施建設(shè)

（中石化寧波工程有限公司，浙江寧波315103）

隨著石油化工裝置的大型化，操作周期愈來愈長(zhǎng)，石油化工裝置的安全生產(chǎn)已經(jīng)成為社會(huì)、企業(yè)和操作人員越來越關(guān)注的重點(diǎn)。因此，在石油化工裝置中保證安全運(yùn)行而采用安全儀表系統(tǒng)（SIS）已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。

根據(jù)IEC 61508和IEC 61511的要求，SIS在實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)時(shí)是以安全儀表功能（SIF）作為評(píng)估和考核對(duì)象的。在經(jīng)過安全評(píng)估、分析進(jìn)入設(shè)計(jì)階段時(shí)，要確保每個(gè)SIF的安全完整性等級(jí)（SIL）滿足要求來降低風(fēng)險(xiǎn)使之達(dá)到能接受的程度。因此，SIF是實(shí)現(xiàn)裝置安全聯(lián)鎖的基本單位，正確分析并實(shí)現(xiàn)裝置中的SIF是SIS全生命周期中的基本要求之一。

近年來，中國企業(yè)與國外公司聯(lián)合投資或引進(jìn)專利技術(shù)投資建設(shè)石油化工企業(yè)的情況越來越多；國外公司或技術(shù)專利商提出的要求和提供的資料，均要求SIS的設(shè)計(jì)滿足IEC 61508和IEC 61511的規(guī)范要求，但提供的安全聯(lián)鎖資料均不是以每個(gè)SIF回路的形式提供，而是以安全操作說明、聯(lián)鎖圖、因果表等形式提出，因而較難確定每個(gè)SIF的結(jié)構(gòu)形式，也難以核實(shí)每個(gè)SIF的SIL。因此，有必要對(duì)各種形式的安全聯(lián)鎖按IEC 61511要求的形式進(jìn)行描述。

1 基本概念和要求

根據(jù)IEC 61508和IEC 61511的定義和要求，SIS由傳感器、邏輯控制器、最終執(zhí)行器組成，是由具有SIL要求并實(shí)現(xiàn)特定保護(hù)功能的SIF來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

圖1 SIS的基本組成注：S1～S5——傳感器；F1～F3——最終執(zhí)行器

在圖1中，loop1～loop5為按安全功能劃分的5個(gè)SIF；要求每個(gè)SIF對(duì)應(yīng)的SIL滿足需要的安全等級(jí)。在對(duì)SIF進(jìn)行研究時(shí)，還需要對(duì)傳感器、邏輯控制器、最終執(zhí)行器的安全結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，應(yīng)該使每個(gè)SIF的平均故障率（PFDavg）和安全結(jié)構(gòu)均滿足標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求。

2 SIF分析

2.1 需確認(rèn)儀表安全保護(hù)功能的主要?jiǎng)幼?/h3>

在對(duì)聯(lián)鎖進(jìn)行安全分析或進(jìn)行SIL核算時(shí)，應(yīng)該確定針對(duì)聯(lián)鎖發(fā)生后的主要?jiǎng)幼鳛閷?shí)現(xiàn)本儀表安全功能的“安全回路”來考慮，聯(lián)鎖的其他動(dòng)作需結(jié)合流程情況另行分析。

圖2為某裝置轉(zhuǎn)化爐的流程圖，表1列出轉(zhuǎn)化爐溫度高高聯(lián)鎖時(shí)的因果表。其工藝操作要求為當(dāng)轉(zhuǎn)化爐溫度（TE12021A／B／C）高于設(shè)定值（TZHH－12101A／B／C）時(shí)，將燃料進(jìn)料閥XV－12111和XV－12113關(guān)閉，打開燃料放空閥XV－12112；關(guān)閉轉(zhuǎn)化爐入口原料閥XV－12121，并打開蒸汽吹掃閥XV－12122；關(guān)閉轉(zhuǎn)化爐出口去下游的切斷閥XV－12126和調(diào)節(jié)閥FV－12125，并打開轉(zhuǎn)化爐出口放空閥XV－12125。此過程聯(lián)鎖安全等級(jí)要求為SIL2。

圖2 帶控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)化爐流程

表1 溫度高高聯(lián)鎖因果表

由于SIF是滿足SIS要求的基本單位，必須要對(duì)因果表中聯(lián)鎖產(chǎn)生的原因和后果進(jìn)行分析，以確定各聯(lián)鎖的安全要求。從流程中看出，轉(zhuǎn)化爐出口溫度高的主要原因是轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的燃料過量燃燒，造成轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的爐管和催化劑的損壞或損失。因此，只要確保將轉(zhuǎn)化爐燃料入口閥XV－12111和XV－12113中的任何一個(gè)關(guān)閉即可滿足安全要求，該聯(lián)鎖等級(jí)應(yīng)滿足因果表中的SIL2要求。閥門XV－12112的開啟須在XV－12111和XV－12113關(guān)閉后動(dòng)作，目的是再次確保燃料氣與轉(zhuǎn)化爐的完全隔離，與該聯(lián)鎖的安全要求的實(shí)現(xiàn)無直接關(guān)系。

實(shí)際過程中，在燃料入口閥XV－12111和XV－12113關(guān)閉后，針對(duì)轉(zhuǎn)化爐溫度高的聯(lián)鎖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)；表1中其他閥門的動(dòng)作是為了完成裝置停車時(shí)的其他步驟和功能，屬該聯(lián)鎖外的附加功能，其安全要求和等級(jí)另分析如下：

a）XV－12126和FV－12125的關(guān)閉是為了避免對(duì)轉(zhuǎn)化爐的爐管吹掃時(shí)蒸汽進(jìn)入下游裝置。從對(duì)下游產(chǎn)品、催化劑和設(shè)備等的影響程度和后果分析，此聯(lián)鎖的安全等級(jí)應(yīng)該滿足SIL2要求。

b）XV－12121的關(guān)閉，一方面是為了在轉(zhuǎn)化爐停車后切斷原料氣以避免浪費(fèi)，同時(shí)也是避免轉(zhuǎn)化爐停止加熱后冷氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐以損壞爐管及催化劑。XV－12125的開啟是保證轉(zhuǎn)化爐停止加熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的吹掃氣能順利放空，也是保護(hù)爐管及催化劑的手段之一。從危險(xiǎn)性和后果分析，XV－12121和XV－12125只要滿足SIL1即可。

c）XV－12122的開啟是用于轉(zhuǎn)化爐爐管的蒸汽吹掃，同樣也是為了保護(hù)爐管及催化劑，其危險(xiǎn)性和后果同樣只要滿足SIL1即可。但從開閥的時(shí)間來看，XV－12122的開啟要求在XV－12121關(guān)閉后實(shí)施；實(shí)際聯(lián)鎖方案應(yīng)該在XV－12121關(guān)閉到位（XGSC－12121）確認(rèn)后再發(fā)出開閥指令。為了保證指令的正確性，設(shè)置了2個(gè)已經(jīng)關(guān)閉到位的閥位開關(guān)（XGSC－12121A／B）并采用“1oo2”的結(jié)構(gòu)來實(shí)施。在調(diào)整后的因果表中，雖然XGSC－12121A／B是閥門XV－12122開啟的原因，但閥門關(guān)閉到位信號(hào)不是聯(lián)鎖中的觸發(fā)源，僅僅是要求按照一定的順序執(zhí)行動(dòng)作而已，其在計(jì)算SIL時(shí)應(yīng)按內(nèi)部邏輯計(jì)算，即不考慮XGSC－12121A／B的故障率。

通過以上分析，需對(duì)表1的因果表按SIF的定義和要求進(jìn)行調(diào)整，表2所列是按SIF要求調(diào)整后的因果表。

表2 按SIF調(diào)整后的溫度高高聯(lián)鎖因果表

2.2 需確認(rèn)危險(xiǎn)產(chǎn)生后的后果

在對(duì)SIF進(jìn)行安全分析時(shí)，一般是以產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的直接原因作為分析的依據(jù)。但在某些情況下，一些其他原因（間接原因）可能導(dǎo)致作為聯(lián)鎖的直接原因產(chǎn)生，從而促發(fā)裝置的聯(lián)鎖。因此，在分析時(shí)需要對(duì)其他原因（間接原因）進(jìn)行綜合研究，既要保證直接原因產(chǎn)生時(shí)裝置的安全，也要將其他原因（間接原因）發(fā)生時(shí)對(duì)過程的危害一起考慮。

圖1中關(guān)于燃料氣壓力和火焰的另一組聯(lián)鎖因果表見表3所列，圖1中BT－12121為火焰檢測(cè)器。工藝要求：當(dāng)轉(zhuǎn)化爐內(nèi)沒有火焰（BZL－12121）、燃料氣管線壓力低低（PZLL－12111A／B／C）、燃料氣管線壓力高高（PZHH－12111A／B／C）時(shí)轉(zhuǎn)化爐停車。

表3 燃料系統(tǒng)壓力聯(lián)鎖因果表

從危險(xiǎn)的后果來分析，這三組聯(lián)鎖都是避免轉(zhuǎn)化爐的爆炸。UZ－004的要求：當(dāng)轉(zhuǎn)化爐內(nèi)出現(xiàn)火焰故障或者沒有火焰時(shí)應(yīng)將燃料氣切斷，以免氣體在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)積聚爆炸。UZ－002和UZ－003的要求：當(dāng)燃料氣壓力過低或過高時(shí)也應(yīng)將燃料氣切斷，但實(shí)際上燃料氣壓力的過低或過高對(duì)轉(zhuǎn)化爐是沒有直接危險(xiǎn)的，它產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)只是在燃料氣壓力過低或過高時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的火焰熄滅進(jìn)而可能產(chǎn)生的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，即UZ－002和UZ－003的風(fēng)險(xiǎn)是通過UZ－004的直接后果來體現(xiàn)的。因此，在確定UZ－002和UZ－003的SIF時(shí)，應(yīng)同時(shí)將UZ－004的風(fēng)險(xiǎn)考慮在內(nèi)，調(diào)整后的因果關(guān)系見表4所列。

表4 按SIF調(diào)整后的燃料系統(tǒng)壓力聯(lián)鎖因果表

2.3 從安全聯(lián)鎖的直接原因和間接原因分析

圖3為某反應(yīng)器的流程簡(jiǎn)圖，其溫度聯(lián)鎖的因果表見表5所列。該反應(yīng)器工藝操作過程：原料氣從上部進(jìn)入一個(gè)裝有催化劑的反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)后的工藝氣從下部出口進(jìn)入下游裝置。因果表中的聯(lián)鎖要求：當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的10點(diǎn)溫度中任意2點(diǎn)溫度高于設(shè)定值（TZHH－13101A／B／C／D／E，TZHH－13102A／B／C／D／E）時(shí)裝置聯(lián)鎖，將原料氣入口閥XV－13101和XV－13103關(guān)閉，同時(shí)打開放空閥XV－13102。

圖3 帶控制點(diǎn)的反應(yīng)器流程

此反應(yīng)為放熱過程，原料氣從設(shè)備上部到下部的過程是反應(yīng)加劇的過程，從上到下也是溫度不斷升高的過程。雖然設(shè)備設(shè)計(jì)、控制要求和聯(lián)鎖的設(shè)定點(diǎn)都是按反應(yīng)器內(nèi)的溫度均勻分布設(shè)置的，但實(shí)際上下部的溫度比上部的溫度高1～2℃；對(duì)在同一軸向的溫度分析，下部的溫度是隨著上部溫度的升高而升高的。然而在實(shí)際情況下，溫度TZHH－13101A／B／C／D／E和TZHH－13102A／B／C／D／E（2oo10）的聯(lián)鎖設(shè)定值是相同的。

從危害角度分析，其上、下部溫度超過設(shè)定值時(shí)對(duì)設(shè)備和催化劑的危害是相同的。因此，需將上部溫度和下部溫度在聯(lián)鎖中分別單獨(dú)考慮，因而將UZ－005的聯(lián)鎖按表6的形式進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)際上按照SIF對(duì)流程的分析，UZ－005A（或UZ－005B）SIF強(qiáng)調(diào)的是溫度計(jì)在同一高度不同安裝位置時(shí)的溫度聯(lián)鎖，但UZ－005A或UZ－005B的區(qū)別是不同安裝高度的測(cè)量點(diǎn)而產(chǎn)生的溫度差異，UZ－005C則強(qiáng)調(diào)從反應(yīng)器內(nèi)所有溫度引發(fā)的聯(lián)鎖綜合考慮。

表5 反應(yīng)器溫度聯(lián)鎖因果表

表6 按SIF調(diào)整后的反應(yīng)器溫度聯(lián)鎖因果表

3 結(jié)束語

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是保證石油化工生產(chǎn)裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行的基石，在SIS的設(shè)計(jì)過程中，科學(xué)、合理地對(duì)SIF進(jìn)行分配和確認(rèn)是SIS全生命周期中“實(shí)施”環(huán)節(jié)的主要節(jié)點(diǎn)，是對(duì)石油化工裝置進(jìn)行正確安全評(píng)估的第一步。

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