摘要：LNG罐区作为存储原料和成品的重要区域，其安全运行对于整个生产过程具有至关重要的意义。通过对LNG罐区潜在风险的分析，结合安全联锁系统的原理和功能。文章基于国产安全联锁控制器，提出了一套完整的安全联锁应用设计方案，包括系统原理、系统结构、仪表和执行机构选型、软件设计，同时从冗余、预防、监测3个方面提出了安全策略，旨在提高LNG罐区的安全性和可靠性。
关键词：SIS系统,LNG罐区,安全策略
0引言
在追求“碳达峰、碳中和”的宏伟目标征途中，液化天然气(liquefied natural gas，LNG)正日益成为推动可持续能源转型的重要力量，在工业生产和日常生活中扮演着愈发关键的角色，LNG的罐区管理愈发受到重视。天然气是一种无色无味的自然气体，在特定条件下能够发生显著的物理状态变化。具体而言，当其在标准大气压下被冷却接近至-162℃时，会由气态转变为液态，这一液态形态通常称之为液化天然气。值得注意的是，液化后的天然气体积相比其气态时显著缩小，大约仅为同量气态体积的1/600[1]。这一特性极大地提升了天然气在运输和储存过程中的便捷性，为能源的有效利用和分配创造了有利条件。LNG罐区作为存储原料和成品的重要区域，其安全运行对于整个生产过程具有至关重要的意义。由于LNG燃料具有易燃易爆特性，一旦发生事故，可能会造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，为了确保LNG罐区的安全，设计并应用有效的安全联锁控制系统是必不可少的。
1罐区潜在风险分析
(1)物料泄漏风险。罐区的储罐、管道、阀门等设备可能由于腐蚀、老化、机械损伤等原因发生泄漏，导致物料逸出，引发火灾、爆炸等事故。
(2)操作失误风险。操作人员在进行装卸料、倒罐、计量等操作时，可能由于误操作或违规操作，导致物料失控，引发事故。
(3)外部因素风险。罐区可能受到自然灾害、人为破坏等外部因素的影响，导致设备损坏、物料泄漏等事故。
2系统设计
安全联锁系统(safety interlock system,SIS)作为一种有效的安全保障手段，能够预防事故的发生，保障生产的顺利进行。SIS系统是由传感器、逻辑控制器及执行机构组成的，能够行使一项或多项安全功能(safety instrumented function,SIF)的仪表系统[2]。根据GB/T 21109.2—2007/IEC 61511—2:2003《过程工业领域安全仪表系统的功能安全第2部分：GB/T21109.1的应用指南》[3]标准要求，SIS系统通过检测罐区的工艺参数(如液位、压力、温度、流量等)、设备状态(如阀门开关状态、泵运行状态等)以及环境参数(如可燃气体浓度、有毒气体浓度等)，一旦检测到异常或危险状态，系统能够自动触发相应的联锁动作，如关闭阀门、停止泵运行、启动消防设备等，以防止事故的发生或扩大。
2.1系统原理
SIS系统的工作原理主要基于故障安全原则，即当系统检测到任何可能导致危险的故障时，将自动采取安全保护措施。具体而言，SIS系统通过传感器采集罐区内的关键参数(如温度、压力、液位等)，将采集到的信号传输至逻辑控制器进行处理和判断。当逻辑控制器判断当前状态达到预设的安全阈值时，将触发执行机构(如紧急切断阀、放空阀等)执行相应的安全操作。
安全联锁控制器采用完全的三重化表决式冗余带诊断(2oo3D)架构。将来自现场传感器/变送器的输入信号通过输入端子模块送入输入模块，输入模块将输入信号分配到三重化的输入通道(三系)，每系分别将输入信号转换为输入数据，通过IP_BUS协议发送给本系主处理器，三套核心处理单元遵循PM_BUS协议标准，实现输入数据的高效交互。每一核心处理单元均能接收到三份独立的输入数据，随后每套处理单元独立地对这些输入数据进行全面校验与比较(即表决机制)，以确保数据的准确性和可靠性。表决结果作为用户程序运算的基石，驱动每套处理单元生成对应的输出数据。最终，这些输出信号通过专门的输出端子模块(ETP)精准传递至现场的执行单元，实现数据的闭环处理和现场控制。SIS系统原理如图1所示。
2.2系统结构
2.2.1硬件结构
系统选用超御系列安全联锁控制器，架构由多个关键组件构成，包括供电单元、通信模块、核心处理模块、总线接口模块，以及多样化的输入输出模块(涵盖数字量、模拟量，均配备端子板以适配现场连接)。此外，系统还配备了丰富的辅助设备，如光纤模块(单模与多模)、定制电缆、安全钥匙开关及备用电池等，以确保系统的全面性和可靠性。
在系统扩展性方面，超御SIS采用了模块化设计，其机架体系分为核心机架与可扩展机架2部分。两者间通过高效的总线接口模块与光纤链路实现无缝连接，最大支持扩展距离可达20 km，充分满足远距离监控与管理的需求。
对于现场信号的接入，系统特别设计了兼容的I/O端子板，使得现场设备信号能够便捷地接入系统。随后，这些信号通过精心设计的预制电缆，被分配至I/O模块的3个独立通道中，确保了数据传输的准确性与稳定性。
2.2.2软件结构
超御SIS系统配套的软件包括组态编程软件SC-ProSafe、事件管理软件SC-ProSoe和诊断管理软件SC-ProDoctor。
组态编程平台SC-ProSafe运行于Windows10及以上Windows操作系统，旨在满足SIL 3安全完整性等级下对编程与编译工具的严苛要求。全面支持GB/T 15969.3—2017/IEC 61131—3:2013《可编程序控制器第3部分：编程语言》[4]，为用户提供了多样化的控制逻辑编程选项，包括但不限于结构化的文本编程语言(structured text,ST)、直观的功能块图编程语言(function block diagram,FBD)以及经典的梯形图逻辑编程语言(ladder diagram,LD)，确保用户能根据项目需求灵活选择最适合的编程方式。
事件管理软件SC-ProSoe与控制站按照私有通信协议进行连接并实时交换数据，可对获取事件进行查找、排序、筛选等离线操作，并具有操作日志记录、操作权限配置和用户权限管理等功能。
诊断管理软件SC-ProDoctor使用以太网或串口与控制站CPU或通信模块进行通信，读取诊断信息、硬件版本、内存占用等，记录操作日志和通讯日志，支持一键导出全部诊断信息。
2.2.3网络结构
超御SIS系统的监控中心和控制中心之间通过网络通信模块和以太网连接，系统CPU模块、总线接口模块、通讯模块以及I/O模块都安装在机架中，主机架和扩展机架之间通过总线接口模块和光纤连接，最大扩展距离不超过20 km。超御SIS系统网络结构，如图2所示。
3仪表和执行机构选型
超御SIS系统的有效性依赖于精确可靠的仪表，因此仪表的选型至关重要[5]。根据LNG罐区的特性和工艺要求，在仪表选择时需考虑危险区域等级、防爆类别、温度等级等因素[6]，现场电子式仪表均选用本安型或隔爆型仪表，并符合GB/T 3836.1—2017《爆炸性环境第15部分：电气装置的设计、选型和安装》相关标准要求[7]。
LNG罐区关键部位的仪表包括伺服液位计、雷达液位计、压力变送器、温度传感器、质量流量计等。执行机构是SIS系统实现安全功能的关键部件，在LNG罐区SIS系统中，应选用具有快速响应、高可靠性、耐低温等性能的执行机构，以确保在紧急情况下能够迅速切断物料供应，防止事故的扩大。LNG罐区关键部位仪表和执行机构选型，如表1所示。
伺服液位计是接触式测量，不受挥发性介质气相部分的影响，有极高的测量精度，机械稳定性好。雷达液位计是非接触式测量，避免了因介质特性导致的测量误差和仪器损坏。罐区设置2个伺服液位计和1个雷达液位计进行“2oo3”表决，能够准确反映LNG的真实液位情况，确保LNG储罐液位数据的准确性和安全可靠性。
LNG罐区对压力测量的精度要求较高，任何微小的压力变化都可能对生产过程产生影响。选用高精度的压力传感器，实时监测储罐内的压力变化，确保压力在安全范围内波动，预防因压力异常而引发的安全事故。
LNG在储存过程中可能因温度差异而形成分层现象，即较冷层和较热层，这种分层可能导致热层突然转移到液体表面，产生大量LNG蒸气。温度是影响LNG罐区稳定性和安全性的关键因素，选用高精度、高可靠性的温度传感器实时监测罐内温度，预防因温度异常(如过高或过低)而引发的安全事故，如液泛、过压等。
质量流量计能够直接测量LNG的质量流量，相较于传统的体积流量计，它不受温度、压力等因素变化的影响，特别是低温型质量流量计，采用先进的科里奥利原理，能够在低温环境下稳定运行，并保持高精度的测量性能，从而确保了计量的精确性。
紧急切断阀正常情况下是常开的，不影响介质流通，在危险情况下，能够迅速响应SIS系统发出的关阀指令，切断LNG的流动，从而防止事态的进一步恶化，保障储罐系统的安全稳定运行。
4软件设计
4.1压力控制联锁
LNG储罐上安装有智能压力变送器监测储罐压力值，当储罐内部压力攀升至预设的高阈值之上时，系统将即时触发超压警报。若压力继续不受控地上升，直至达到极高安全界限，超御SIS系统将迅速采取行动，紧急关闭增压管路上的紧急切断阀，有效阻断外部压力源进入储罐，确保系统安全。同时，系统将自动启动罐顶泄压流程，将累积的蒸发气(BOG)导向火炬系统进行处理。若此措施仍不足以遏制压力上升，储罐内置的安全阀将作为最后一道防线自动开启，直接将BOG排放至大气中，以防止储罐因超压而引发严重事故，保障设备及人员安全。当系统内压力滑落至预设的低阈值之下时，会自动激活储罐的低压力警报机制，并联动开启BOG压缩机出口处的回流控制阀，预防LNG储罐内压骤降至负压状态，确保储罐安全。若储罐压力持续走低，触及更低的安全界限，则超御SIS系统将紧急介入，指令BOG压缩机停机，同时启动LNG气化程序以增加内罐压力。此外，为维持储罐内部压力稳定，防止因压力过低造成的潜在损害，系统将自动开启真空阀，引入外界空气作为补充，确保储罐的安全运行。压力控制联锁过程，如图3所示。
4.2液位控制联锁
储罐上设置有雷达液位计、伺服液位计和压差液位计，超御SIS系统同时读取3个液位计的数据进行“2oo3”表决后进行控制联锁。随着储罐内液体量的累积，当其液位触及满容积的90%阈值时，系统将自动激活高液位警报，并立即关闭进液管道上的气动阀门，切断液体输入源，以防过满。若液位继续攀升至满容积的95%警戒线，则进一步触发高高液位警报，同时超御SIS系统迅速响应，紧急关闭进液管道上的气动紧急切断阀，确保储罐安全，防止冒罐事故发生。
反之，当储罐内液体减少至满容积的10%低位时，系统将启动低液位警报，并关闭出液管道上的气动阀门，阻止液体继续输出。若液位持续下降至罐容的5%极低水平，则触发低低液位警报，此时超御SIS系统会立即采取行动，紧急关闭出液管道上的气动紧急切断阀，以防罐内因液体耗尽而导致温度异常上升，保障储罐及附属设备的安全运行。液位控制联锁过程，如图4所示。
5安全策略
5.1冗余策略
超御SIS系统采用完全的三重化表决式冗余带诊断(2oo3D)架构，I/O模块、通信网络模块冗余配置，使系统不会因局部、单个部件或者单个线路的损坏，而影响到整个设备或者系统的正常运行。当输入模块主、备冗余配置时，互为冗余的两个输入模块均向主处理器发送输入数据，但主处理器仅使用主用输入模块的输入数据参与表决和用户程序运算，系统监测到主用输入模块发生故障时，自动切换备用输入模块的数据参与表决和用户程序运算。当输出模块主、备冗余配置时，互为冗余的两个输出模块均接收主处理器的输出数据，但仅主用输出模块将表决后的输出信号送往输出端子模块，备用输出模块不送出输出信号。系统监测到主用输出模块发生故障时，自动切换备用输出模块，将表决后的输出信号送往输出端子模块。在通信网络上，采用双以太网加交换机构成环网，保证了单个链路损坏时，整个通信网络还是连通的。系统冗余设计可有效防止单点故障引起的系统失能，提高系统的可靠性。
5.2预防策略
超御SIS系统的设计与选型必须严格按照GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》[8]等相关标准和规范进行，确保系统具备高可靠性和高可用性。通过危险与可操作性分析(hazard and operability analysis，HAZOP)确定SIS各回路的SIL等级，并根据SIL等级进行系统的配置和验证，确保系统满足安全要求。
5.3监测策略
超御SIS系统通过传感器实时监测LNG罐区的各项关键参数，如液位、温度、压力等，确保及时发现异常情况。设置高、低液位和压力报警及联锁功能，当液位或压力超过设定值时，自动联锁关闭进口管道控制阀或停泵，防止溢罐或干罐等事故的发生。在关键位置设置紧急切断阀，以便在紧急情况下迅速切断物料供应，防止事故扩大。
6结语
安全联锁系统在LNG罐区的应用设计是保障LNG罐区安全运行的重要手段。通过合理的系统结构设计、安全可靠的仪表选型、软件设计以及安全策略的实施，能够有效地预防和控制LNG罐区事故的发生，提高LNG罐区的安全性和可靠性。在实际应用中，应根据LNG罐区的具体情况和需求，不断优化和完善安全联锁系统，以适应化工行业不断发展的安全要求。
参考文献：
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[3]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.过程工业领域安全仪表系统的功能安全第2部分：GB/T 21109.1的应用指南：GB/T 21109.2—2007/IEC 61511—2:2003[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会，2007.
[4]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.可编程序控制器第3部分：编程语言：GB/T 15969.3—2017/IEC 61131—3:2013[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会，2017.
[5]郗存根，陈太光，雨辰，等.煤矿主斜井输送机控制系统冗余设计及应用[J].机电工程技术，2024，53(5)：278-281.
[6]张梦颖，马文斌，朱子健.加热炉控制系统中安全联锁系统的应用研究[J].设备管理与维修，2024(9)：139-141.
[7]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.爆炸性环境第15部分：电气装置的设计、选型和安装：GB/T 3836.1—2017[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会，2017.
[8]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.石油化工安全仪表系统设计规范：GB/T 50770—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.
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