安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估在燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用

安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估在燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用姜巍巍;王曉菡;李榮強(qiáng)【摘要】介紹了安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估在燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用，通過SIL等級評估可以查找安全儀表系統(tǒng)安全儀表功能回路存在的薄弱環(huán)節(jié),合理設(shè)置和維護(hù)管理安全儀表系統(tǒng)，滿足其應(yīng)有的風(fēng)險(xiǎn)降低，提升過程安全管理水平.【期刊名稱】《安全、健康和環(huán)境》【年(卷)，期】2017(017)012【總頁數(shù)】5頁(P34-38)【關(guān)鍵詞】安全儀表系統(tǒng);安全完整性等級;燃?xì)忮仩t【作者】姜巍巍;王曉菡;李榮強(qiáng)【作者單位】中國石化青島安全工程研究院,山東青島266071;中國石油華東設(shè)計(jì)院有限公司仙東青島266071;中國石化青島安全工程研究院仙東青島266071【正文語種】中文安全儀表系統(tǒng)是石化生產(chǎn)裝置的重要保護(hù)措施，由傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件組成，用來監(jiān)視工藝過程的狀態(tài)，判斷危險(xiǎn)條件，并在危險(xiǎn)條件出現(xiàn)時(shí)適當(dāng)動作以防止危險(xiǎn)事件發(fā)生。合理、可靠的安全儀表系統(tǒng)可以有效避免生產(chǎn)事故，降低事故給設(shè)備、環(huán)境和人員造成的危害。國內(nèi)夕卜典型事故案例表明，不少重大事故都與安全儀表系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng)以及非正常失效有關(guān)，安全儀表系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)已經(jīng)關(guān)系到石化裝置是否能夠安穩(wěn)運(yùn)行，是否能夠有效避免重大事故及非計(jì)劃停車帶來的經(jīng)濟(jì)損失。2005年，英國倫敦邦斯菲爾德油庫發(fā)生爆炸，事故造成43人受傷和近10億英鎊的經(jīng)濟(jì)損失。事故調(diào)查委員會認(rèn)為應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防性保護(hù)措施，尤其是溢油保護(hù)系統(tǒng)，并提高該系統(tǒng)的可靠性即SIL等級，分析和評價(jià)它的可靠性，在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行中保持其需求的SIL等級。為加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理，防止和減少危險(xiǎn)化學(xué)品事故發(fā)生，國家安全監(jiān)管總局下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》（安全監(jiān)管三〔2014）116號），要求〃涉及’兩重點(diǎn)一重大’的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲存設(shè)施，要按照本指導(dǎo)意見的要求設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全儀表系統(tǒng)”。中國石化集團(tuán)公司發(fā)布的《中國石化安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估管理規(guī)定》（中國石化安c2013）259號），規(guī)范了安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估，并要求各企事業(yè)單位、股份公司各（分）子公司應(yīng)結(jié)合自身實(shí)際情況制定實(shí)施。中國石油化工集團(tuán)公司安全管理手冊（M01-2015）和中國石化生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)定試行（中國石化安[2017]625號）等都對安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估有明確要求。1安全儀表系統(tǒng)重要概念1.1安全完整性等級（SIL）安全完整性等級是指在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，安全儀表系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了4種安全完整性等級，安全完整性等級4為最高，安全完整性等級1為最低。表1安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級目標(biāo)失效量。1.2安全生命周期安全儀表系統(tǒng)的生命周期對安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估具有非常重要的意義，保證每一個(gè)環(huán)節(jié)都考慮功能安全，從設(shè)計(jì)源頭開始進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估可以最大程度地降低生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保證安全儀表系統(tǒng)方面的投資成本做到有的放矢。表1安全完整性等級目標(biāo)失效量安全完整性水平(SIL)平均失效概率PFD4[10-5,10-4)3[10-4,10-3)2[10-3,10-2)1[10-2,10-1)安全儀表系統(tǒng)的生命周期主要分為設(shè)計(jì)、危險(xiǎn)分析、安全儀表功能分配、系統(tǒng)集成、現(xiàn)場安裝、系統(tǒng)運(yùn)維、更新?lián)Q代等階段。安全儀表系統(tǒng)生命周期見圖1。圖1安全儀表系統(tǒng)的生命周期SIL等級評估主要內(nèi)容安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估主要包括以下內(nèi)容。安全儀表功能辨識。根據(jù)所提供的技術(shù)資料(PID圖、聯(lián)鎖因果圖或邏輯圖等)，通過危險(xiǎn)分析，明確設(shè)計(jì)意圖，完成安全儀表功能辨識。主要的方法有危險(xiǎn)與可操作分析法等。SIL定級。針對每一個(gè)安全儀表功能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，結(jié)合每個(gè)公司的風(fēng)險(xiǎn)矩陣或可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，考慮人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)，確定安全儀表功能的SIL等級。主要的方法有風(fēng)險(xiǎn)圖法、矩陣法、保護(hù)層分析法等。SIL驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場安全儀表功能(SIF)回路組成和所用儀表情況，建立回路的可靠性模型，選用合適的失效數(shù)據(jù)計(jì)算安全儀表功能要求時(shí)的失效概率PFD，明確其能達(dá)到的SIL等級。主要的方法有可靠性框圖法、故障樹法、馬爾科夫法等。結(jié)構(gòu)約束評估。根據(jù)SIL定級結(jié)果要求，結(jié)合現(xiàn)場安全儀表系統(tǒng)配置情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)約束評估。檢驗(yàn)測試周期。針對不符合SIL等級要求的安全儀表功能，計(jì)算符合目標(biāo)SIL要求的檢驗(yàn)測試周期，為科學(xué)制定維護(hù)策略提供幫助。相關(guān)建議措施。從危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析、SIL驗(yàn)證、操作維護(hù)、規(guī)范要求等4個(gè)方面，綜合分析評估，提出相關(guān)建議措施。SIL等級評估應(yīng)用3.1燃?xì)忮仩t情況本次分析的燃?xì)忮仩t的主要工藝過程如下。a） 燃料燃燒過程：燃料氣T燃?xì)夥忠汗轙燃燒器-（完成燃燒）T高溫?zé)煔狻） 煙氣向工質(zhì)傳熱過程：高溫?zé)煔?（輻射）T水冷壁-（輻射對流）T過熱-（對流）一省煤器一低溫?zé)煔馀畔虼髿狻?工質(zhì)的加熱汽化過程：除鹽水一除氧器一中壓給水泵一省煤器一汽包-（下降管）一下聯(lián)箱一水冷壁管束-（輻射對流、汽水混合物）一汽包一飽和蒸汽一過熱器一過熱蒸汽一用戶。燃油燃?xì)忮仩t不同于燃煤鍋爐，它需要使用燃燒器將燃?xì)鈬娙脲仩t爐膛，噴入爐內(nèi)的燃?xì)馊绻c空氣在一定范圍內(nèi)混合或熄滅，就容易爆炸。因此燃?xì)忮仩t均需采用自動化的燃燒與控制系統(tǒng)。3.2燃?xì)忮仩tSIL定級通過SIL定級會議，對動力車間燃?xì)猓ㄈ加停╁仩t辨識出的9個(gè)安全儀表回路，其中新增3個(gè)安全儀表回路，確定了10個(gè)安全儀表功能。針對其安全功能、觸發(fā)事件或原因、邏輯處理器、執(zhí)行元件以及風(fēng)險(xiǎn)狀況等進(jìn)行了逐項(xiàng)分析和討論記錄。SIL分析確定會議主要是綜合考慮人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)確定所需求的SIL等級，然后選擇其中需求較高的SIL等級作為特定SIF回路需求的SIL等級。燃?xì)忮仩t安全儀表功能及定級結(jié)果見表2。表2燃?xì)忮仩t安全儀表系統(tǒng)安全儀表功能及定級結(jié)果SIF號SIF標(biāo)識SIF描述最終元件安全完整性等級人員傷害環(huán)境影響財(cái)產(chǎn)損失目標(biāo)SILSIF01LSLL6106A/B（2oo2）鍋爐汽包液位低于15%,切斷燃料氣關(guān)閉燃料氣緊急切斷閥（XCV6107A）N/AN/AAIL1SIL1SIF02APSLL6116A燃料氣壓力低于0.01MPa,切斷燃料氣關(guān)閉XCV6107ASIL2N/AAIL2SIL2SIF02BPSLL6116A燃料氣壓力低于0.01MPa,切斷燃料氣關(guān)閉XCV6107ASIL0N/AAIL0SIL0SIF03BS6011/2/3/4（3oo4）鍋爐熄火聯(lián)鎖，切斷燃料氣關(guān)閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF04FA-6101A鼓風(fēng)機(jī)故障停，切斷燃料氣關(guān)閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF05FA-6102A引風(fēng)機(jī)故障停，切斷燃料氣關(guān)閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF06PSLL6104中壓除氧水壓力低于5.4MPa啟動備用泵啟動備用泵SIL1N/AAIL1SIL1SIF07PSHH-（建議增加）鍋爐汽包壓力高高聯(lián)鎖，切斷燃料氣關(guān)閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF08PSHH-（建議增加）爐膛壓力高高聯(lián)鎖，切斷燃料氣關(guān)閉XCV6107ASIL2N/AAIL2SIL2SIF09LSHH-（建議增加）鍋爐汽包液位高高聯(lián)鎖，關(guān)閉上水閥關(guān)閉上水閥N/AN/AAIL2SIL2燃?xì)忮仩t裝置安全儀表功能分類匯總?cè)绫?所示。表2燃?xì)忮仩t裝置安全儀表功能分類匯總目標(biāo)等級數(shù)量占比,％SIL0110SIL1660SIL2330總計(jì)101003.3SIL驗(yàn)證基于GB/T20438、GB/T21109和PDS手冊中推薦使用的PFDavg計(jì)算方法，結(jié)合專業(yè)故障樹計(jì)算軟件，計(jì)算了現(xiàn)有各SIF回路需求時(shí)的平均失效概率PFDavg。其中，MTTR=8小時(shí)，Ti=4年；根據(jù)企業(yè)提供的SIF回路所用儀表型號，對比分析失效數(shù)據(jù)庫EXIDA和PDSdatahandbook2010，采用較保守?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行SIL驗(yàn)證計(jì)算。圖2給出了可靠性計(jì)算模型示例，表3燃?xì)忮仩t安全儀表功能SIL驗(yàn)證結(jié)果。進(jìn)行了6個(gè)SIL1以上的回路PFD計(jì)算和分析，表4給出了符合性評價(jià)結(jié)果。3.4建議措施圖2燃料氣壓力低低聯(lián)鎖，切斷燃料氣從危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析、SIL驗(yàn)證、操作維護(hù)、規(guī)范要求等4個(gè)方面綜合分析評估，對燃?xì)忮仩t安全儀表系統(tǒng)提出以下建議措施。a）燃?xì)忮仩t汽包液位低低聯(lián)鎖LSLL6106A/B（2oo2）回路，液位控制、報(bào)警和聯(lián)鎖儀表共用LT6106A/B，考慮保護(hù)層的獨(dú)立性原則，控制、報(bào)警和聯(lián)鎖儀表應(yīng)獨(dú)立設(shè)置。b） 燃?xì)忮仩t燃料氣壓力低低聯(lián)鎖PSLL6116A回路，目標(biāo)安全完整性等級為SIL2，改進(jìn)措施如下：①燃料氣壓力變送器采用三取二冗余結(jié)構(gòu)；②傳感單元取壓點(diǎn)設(shè)置在阻火器和火嘴中間；③燃料氣管線增加一臺切斷閥，或聯(lián)鎖關(guān)閉壓力調(diào)節(jié)閥（增設(shè)電磁閥）且為嚴(yán)密切斷閥。表3燃?xì)忮仩t安全儀表功能SIL驗(yàn)證結(jié)果SIF號SIF標(biāo)識最終元件目標(biāo)SILPFDavg是否滿足SIL結(jié)構(gòu)約束是否滿足要求SIF降低后風(fēng)險(xiǎn)SIF01LSLL6106A/B（2oo2）關(guān)閉XCV6107ASIL16.25E-2是是低風(fēng)險(xiǎn)SIF02APSLL6116A關(guān)閉XCV6107ASIL25.76E-2否否中風(fēng)險(xiǎn)SIF02BPSLL6116A關(guān)閉XCV6107ASIL0是低風(fēng)險(xiǎn)SIF03BS6011/2/3/4（3oo4）關(guān)閉XCV6107ASIL15.44E-2是是低風(fēng)險(xiǎn)SIF04FA-6101A關(guān)閉XCV6107ASIL15.59E-2是是低風(fēng)險(xiǎn)SIF05FA-6102A關(guān)閉XCV6107ASIL15.59E-2是是低風(fēng)險(xiǎn)SIF06PSLL6104啟動備用泵SIL18.77E-3是是低風(fēng)險(xiǎn)SIF07（新增）PSHH-關(guān)閉XCV6107ASIL1SIF08（新增）PSHH-關(guān)閉XCV6107ASIL2SIF09（新增）LSHH-關(guān)閉上水閥SIL2表4鍋爐裝置符合性情況目標(biāo)等級數(shù)量符合PFD要求不符合PFD要求SIL1550SIL2101匯總651c） 長明燈管線獨(dú)立設(shè)置，并設(shè)置長明燈壓力低低聯(lián)鎖（工藝確定合理設(shè)定值）。d） 增設(shè)燃?xì)忮仩t汽包壓力高高聯(lián)鎖，防止超壓，目標(biāo)完整性等級為SIL1。e） 增設(shè)爐膛壓力高高聯(lián)鎖，防止?fàn)t膛正壓，目標(biāo)安全完整性等級為SIL2。f） 增設(shè)燃?xì)忮仩t汽包液位高高聯(lián)鎖，防止蒸汽管網(wǎng)帶液，目標(biāo)安全完整性等級為SIL2。g） 按照檢驗(yàn)測試周期（Ti）為4年（8760小時(shí)/年），進(jìn)行SIL驗(yàn)證計(jì)算，1個(gè)SIL2等級的SIF不滿足風(fēng)險(xiǎn)降低要求，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)測試周期為4380小時(shí)(半年)。4體會SIL評估分析組應(yīng)該由企業(yè)和技術(shù)服務(wù)單位的多名專家組成，其中應(yīng)該包括工藝、設(shè)備、儀表、安全等專業(yè)人員，為便于建議措施整改，分析組還應(yīng)包括設(shè)計(jì)人員。SIL評估主要采用國外的失效數(shù)據(jù)庫，我國煉化企業(yè)缺少自己的安全儀表失效數(shù)據(jù)源，建議有條件的企業(yè)逐步積累形成自己的安全儀表失效數(shù)據(jù)庫。評估過程應(yīng)充分考慮各保護(hù)層的獨(dú)立性，特別關(guān)注共用取壓點(diǎn)、報(bào)警和安全儀表功能共用傳感器、過程控制回路和安全儀表功能共用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的情況。應(yīng)規(guī)范石化安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)源頭開始進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估，