火電廠汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的安全評估

1、火電廠汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的安全評估摘 要：為了使我國傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)過程符合國家及國際標(biāo)準(zhǔn) 需要對火力發(fā)電廠中的安全相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行安全評估。針對火電廠典型的安全儀表系統(tǒng)SIS鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的安全評估，從而確保了其安全功能的有效執(zhí)行，并對未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的SIS結(jié)構(gòu)及其運行方式進(jìn)行了相應(yīng)的修改。確認(rèn)系統(tǒng)的安全儀表功能(SIF), 利用風(fēng)險矩陣法選擇SIF的目標(biāo)安全完整性等級(SIL); 分析并確認(rèn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其操作模式,通過搜集系統(tǒng)設(shè)備的失效率數(shù)據(jù), 利用故障樹分析計算系統(tǒng)定量的安全性指標(biāo)-要求時失效概率(PFD);通過對計算結(jié)果的分析給出了系統(tǒng)的改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；鍋爐汽包水位保

2、護(hù)系統(tǒng)；安全完整性等級；要求時失效概率0、引言 安全儀表系（Safety Instrumented System，SIS）是由國際電工委員會（IEC） 標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508 及IEC61511定義的獨立于DCS/PLC的專門用于工業(yè)過程的安全系統(tǒng)，它對裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)及時地進(jìn)行響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置按照規(guī)定的條件或程序退出運行，從而使危險降低到最低程度，以保證人員、設(shè)備的安全和避免工廠周邊環(huán)境污染。 在石油、化工、核電等高危險性流程工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 石油、化工、核電等高危險性流程工業(yè)都已制定了與本行業(yè)相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此其SIS設(shè)計相對于火電廠來

3、說更加規(guī)范，更能滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，安全功能的執(zhí)行情況也更能得到保障。然而，在傳統(tǒng)的發(fā)電行業(yè)中由于之前機組較小系統(tǒng)自動化程度不高并且為了提高經(jīng)濟(jì)效益過程的安全問題沒有得到重視 一些必要的保護(hù)措施沒有得到合理有效的利用隨著機組容量的不斷加大各設(shè)備都工作在機械極限狀態(tài) 電廠中各種大小事故的不斷出使人們開始逐漸重視電廠的安全生產(chǎn) 所以對火電廠現(xiàn)有的安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行評估以確保其安全儀表功能的執(zhí)行 對不符合標(biāo)準(zhǔn)的SIS結(jié)構(gòu)及其運行方式進(jìn)行相應(yīng)的修改勢在必行。 火電廠典型的安全儀表系統(tǒng)主要由檢測部分（傳感器、變送器）、 邏輯運算部分、執(zhí)行動作部分（閥門、泵、電機）3部分組成。 火電廠典型的SIS有鍋爐汽壓

4、保護(hù)系統(tǒng)、鍋爐水位保護(hù)系統(tǒng)、直流鍋爐斷水保護(hù)系統(tǒng)、再熱器保護(hù)系統(tǒng)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、燃燒器管理系統(tǒng)、汽輪機緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)等?，F(xiàn)以鍋爐水位保護(hù)系統(tǒng)為例，介紹SIS的安全評估過程。1、安全儀表系統(tǒng)的評估過程 IEC 61508 針對由電氣/電子/可編程電子部件構(gòu)成的、起安全作用的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)（E/E/PE）的整體安全生命周期，建立了一個基礎(chǔ)的評價方法。首次提出的安全完整性等級（SIL） 成為安全評估領(lǐng)域中重要的定量評估指標(biāo)， 確定SIS的目標(biāo)SIL和計算SIS的要求時失效概率PFD 成為評估過程的主要工作。 確定SIS的目標(biāo)SIL涉及的工作包括過程危險分析PHA 和風(fēng)險分析。 計算

5、SIS的PFD需要：（1） 確定SIS的結(jié)構(gòu)及操作模式 ；(2) 搜集SIS的可靠性數(shù)據(jù) ；(3) 建立SIS的可靠性模型故障樹或馬爾可夫模型 ；(4) 結(jié)合模型和可靠性數(shù)據(jù)計算SIS的安全性指標(biāo)PFD。 若有需要還可計算SIS的可用性指標(biāo)PFS。 最后， 將計算得到的SIS的SIL與目標(biāo)SIL比較得出系統(tǒng)的安全性是否滿足要求。 整個系統(tǒng)安全評估的流程如圖1所示2。2、鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的安全評估2.1水位保護(hù)系統(tǒng)的安全儀表功能 清楚地確定安全儀表系統(tǒng)的安全儀表功能是安全評估的首要工作之一。安全儀表功能 （SIF）是指對某個具體的潛在危險事件實行的保護(hù)措施。安全儀表系統(tǒng)可以執(zhí)行 個或多個安全

6、儀表功能。每個安全儀表功能都有不同的安全完整性等級 。若多個SIF共用 1個設(shè)備，那么此設(shè)備需要滿足所有 中最高的SIL要求。 鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)有2個SIF:水位高保護(hù)（SIFI）和水位低保護(hù)(SIF2)。 圖 2給出了水位保護(hù)邏輯。 一般水位偏差分為3個值，稱為高一、高二、高三值（例如：+50、+150、+250mm），反之稱為低一、低二、低三值（例如：-50、-150、-250mm）。SIFI:當(dāng)水位高一、高二值相繼出現(xiàn)且不存在虛假水位時，汽包水位保護(hù)系統(tǒng)動作，打開事故放水門。當(dāng)水位恢復(fù)到高一值時，關(guān)事故放水門。 當(dāng)水位低一、低二值相繼出現(xiàn)時，開備用給水門。當(dāng)水位出現(xiàn)高三值和低三值時，

7、需要緊急停爐。這層保護(hù)已不屬于水位保護(hù)系統(tǒng)的范疇，因此圖中未畫出水位高、低三值。2.2目標(biāo)SIL的選擇 通過危險和風(fēng)險分析確定了系統(tǒng)的 SIF后,需要確定各個SIF的目標(biāo)SIF。SIF不僅是安全儀表系統(tǒng)安全性能的衡量標(biāo)準(zhǔn),而且是整體安全生命周期中的主線。其選擇應(yīng)該恰到好處，過高會造成成本的浪費，過低會使風(fēng)險不可接受。因此目標(biāo)SIL的選擇是系統(tǒng)安全評估中十分重要的工作。 選擇SIL值時,要先假設(shè)沒有安全儀表功能,在只考慮分散控制系統(tǒng)(DCS)、預(yù)報警、機械設(shè)備等危險降低措施的情況下， 根據(jù)危險發(fā)生的概率和危險發(fā)生后的危害程度，采用適當(dāng)?shù)?選擇方法，得出安全儀表系統(tǒng)需要達(dá)到的SIL。 SIL選擇的

8、定性方法主要有風(fēng)險矩陣和風(fēng)險圖,定量方法有保護(hù)層分析(LOPA).2 種定性方法的原理相似，都是基于分類的方法,主觀性較強,且可容忍風(fēng)險水平都未明確給出 ,而是蘊含在圖形結(jié)構(gòu)之中 。而定量方法需要先明確指定一個可容忍風(fēng)險水平作為目標(biāo)數(shù)值 ，該目標(biāo)往往采用風(fēng)險發(fā)生頻率的形式進(jìn)行表達(dá)， 然后再利用保護(hù)層分析（LOPA）等定量風(fēng)險可能性分析法分析過程中存在的風(fēng)險頻率(未考慮SLS, 但考慮了保護(hù)層),最后將得到的過程風(fēng)險與可容忍風(fēng)險相比,其差值就是必要的風(fēng)險降低,也就是SIS的目標(biāo)SIL 。這種方法客觀準(zhǔn)確,但需要大量的失效數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)。 本次評估利用后果分類(表1)和可能性分類(表2)對汽包水位高和

9、低造成的危險情況進(jìn)行后果和可能性分類,采用風(fēng)險矩陣的方法確定安全儀表系統(tǒng)的功能安全指標(biāo)。鍋爐汽包滿水、缺水事故是鍋爐運行的惡性頻發(fā)事故。據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)電鍋爐事故統(tǒng)計分析，19821985年發(fā)生缺水事故27次，滿水事故45次，每年有13臺鍋爐因缺水造成水冷壁管大面積損壞。19861989年統(tǒng)計到的汽包滿、缺水事故高達(dá)121次，占鍋爐運行責(zé)任事故的11.2%。從歷史數(shù)據(jù)可判定鍋爐汽包滿、缺水事故屬于頻率較高的事故。 至于鍋爐滿、缺水造成的損失也可以從一些歷史記錄看出其嚴(yán)重程度。例如1991年1月某電廠2號鍋爐滿水造成汽輪機軸系斷裂，1997年12月某熱電廠4號鍋爐缺水造成水冷壁大面積爆破，2004年

10、8月15日上海某廠因機組汽包水位數(shù)據(jù)采集卡故障“汽包水位低”保護(hù)誤動停機，而每次停機造成直接經(jīng)濟(jì)損失都會達(dá)到300萬500萬元。 這些事例都突出反映了鍋爐滿、缺水事故的嚴(yán)重性。但是鍋爐滿水、缺水事故一般不會造成人身傷亡，因此對應(yīng)表1可知其危險程度屬于較輕的一類。依據(jù)圖3的風(fēng)險矩陣可知汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的2個安全儀表功能的目標(biāo)SIL均為2級。23汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其操作模式的確定2.3.1結(jié)構(gòu) 圖4給出了鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，共分為3部分， 其中檢測部分為差壓變送器Rose-mount3051C 1、2、3 ，采用三取二表決電路（2oo3）， 邏輯單元為DCS控制器，采用二取一表決電路

11、（1oo2）， DCS中的包含AI和DO模件，AI模件采用與變送器相同的表決形式（2oo3）， 執(zhí)行部分為事故放水門Series 808 1、2（閥組內(nèi)采用1oo2表決，閥組間采用2oo2表決）和備用給水門Series 808。 系統(tǒng)各組成部分及表決形式匯總?cè)绫?所示。23.2操作模式 在IEC61508中，定義了3種操作模式：連續(xù)模式、高操作模式和低操作模式。 安全儀表系統(tǒng)的操作模式是根據(jù)其要求產(chǎn)生的頻率來進(jìn)行區(qū)分的。在低要求操作模式下，對一個安全儀表系統(tǒng)提出操作要求的頻率不大于每年1次且不大于2倍的檢驗測試頻率；在高要求或連續(xù)模式下，對一個安全儀表系統(tǒng)提出操作要求的頻率大于每年1次或大于2

12、倍的檢驗測試頻率。低要求操作模式是過程工業(yè)中最普遍的模式。鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)在基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）正常運行時，是處于靜態(tài)的，只有當(dāng)BPCS對水位的控制失效，汽包出現(xiàn)滿水或缺水情況時，它才會動作。而這種要求操作的頻率是非常低的 ，因此將汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的操作模式視為低要求操作模式。2.4系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù) 對安全儀表系統(tǒng)的安全功能進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)是設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)?？煽啃詳?shù)據(jù)的確定可以依據(jù)工業(yè)失效數(shù)據(jù)庫、設(shè)備的失效模式、影響和診斷（FMEDA）進(jìn)行分析和參照現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)的記錄。本次評估所用的數(shù)據(jù)均依據(jù)設(shè)備的FMEDA分析得出。表4為系統(tǒng)設(shè)備具體的失效率數(shù)據(jù)。2.5系統(tǒng)的故障樹建模及可

13、靠性指標(biāo)計算 計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)有多種方法 目前廣泛采用的有簡化方程式可靠性框圖故障樹分析和馬爾可夫分析 本文采用了故障樹分析法計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。 故障樹分析（FTA）是可靠性理論中發(fā)展比較完善的分析方法，是一種自上向下識別系統(tǒng)故障的方法，可以幫助人們發(fā)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)中的設(shè)計問題。FTA的最終結(jié)果是1張圖。 它表明了哪些事件的結(jié)合可能會導(dǎo)致系統(tǒng)故障，因而指出了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。 故障樹分析方法涉及概率計算，詳細(xì)的計算方法可參見文獻(xiàn)。為了計算方便，故障樹中的故障和事件可假設(shè)是互斥事件，并且是獨立事件。在這種假設(shè)下，或門的概率就簡化為加法，與門的概率就簡化為乘法。這種技術(shù)在概率較小的情況下可以給出

14、近似解，而在很多情況下，故障概率是小概率。當(dāng)計算故障率時，該方法一般來說會給出偏向保守的結(jié)果。對于計算故障概率而言，該方法是滿足要求的。圖5給出了鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的整體故障樹模型，對模型中的各部分還需建立其各自的故障樹。 針對每一部分的失效，根據(jù)其不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立不同的故障樹模型，并由故障樹的結(jié)構(gòu)通過邏輯計算得出每一部分的要求時失效概率（ PFD），進(jìn)而得到整個系統(tǒng)的要求時失效概率。 文獻(xiàn)5中給出了系統(tǒng)各種冗余結(jié)構(gòu)的故障樹模型及其PFD與PFS的近似計算公式，本文直接利用文獻(xiàn)5中的公式計算各設(shè)備的PFD。假設(shè)共因失效因子 為0，失效率為常數(shù)。 從計算結(jié)果可以明顯看出此系統(tǒng)SIF2的PFD

15、在0.01到0.1之間，其代表的SIL等級為1級，不滿足其SIL2的目標(biāo)。而導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是執(zhí)行器部分的失效率太大，因此需要對執(zhí)行器部分進(jìn)行改進(jìn)。原系統(tǒng)中采用1個備用給水門，且其危險失效率很高?？梢詫⑵鋼Q成失效率低的閥門或者采用1oo2的結(jié)構(gòu)，即添加1個冗余來提高執(zhí)行器的安全性。這樣SIF2執(zhí)行器部分的要求時失效概率為1.24 10-4， 即可滿足SIL2要求。除了更換設(shè)備或改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，提高系統(tǒng)的安全性還可以通過提高診斷檢測覆蓋率和縮短儀表的檢測時間間隔的方法來實現(xiàn)。3.結(jié)語 從上述評估過程可以看出，系統(tǒng)的安全評估可以使工作人員更清楚地了解系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)所在，從而更好地分配現(xiàn)有的保

16、護(hù)資源，達(dá)到花費最少的成本實現(xiàn)最好的保護(hù)功能的效果。因此，在火電廠安全儀表系統(tǒng)中開展安全評估不論是對其安全生產(chǎn)還是對其經(jīng)濟(jì)效益都是有利的。參考文獻(xiàn)1 陽憲惠,郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全M.北京:清華大學(xué)出版社, 20072 IEC 61508. Functional safety of electrical/ electric/ programmableelectronic safety related systems S.1998.3 王志祥.熱工保護(hù)與順序控制M.北京:中國電力出版社,1995.4 侯子良,劉吉川,侯云浩,等.鍋爐汽包水位測量系統(tǒng) M.北京:中國電力出版社, 2005.

17、5 威廉戈布爾. 控制系統(tǒng)的安全評估和可靠性M. 白焰, 董玲,楊國田,譯.北京:中國電力出版社, 2008.6 EXIDA. IEC 61508 functional safety assessmentEB/OL. 2010. 06.23 . HYPERLINK http:/www.exida/http:/www.exida. com/index. php/resources/sael_index.（責(zé)任編輯 沈法）電力科技信息 2020年分布式能源將達(dá) 1.3億KW 國網(wǎng)能源研究院新能源研究所所長日前表示，考慮到調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的需求，大力發(fā)展分布式能源勢在必行，預(yù)計到2020年，我國各類分布式能源的發(fā)展總裝機有望達(dá)到1.3億kW。 我國未來需要在具備資源條件的城市發(fā)展天然氣冷熱電多聯(lián)產(chǎn)、城市建筑光伏、中小城鎮(zhèn)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱等多種分布式能源。按照我國分布式能源系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)，到2020年，小水電將達(dá)到75 GW，天然氣多聯(lián)產(chǎn)將達(dá)到50 GW，小型風(fēng)電將達(dá)到3 GW，城市建筑光伏將達(dá)到1 GW。 目前，我國分布式能源主要形式包括農(nóng)村小水電、小熱電、城市建筑光伏系統(tǒng)、小型生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)等。由于分布式能源的發(fā)電形式可以獨立運行或直接接入配電網(wǎng)，因此是集中式能源系統(tǒng)