过程中发生异常时，通过紧急停车系统，使工艺系统关断，以保护生产装置和人身安全，防止环境污染，将事故的损失降到最小。

1 基本概念

ESD是经专门机构认证、具有一定安全完整性水平，用于降低生产过程风险的安全保护系统。它不仅能处理生产过程因超出安全极限而带来的危险，而且能检测和处理自身故障，从而按预定的条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。

ESD由检测单元（如开关、变送器等）、控制单元和执行单元（如电磁阀、电动门等）组成，其核心部分是控制单元。

气相法白炭黑ESD能够连续监测工艺过程中的工艺参数，一旦主要工艺参数出现异常，按照系统预定设计的逻辑进行表决，则通过报警启动相应的联锁逻辑保护功能，使其进入预定的安全停车状态。

2 气相法白炭黑装置中ESD的应用

2.1 工艺简介及安全控制要求

气相法白炭黑生产工艺采用以四氯化硅或甲基三氯硅烷为原料在氢氧焰中高温水解合成，生成二氧化硅，碰撞后形成聚集体，通过气固分离工序后进行包装。尾气中的氯化氢经过吸收生成盐酸。气相法白炭黑合成工序工艺流程示意图见图1。

原料四氯化硅（甲基三氯硅烷）汽化后与空气按比例充分混合，再与氢气在燃烧器中进一步混合。混合气体经燃烧器燃烧，形成可视火焰。四氯化硅（甲基三氯硅烷）在氢氧火焰中高温水解反应，反应物二氧化硅去气固分离工序。

反应工序工艺安全控制的核心是燃烧器火焰和原料四氯化硅（甲基三氯硅烷）、反应氢气和氢气放空的紧急切断联锁控制。燃烧器反应空气一旦没有空气流量，燃烧器火焰熄灭，会发生原料四氯化硅（甲基三氯硅烷）、反应氢气继续输送，氢气过量易发生燃烧爆炸的危险。为了监视燃烧器火焰的适时情况，在燃烧器处设置了3台火焰检测器（TSA-01、TSA-02、TSA-03）。当燃烧器火焰异常熄灭时，能紧急启动联锁控制，在原料四氯化硅（甲基三氯硅烷）管线设置紧急切断阀（XV-01），工作时常开状态；反应氢气管线设置紧急切断阀（XV-02），工作时常开状态；氢气放空管线设置紧急切断阀（XV-03），工作时常闭状态。当火焰检测器（TSA-01、TSA-02、TSA-03），其中1台检测火焰异常时，报警装置警示；其中2台检测火焰异常时，关闭原料四氯化硅（甲基三氯硅烷）管线紧急切断阀（XV-01）、反应氢气管线紧急切断阀（XV-02），打开放空管线紧急切断阀（XV-03），使装置处于安全停车状态。

2.2 ESD选型及配置

项目实施前期，设计单位、项目部、生产单位组织实施工艺安全分析（PHA），经过危险和可操作性研究（HAZOP），确定最高安全回路等级为SIL2，则配置达到AK4的ESD，其响应失效率（PFD）为百分之一至千分之一之间。基于SIL2的要求，气相法白炭黑装置中由ESD逻辑单元与燃烧器火焰检测器、电磁阀组成安全联锁回路。

根据IEC61508、ANSI/ISA 584.01-1996以及德国安全系统新标准的规定，ESD系统应与过程控制系统分开，独立设置［1］。为满足系统扩展需要，ESD配置了三重化冗余容错控制器（TMR控制器），即三重化冗余，2oo3表决之后实现的容错结构为基础的故障安全型系统。控制器的三重化结构示意图见图2。

系统的处理器模块（CPU模块）、内部通讯模块（内部接口模块、内部数据总线模块）、输入输出模块（I/O模块）全部为TMR（三重化冗余）配置。系统电源N+1冗余配置，对外通讯冗余配置。不论是部件的硬件故障，还是内部或外部的瞬时故障，都能做到无差错，不会中断控制。

系统对输入/输出模块和中央处理器模块都具有内部故障的诊断功能，并能检测内部节点的通断故障，输出模块带阀门测试功能，以满足整个仪表系统的SIL3级，或TUV AK6级，自诊断电流应小于2mA，提高ESD输出回路的整体安全性。

I/O模块，包括DI/DO/AI/AO以及其它专用模块均为三重化（TMR）模块。I/O模块是隔离型的，输入、输出、通道间、电源间应相互隔离。I/O模块均有线监测功能，对现场回路的短路、断路及接地故障能进行监测并报警。I/O模块均有时间标签（Time Stamping）功能，对每个输入输出信号变化的采样周期为0.5毫秒，以保证SOE的事件分辨率为1毫秒，与系统扫描周期不相关。

执行元件配置为电磁阀，在输出模块与电磁阀之间配置安全继电器，达到正确且低误动作的完整功能，实现完善的诊断功能和通讯功能，传送输出与错误状态。在SH/T3018-2003中，ESD宜提供独立于逻辑运算器的手动设施，直接操作最终执行元件［2］，在辅助操作台中设置紧急制动按钮。

ESD使用分散设计，使所有安全联锁功能不再依赖于中心CPU的存在，每个逻辑控制连续地处理和执行本控制器的安全逻辑程序，真正地做到了分散的安全联锁控制，排除了传统安全系统中因控制器故障引起整个ESD系统停车的可能性，同时使在线增加逻辑控制器不会影响到其他逻辑执行。每个逻辑控制器都经过TüV认证，具有SIL3安全等级。

检测元件、执行元件的配置，在SH/T3018-2003中，描述了检测元件、执行元件的独立及冗余原则［2］，SIL2以上等级的ESD宜采用独立或冗余配置的检测元件、执行元件。为了使安全联锁回路安全度等级满足SIL2要求，检测元件（火焰检测器）独立配置，因不具有SIL2等级，火焰检测器在火焰处不同方向同时安装3台火焰检测器，在火焰异常熄灭时，执行2oo3表决，实现容错结构。执行元件选择电磁阀，配置2台电磁阀，电磁阀采用长期带电型，原料四氯化硅（甲基三氯硅烷）管线紧急切断阀（XV－01）选常闭型，反应氢气管线紧急切断阀（XV－02）选常闭型，氢气放空管线紧急切断阀（XV－03）选常开型，电磁阀电源由ESD提供，ESD均达到了SIL2等级并获得TüV认证。

3 ESD特点

3.1 系统安全

ESD系统为容错控制器、通讯和I/O系统，具有高可用性拓扑结构，完备的I/O在线监测功能。I/O模块具有在线监测功能，全面监测现场信号状态，对现场回路的短路、断路及接地故障能进行监测并报警。模块能够对运行环境进行温度和湿度的实时实际值的监测，并提供显示模块供电电压、每通道电流/电压等参数。模拟量模块的各通道（每点有三个通道）具有独立的A/D转换器，提高系统的安全性和可用性。

ESD系统失效－安全型降级模式为3－2－0模式［3］，即模块的三个通道有一个通道出现故障时，剩余两个冗余通道进行2选1的表决方式实现容错，系统相当于双重化结构持续运行；如果再有一个通道出现故障，系统必须停车或保持输出（可组态）。系统不在单通道－＞无冗余－＞无表决－＞无容错的状态运行，消除安全系统故障引起的假故障。

3.2 开放性与安全

ESD可通过以太网与其它工艺管理产品加以集成。OPC可以实现与主机系统的无缝集成，包括实现数据采集，以及报警和事件功能，可确保所有带当地时间标记的数据传输到主机系统，保持有1ms SOE的分辨率，以便对系统本身和过程发生的每一个故障，或导致过程停车的因素都能及时地和按实际发生的时间记录下来，并剔出第一事件。当操作站失效时，逻辑控制功能不受影响，保证安全仪表系统稳定。

为了保证通过DCS与ESD历史记录查询的时间真实性，DCS与ESD实现时间同步功能。

3.3 执行元件的测试判断

ESD具有阀门测试模块，可以精确地测量脉冲时间与阀位反馈信息，测试数据收集完毕后，将信息传送。测试功能嵌入TüV认可的系统中。对阀门定期测试改善其可靠性，可使用冗余电磁阀改善误关断率，同时保持安全性能。由于阀门管理提供测试结果的证据记录，依据IEC61511保存维护记录。对阀门工作情况做长时监控就可以在真正需要维护时，及时作出决策。

3.4 组态高效

ESD具有DCS方便易用的特点，如即插即用、拖放的组态方式、树状结构浏览等，都充分应用到ESD软件中去。工具包具有5种规定语言（LD、FBD、ST、SFC和IL）中任何一种在每个项目中定义最多250个单向程序。离线模拟、在线调试和图形化界面为应用逻辑的组态、调试和维护提供了简单适宜的工具。

气相法白炭黑装置中最主要的联锁控制回路通过ESD简单实用的功能组态，轻松实现了相对复杂的联锁控制要求。

4 结束语

ESD具有的过程安全、可用性、全新的概念和设计、执行元件测试、简易的组态、故障安全等特点，在气相法白炭黑装置中应用是成功的，在装置运行过程中安全控制、设备保护和防止环境污染等多方位体现了它的经济价值和社会价值，在浙江新安化工集团股份有限公司的过程安全控制系统中得到了广泛的应用。

［1］陆德民，张振基，黄余步.石油化工自动控制设计手册［M］.第三版，北京：化学工业出版社，2009.

［2］SH/T 3018－2003，石油化工安全仪表系统设计规范［S］.

［3］罗克韦尔自动化过程安全控制解决方案Publication CRICON－BR001A－ZH－P December 2009

10.3969/j.issn.1007-2217.2012.02.012

2012－05-07