王東峰

(東華工程科技股份有限公司，合肥 230024)

近十幾年來(lái)，隨著工業(yè)裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)安全問(wèn)題越來(lái)越受到各方面的關(guān)注，特別是許多大中型石油化工和煤化工項(xiàng)目，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段都要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全評(píng)估。通常通過(guò)危險(xiǎn)和可操作性分析(HAZOP)以及保護(hù)層分析(LOPA)確定所需的安全儀表功能(SIF)及其安全完整性等級(jí)(SIL)。在工程設(shè)計(jì)階段，安全儀表系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)能否滿足SIF及其SIL的要求是每位自控專業(yè)設(shè)計(jì)人員非常關(guān)注的問(wèn)題。以下就安全儀表系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法提出自己的看法，以供參考。

1 安全儀表系統(tǒng)相關(guān)概念

1.1 安全儀表功能

SIF是為了防止、減少危險(xiǎn)事件發(fā)生或保持過(guò)程安全狀態(tài)，用測(cè)量?jī)x表、邏輯控制器、最終元件及相關(guān)軟件等實(shí)現(xiàn)的安全保護(hù)功能或安全控制功能[1]。通俗地理解就是工藝專業(yè)提出的聯(lián)鎖回路條件，例如，氮?dú)鈨?chǔ)罐壓力高于5.0MPa時(shí)，在10s內(nèi)關(guān)閉氮?dú)膺M(jìn)口閥。

SIF的運(yùn)行模式分為低要求操作模式和高要求(或連續(xù))操作模式。SIF在低要求操作模式下執(zhí)行安全儀表保護(hù)功能；在連續(xù)操作模式下執(zhí)行安全儀表控制功能[1]。

文獻(xiàn)[2]中指出“通常石油化工和煤化工裝置的安全儀表系統(tǒng)工作于低要求操作模式，應(yīng)采用低要求模式的平均失效概率來(lái)計(jì)算和驗(yàn)證安全儀表系統(tǒng)的SIL”。

1.2 安全完整性

安全完整性是安全儀表系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定條件下，執(zhí)行SIF的平均概率。安全完整性由硬件安全完整性和系統(tǒng)安全完整性組成。其中，硬件結(jié)構(gòu)約束的安全完整性和硬件失效概率的安全完整性一起實(shí)現(xiàn)了硬件的安全完整性。

1.3 安全完整性等級(jí)

SIL是用來(lái)規(guī)定分配給安全儀表系統(tǒng)的SIF的安全完整性要求的離散等級(jí)。SIL可分為SIL1到SIL4四個(gè)等級(jí)，其中，SIL4為最高等級(jí)。

在低要求操作模式下，當(dāng)過(guò)程中發(fā)生了危險(xiǎn)情況需要安全儀表系統(tǒng)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作時(shí)，SIF因失效而不能完成保護(hù)功能的概率叫作失效概率。隨著時(shí)間的流逝，安全儀表系統(tǒng)的可靠性會(huì)降低，失效概率隨之增大，其在檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)間間隔跨度上的平均值稱為平均失效概率PFDavg(以下均簡(jiǎn)化為PFD)。

在低要求操作模式下，SIF的SIL采用PFD衡量，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1所列[3]。每個(gè)SIF的PFD應(yīng)小于其SIL在表1中所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)失效值。

表1 安全儀表功能的安全完整性等級(jí)(低要求操作模式)

1.4 安全儀表系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)約束

硬件結(jié)構(gòu)約束是除硬件失效概率之外對(duì)安全儀表系統(tǒng)在某個(gè)特定應(yīng)用中所提出的附加約束。安全儀表系統(tǒng)要滿足相應(yīng)的SIL要求，其硬件失效概率和硬件結(jié)構(gòu)約束均應(yīng)滿足相應(yīng)的要求。

文獻(xiàn)[1]對(duì)安全儀表系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)約束體現(xiàn)在硬件故障裕度的要求上。在出現(xiàn)故障或者誤差的情況下，功能單元(傳感器、邏輯控制器、最終元件)繼續(xù)執(zhí)行要求的SIF的能力即為故障裕度。最低硬件故障裕度反映了要求的硬件最低的冗余程度。

文獻(xiàn)[1]定義最低的硬件故障裕度要求是為了減輕SIF設(shè)計(jì)中的潛在缺陷，這些缺陷可能是由于SIF設(shè)計(jì)中所作的各種假設(shè)以及在各種過(guò)程應(yīng)用中部件故障率的不確定性所導(dǎo)致的。

1.5 安全儀表系統(tǒng)的硬件失效概率

每一個(gè)安全儀表系統(tǒng)由測(cè)量?jī)x表、邏輯控制器和最終元件三個(gè)子系統(tǒng)組成，其PFD是各子系統(tǒng)PFD之和。為了確定每一個(gè)子系統(tǒng)的PFD，先列出子系統(tǒng)各部件的組成，再為各部件選擇合適的表決結(jié)構(gòu)，從而根據(jù)相應(yīng)表決結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式計(jì)算出各結(jié)構(gòu)的PFD，最終求和得到整個(gè)安全儀表系統(tǒng)的PFD。

2 安全儀表系統(tǒng)硬件回路設(shè)計(jì)

2.1 要 求

文獻(xiàn)[1]中推薦的示例如圖1所示，筆者根據(jù)此例的要求進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，1個(gè)對(duì)易燃易爆物料進(jìn)行氣液分離的壓力容器，正常時(shí)由液位調(diào)節(jié)回路控制底部液體送往下游工序進(jìn)行加工處理。當(dāng)壓力超過(guò)高限時(shí)會(huì)造成罐體破裂和危險(xiǎn)物料泄漏等危險(xiǎn)事件。經(jīng)過(guò)HAZOP和LOPA分析，擬在設(shè)立安全閥等保護(hù)層之外采用1個(gè)SIF(壓力超高限時(shí)切斷進(jìn)料)作為防止超壓的保護(hù)手段。SIF的完全完整性等級(jí)為SIL2，檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)間間隔T1為1a，平均恢復(fù)時(shí)間MTTR為8h。

圖1 安全儀表系統(tǒng)硬件回路設(shè)計(jì)示例

2.2 安全相關(guān)儀表的失效數(shù)據(jù)

通過(guò)失效模式、影響和診斷分析(FMEDA)可以得到某一設(shè)備某一種失效模式的失效概率，安全失效和危險(xiǎn)失效的比例、診斷覆蓋率也可以很準(zhǔn)確地得到。這些數(shù)據(jù)通常由第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證，該種機(jī)構(gòu)最著名的有TüV萊茵和EXIDA。

針對(duì)圖1示例的需要，收集了安全相關(guān)儀表的失效數(shù)據(jù)，見表2所列。

2.3 硬件安全完整性分析

2.3.1測(cè)量?jī)x表

圖1示例中，采用本安型壓力變送器時(shí)，測(cè)量?jī)x表由壓力變送器和輸入安全柵兩部分組成；采用隔爆型壓力變送器時(shí)，測(cè)量?jī)x表僅由壓力變送器組成。

表2 安全相關(guān)儀表的失效數(shù)據(jù)

首先，根據(jù)要求的SIL進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)約束評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[3]給出了安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束，見表3所列。

表3 B類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束

根據(jù)表2中的失效數(shù)據(jù)，壓力變送器為B類安全相關(guān)設(shè)備，其SFF=93.1%。輸入安全柵也為B類安全相關(guān)設(shè)備，其SFF=95.3%，查表3得，壓力變送器和輸入安全柵的故障裕度為0，即可滿足SIL2。

接下來(lái)搭建不同的表決結(jié)構(gòu)，計(jì)算出測(cè)量?jī)x表在各種結(jié)構(gòu)下的PFD。對(duì)于每一個(gè)子系統(tǒng)的PFD根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，文獻(xiàn)[3]給出了不同的計(jì)算公式，公式適用于測(cè)量?jī)x表子系統(tǒng)、邏輯控制器子系統(tǒng)和最終元件子系統(tǒng)。

“1oo1”結(jié)構(gòu)的PFD計(jì)算公式：

PFD=(λDU+λDD)tCE

(1)

“1oo2”結(jié)構(gòu)的PFD計(jì)算公式：

(2)

“2oo2”結(jié)構(gòu)的PFD計(jì)算公式：

PFD=2(λDU+λDD)tCE

(3)

“2oo3”結(jié)構(gòu)的PFD計(jì)算公式：

(4)

式中：T1——檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)間間隔，h；MTTR——平均恢復(fù)時(shí)間，h；β——具有共同原因的、沒(méi)有被檢測(cè)到的失效分?jǐn)?shù)；λDD——檢測(cè)到的子系統(tǒng)中通道每小時(shí)的危險(xiǎn)失效概率；λDU——未檢測(cè)到的子系統(tǒng)中通道每小時(shí)的危險(xiǎn)失效概率；tCE——通道的等效平均停止工作時(shí)間；tGE——表決組的等效平均停止工作時(shí)間。

(5)

將表2中壓力變送器和輸入安全柵的失效數(shù)據(jù)分別代入到式(1)～(4)，得到壓力變送器在采用本安型和隔爆型兩種防爆方式時(shí)，測(cè)量?jī)x表子系統(tǒng)的PFD，見表4所列。

表4 測(cè)量?jī)x表子系統(tǒng)的PFD

在計(jì)算時(shí)，β取最保守的20%。當(dāng)采用本安型壓力變送器時(shí)，測(cè)量?jī)x表子系統(tǒng)的PFD等于壓力變送器和輸入安全柵的PFD之和；而采用隔爆型壓力變送器時(shí)，測(cè)量?jī)x表子系統(tǒng)的PFD等于壓力變送器的PFD。

2.3.2邏輯控制器

在工業(yè)應(yīng)用中，通常采用獨(dú)立的邏輯控制器，即安全儀表控制系統(tǒng)(SIS-PES)，來(lái)搭建安全儀表系統(tǒng)。安全儀表控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備均冗余設(shè)置，并具有完善的硬件、軟件在線自診斷功能。在出現(xiàn)故障時(shí)可進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換，并自動(dòng)記錄故障報(bào)警提示維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)。其出現(xiàn)故障的概率相對(duì)于測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行器來(lái)說(shuō)是很小的。在設(shè)計(jì)階段主要是綜合考慮全廠所有SIF的SIL的最高要求，并在安全儀表控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書中提出相應(yīng)的要求。假設(shè)圖1示例中采用的是某知名品牌的安全儀表控制系統(tǒng)，根據(jù)其平均故障間隔時(shí)間(MTBF)得出其PFD為0.5×10-4。

2.3.3最終元件

圖1示例中，最終元件是控制閥，由電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門本體三部分組成。

對(duì)于不同SIL的安全儀表系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1]規(guī)定了構(gòu)成安全儀表系統(tǒng)的儀表設(shè)備有不同的故障裕度要求，見表5所列。像閥門這種沒(méi)有故障診斷功能的儀表適合通過(guò)該表來(lái)進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)約束評(píng)價(jià)。

表5 傳感器、最終元件和非PE邏輯解算器的最低硬件故障裕度

文獻(xiàn)[1]允許給予“早先使用”(prior use)且滿足特定條件的設(shè)備高一個(gè)水平的SIL值。查表5得，當(dāng)所選的閥門為“早先使用”且滿足相應(yīng)條件時(shí)，單一的設(shè)備就可應(yīng)用于SIL2的場(chǎng)合。

接下來(lái)再進(jìn)行硬件失效概率分析。電磁閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的β取最保守的20%，閥門本體的β根據(jù)文獻(xiàn)[3]的附錄D進(jìn)行估算，取10%。將表3中電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門本體的失效數(shù)據(jù)分別代入到式(1)～(2)中，得到電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門本體在“1oo1， 2oo2”結(jié)構(gòu)下的PFD：

PFD1oo1(電磁閥)=3.86×10-4

PFD1oo2(電磁閥)=7.74×10-5

PFD1oo1(執(zhí)行機(jī)構(gòu))=1.48×10-3

PFD1oo2(執(zhí)行機(jī)構(gòu))=2.99×10-4

PFD1oo1(閥門本體)=7.61×10-3

PFD1oo2(閥門本體)=8.24×10-4

最終元件的PFD為電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門本體的PFD之和為

PFD1oo1(最終元件)=PFD1oo1(電磁閥)+PFD1oo1(執(zhí)行機(jī)構(gòu))+

PFD1oo1(閥門本體)=9.48×10-3

PFD1oo2(最終元件)=PFD1oo2(電磁閥)+PFD1oo2(執(zhí)行機(jī)構(gòu))+

PFD1oo2(閥門本體)=1.20×10-3

“1oo1”結(jié)構(gòu)的故障率占目標(biāo)故障率10-2的94.8%，要使安全儀表系統(tǒng)的PFD小于10-2從而滿足SIL2，需要選用更可靠的測(cè)量?jī)x表的表決結(jié)構(gòu)和更可靠的可編程邏輯控制器?！?oo1”結(jié)構(gòu)并非完全不能選用，有以下改進(jìn)方法可以嘗試：

1) 選用故障率更低的閥門。通過(guò)式(1)， (5)可以看出，如果減小λDU，λDD的值，將使PFD值相應(yīng)降低。選用故障率更低的閥門可以相應(yīng)降低最終元件的PFD，但是閥門的采購(gòu)成本會(huì)有很大的提高。

2) 改變閥門局部的表決結(jié)構(gòu)，例如電磁閥采用“1oo2”結(jié)構(gòu)：

PFD1oo1(最終元件)=PFD1oo2(電磁閥)+PFD1oo1(執(zhí)行機(jī)構(gòu))+

PFD1oo1(閥門本體)=7.74×10-5+1.48×10-3+

7.61×10-3=9.17×10-3

3) 調(diào)整檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)間間隔。在工藝允許的情況下縮短T1，如果將示例中的T1從1a(8760h)調(diào)整為0.5a(4380h)，將表3中電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門本體的失效數(shù)據(jù)重新代入到式(1)～(2)中，得：

PFD1oo1(最終元件)=PFD1oo1(電磁閥)+PFD1oo1(執(zhí)行機(jī)構(gòu))+

PFD1oo1(閥門本體)=1.93×10-4+7.43×10-4+

3.81×10-3=4.75×10-3

此時(shí)，“1oo1”結(jié)構(gòu)的故障率占目標(biāo)故障率10-2的46.1%，故障率得到了顯著的降低。

最終元件的T1往往受到工藝運(yùn)行周期的制約，一般情況下，最終元件的檢驗(yàn)測(cè)試需要在裝置停車的情況下才能進(jìn)行。因此，裝置從開車到停車的時(shí)間決定了T1，通過(guò)調(diào)整T1的方法來(lái)降低故障率有很大的局限性。

4) 間接調(diào)整檢測(cè)時(shí)間。對(duì)于閥門來(lái)說(shuō)，可以增加部分行程測(cè)試(PST)功能。閥門的部分行程測(cè)試PST(Partial Stroke Testing)是一種在線檢測(cè)緊急切斷閥可靠性的方法。在線檢測(cè)故障就是讓切斷閥作周期性的部分行程動(dòng)作。例如： 切斷閥從全開位置部分關(guān)閉10%～30%行程，按一定的時(shí)間間隔周期性動(dòng)作，以便更好地檢查其閥桿移動(dòng)情況，判斷其功能的好壞。

增加PST功能后，部分不可檢測(cè)的失效概率轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)的失效概率，使相關(guān)子系統(tǒng)的故障率得到改善。該類數(shù)據(jù)可以從第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的FMEDA報(bào)告中得到。將改善的失效數(shù)據(jù)分別代入到式(1)，得到電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門本體在“1oo1”結(jié)構(gòu)下采用PST功能的PFD，三部分之和得到最終元件的PFD：

PFD1oo1(最終元件)=PFD1oo1(電磁閥)+PFD1oo1(執(zhí)行機(jī)構(gòu))+

PFD1oo1(閥門本體)=5.08×10-6+7.87×10-4+

6.24×10-3=7.04×10-3

2.4 可用性分析

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，誤停車會(huì)中斷裝置的正常生產(chǎn)，產(chǎn)生大量不合格品，從而造成經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的可能會(huì)造成某些關(guān)鍵設(shè)備的損耗。因此，用戶不但希望安全儀表系統(tǒng)是足夠安全的，而且也希望安全儀表系統(tǒng)造成的誤停車次數(shù)越少越好。安全儀表系統(tǒng)誤動(dòng)率反映了系統(tǒng)的可用性，也將是評(píng)價(jià)安全儀表系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

安全儀表系統(tǒng)安全要求規(guī)范中，如果存在一個(gè)偽脫扣的目標(biāo)頻率，可以通過(guò)計(jì)算回路的安全失效概率(PFS)來(lái)判斷變送器的表決結(jié)構(gòu)是否合適，這種定量的分析方法本文不再展開討論。

2.5 安全儀表系統(tǒng)的組成方案分析

本文示例所需的安全儀表系統(tǒng)的回路構(gòu)成有多種方案，見表6所列。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同的可用性要求和項(xiàng)目的投資情況來(lái)選擇不同的方案。

對(duì)比方案1和方案2以及方案5和方案6可見，測(cè)量?jī)x表和電磁閥采用“1oo2”結(jié)構(gòu)時(shí)，安全儀表系統(tǒng)的PFD并沒(méi)有得到很大的降低，反而降低了系統(tǒng)的可用性，在安全儀表系統(tǒng)有可用性要求時(shí)這種結(jié)構(gòu)將不適合采用。

方案3相比于方案1，測(cè)量?jī)x表采用“2oo2”結(jié)構(gòu)時(shí)，提高了系統(tǒng)的可用性，但安全儀表系統(tǒng)的PFD卻有了一定的提高，即系統(tǒng)的可靠性有所降低。本例中甚至降低了SIL。而方案4，測(cè)量?jī)x表采用“2oo3”結(jié)構(gòu)，既保證了可靠性又兼顧了可用性。

對(duì)比方案3和方案5可見，安全儀表系統(tǒng)的PFD在測(cè)量?jī)x表采用隔爆型時(shí)顯著低于采用本安型時(shí)。因此，在特定場(chǎng)合測(cè)量?jī)x表采用隔爆型將更有利于安全儀表系統(tǒng)的回路搭建。

方案7，電磁閥采用“2oo2”結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然使安全儀表系統(tǒng)的PFD有了一定的提高，即系統(tǒng)的可靠性有所降低，但是提高了系統(tǒng)的可用性。

對(duì)比方案5和方案9可見，閥門增加PST功能，在不改變工藝大檢修周期的情況下，縮小了T1，可以很大程度地降低安全儀表系統(tǒng)的PFD。當(dāng)然，PST只能檢測(cè)出閥門故障模式中的一部分，不能完全代替完全功能檢測(cè)，且某些工況工藝是不允許閥門作PST的(例如高壓蒸汽管網(wǎng)的放空閥)。因此，在工程應(yīng)用中，PST可以作為提高安全儀表系統(tǒng)可靠性的重要措施而被考慮，但由于其局限性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分理解工藝流程，具體工況具體分析。

表6 安全儀表系統(tǒng)的回路組成方案

2.6 結(jié) 論

綜合上述分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1) 組成滿足相應(yīng)SIL要求的安全儀表系統(tǒng)的方法是多樣的。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)投資、安全儀表功能的SIL、安全儀表系統(tǒng)安全要求規(guī)范中的誤跳車要求等，酌情選擇相應(yīng)的硬件和表決結(jié)構(gòu)。

2) 一個(gè)典型的安全儀表系統(tǒng)由測(cè)量?jī)x表、邏輯控制器、最終元件三部分組成，安全儀表系統(tǒng)的PFD值符合“木桶原理”，即三部分的PFD值最大者決定了回路的PFD值的范圍，很大程度上也就決定了SIF的SIL。這三部分中，最終元件在PFD中占有的比例最大，在進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)時(shí)可以先分析計(jì)算最終元件，得出幾種可能的儀表選型和表決結(jié)構(gòu)，再根據(jù)相應(yīng)的PFD考慮測(cè)量?jī)x表的儀表選型和表決結(jié)構(gòu)。

3) 對(duì)于自控專業(yè)設(shè)計(jì)人員，能夠參與過(guò)程危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是很有必要的。一方面，可以使自控專業(yè)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行回路設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)特定危險(xiǎn)事件發(fā)生的頻率和后果有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)裝置現(xiàn)有的保護(hù)層以及項(xiàng)目對(duì)誤停車的容忍度有一個(gè)更深刻的理解。另一方面，自控專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以反饋搭建安全儀表系統(tǒng)的難易程度和投資規(guī)模等信息，使分析小組得出的安全儀表系統(tǒng)安全要求更加合理。通過(guò)增加保護(hù)層或者降低工藝大檢修周期等措施來(lái)降低SIL要求，相對(duì)于花費(fèi)過(guò)大的投資來(lái)滿足過(guò)高的SIL要求，將顯得更加方便實(shí)施和經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

在石油化工和煤化工設(shè)計(jì)中，安全問(wèn)題是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。通過(guò)上面的步驟，基本上可以解決一般的SIF設(shè)計(jì)問(wèn)題。但是，在設(shè)計(jì)階段取得足夠的安全儀表相關(guān)數(shù)據(jù)以及得到足夠完整的安全要求規(guī)范有一定的難度，只有盡可能地收集足夠多的信息，合理地搭建安全回路子系統(tǒng)的表決結(jié)構(gòu)，才能以最低的成本，滿足最大化的安全性和可靠性要求。

參考文獻(xiàn)：

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