嚴(yán) 龍, 于 芳, 牟洪祥, 王海清

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，青島, 266071; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)安全科學(xué)與工程系，青島, 266580)

石油化工企業(yè)火氣系統(tǒng)安全性評(píng)估方法

嚴(yán) 龍1, 于 芳2*, 牟洪祥1, 王海清2

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，青島, 266071; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)安全科學(xué)與工程系，青島, 266580)

火氣系統(tǒng)屬于減緩層內(nèi)的安全儀表系統(tǒng)，在減輕事故后果方面起到非常重要的作用。針對(duì)傳統(tǒng)火氣系統(tǒng)只滿足功能需求設(shè)計(jì)的不足，提出與風(fēng)險(xiǎn)分析相結(jié)合的火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念，以具體案例分析場(chǎng)景危險(xiǎn)性，通過覆蓋率、可用性、有效性等參數(shù)，定量場(chǎng)景的潛在生命損失，以風(fēng)險(xiǎn)降低為目的，量化計(jì)算事故后果和頻率，評(píng)估火氣系統(tǒng)的有效性。

火氣系統(tǒng); 有效性; 可用性; 失效概率

0 引言

火氣系統(tǒng)是執(zhí)行火災(zāi)和氣體檢測(cè)及控制等安全儀表功能的全部傳感器、邏輯運(yùn)算器、終端執(zhí)行元件所組成的集合。在石油化工企業(yè)中，火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是在基本過程控制層和緊急停車層之外構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的保護(hù)層，形成多層的安全系統(tǒng)模式[1]?，F(xiàn)有的火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范側(cè)重于滿足常規(guī)功能性指標(biāo)的要求，對(duì)覆蓋率、可靠性、有效性三方面沒有進(jìn)行整體分析和評(píng)估，隨著國(guó)際上火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，一些規(guī)范如IEC61511，NFPA72，ISA TR84.00.07在國(guó)內(nèi)的推廣，相應(yīng)的火氣系統(tǒng)有效性評(píng)估技術(shù)和方法也應(yīng)在國(guó)內(nèi)的工程實(shí)踐中應(yīng)用。

1 火氣系統(tǒng)評(píng)估分析

火氣系統(tǒng)由于行為和結(jié)果的不可預(yù)知性，使得火氣系統(tǒng)的有效性評(píng)估一直處于爭(zhēng)議狀態(tài)。2010年美國(guó)ISA協(xié)會(huì)頒布了ISA TR84.00.07(火氣系統(tǒng)有效性評(píng)估指南)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)首次提出了火氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段的生命周期，并且明確強(qiáng)調(diào)了影響火氣系統(tǒng)有效性的3個(gè)要素：探測(cè)器覆蓋率、火氣系統(tǒng)的安全可用性以及減緩有效性。ISA TR84.00.07標(biāo)準(zhǔn)建議將火氣系統(tǒng)有效性評(píng)估的三要素通過事件樹方法(ETA：Event Tree Analysis)進(jìn)行分析，并用加權(quán)平均后果定量火氣系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

火氣系統(tǒng)的傳感部分一般是指氣體和火災(zāi)探測(cè)器，除了可靠性外，探測(cè)器的布點(diǎn)位置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全性有重要的影響，GB50493中要求檢(探)測(cè)點(diǎn)布置在泄漏源不同的方向上[2]，GB50116中要求探測(cè)器的安裝應(yīng)依據(jù)探測(cè)器的保護(hù)面積、保護(hù)半徑和安裝間距的極限曲線來設(shè)定[3]，本文案例中探測(cè)器的布點(diǎn)位置按照相關(guān)規(guī)范設(shè)置，初始事件發(fā)生的地點(diǎn)在探測(cè)器覆蓋的范圍之內(nèi)。

火氣系統(tǒng)的組成器件均有失效概率，圖1是火氣系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，火氣系統(tǒng)可用性的計(jì)算要將火災(zāi)和氣體傳感器、邏輯器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平均要求失效概率加起來(并用1減)[4]。要求失效概率有多種計(jì)算方法，如簡(jiǎn)單方程法、故障樹分析法、馬爾科夫分析法

圖1 火氣系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Simple structure of FGS

等，本文采用故障樹法分析火氣系統(tǒng)的可用性。

火氣系統(tǒng)的執(zhí)行器，如工藝停車系統(tǒng)、疏散報(bào)警系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)功能時(shí)對(duì)事故緩解的效果不同，不同執(zhí)行器的有效性評(píng)估方法不同且評(píng)估過程相對(duì)復(fù)雜，本文對(duì)緩解有效的火氣系統(tǒng)評(píng)估值為1，否則為0[5]。

2 火氣系統(tǒng)有效性評(píng)估案例

該三相分離器設(shè)在平臺(tái)底層，此臥式三相分離器規(guī)格是Φ4000 mm×16000 mm，容積200 m3，操作壓力和操作溫度分別是0.55 MPa和40 ℃～50 ℃。該三相分離器的工作介質(zhì)是含水原油，其進(jìn)油含水量為68%～95%，原油物性見表1。

表1 含水原油物性

2.1 介質(zhì)危險(xiǎn)性分析

平臺(tái)進(jìn)油含水含鹽量較高，高含水會(huì)加劇三相分離器的腐蝕速度，高含鹽會(huì)影響分離的質(zhì)量[6]。根據(jù)表1所列，該原油屬于重質(zhì)原油，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量偏高，會(huì)在三相分離器的內(nèi)部產(chǎn)生較多的沉淀，尤其易在聚結(jié)板的周向器壁以及焊縫處發(fā)生聚結(jié)堵塞，造成腐蝕穿孔[7]。該三相分離器的操作溫度易使原油結(jié)臘，且在40 ℃～50 ℃的溫度范圍內(nèi)利于腐蝕過程的進(jìn)行。

綜上分析，平臺(tái)三相分離器易發(fā)生腐蝕穿孔導(dǎo)致原油泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)火災(zāi)爆炸等事故。本文以三相分離器出油管線腐蝕泄漏為初始事件場(chǎng)景，分析原油從腐蝕部位連續(xù)泄漏，遇到點(diǎn)火源可能發(fā)生噴射火、池火和爆炸等后果，下面以平臺(tái)復(fù)合火焰報(bào)警為例對(duì)火氣系統(tǒng)的安全有效性進(jìn)行評(píng)估。

2.2 火氣系統(tǒng)的復(fù)合火焰報(bào)警

該平臺(tái)上設(shè)有16臺(tái)火焰探測(cè)器，由于泄漏而引發(fā)的火災(zāi)被兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上的火焰探測(cè)器檢測(cè)到并觸發(fā)平臺(tái)的復(fù)合火焰報(bào)警。復(fù)合火焰報(bào)警信號(hào)經(jīng)SIS PLC邏輯處理后發(fā)送信號(hào)至電動(dòng)消防泵，并打開相應(yīng)的消防水閥和泡沫閥進(jìn)行滅火處理，圖2是復(fù)合火焰報(bào)警滅火系統(tǒng)的故障樹邏輯圖。

為寵物制定的反射療法、針灸、足療、水療這些在澳大利亞都非常流行，對(duì)于主人來說，養(yǎng)寵物實(shí)在是筆不菲的開支。除了讓寵物們吃好喝好住好，盡情享受生活，主人們還會(huì)給愛寵買保險(xiǎn)。正是這樣的用心，寵物及相關(guān)行業(yè)十分興盛，每年可以為澳大利亞創(chuàng)造接近100億澳元(約人民幣509億元)的價(jià)值。

四臺(tái)電動(dòng)消防泵按兩用兩備設(shè)置，其中P6001A與P6001B為主泵，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)先啟動(dòng)主泵，主泵故障報(bào)警或者泵出口壓力30 s后未建立立即啟動(dòng)備用泵。復(fù)合火焰報(bào)警邏輯中任一部分發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致火氣系統(tǒng)不能正常工作，復(fù)合火焰報(bào)警的設(shè)備參數(shù)見表2。

圖2 復(fù)合火焰報(bào)警滅火系統(tǒng)故障樹邏輯圖Fig.2 Logic diagram of composite fire alarm in extinguishing system

表2 復(fù)合火焰報(bào)警設(shè)備參數(shù)

Table 2 Parameters of the devices in composite fire alarm

序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量參數(shù)(fits)λMTTRTISFF1火焰探測(cè)器Generic21800812692邏輯控制器Generic1oo2D1235812803消防水泵Genericpump49770812604消防水閥Globevalve1215081205泡沫閥Globevalve1215081206繼電器Genericrelay860081260

注:參數(shù)的單位為fits，1 fits=109h；λ為失效率；MTTR為平均修復(fù)時(shí)間；TI為檢測(cè)時(shí)間；SFF為安全失效分?jǐn)?shù)。

該滅火系統(tǒng)的平均失效概率PFDF&G計(jì)算公式為[8]：

PFDFGS=∑PFDSi+∑PFDAi

+∑PFDLi+∑PFDFSi

(1)

式中：PFDSi為火氣系統(tǒng)的傳感器的平均失效概率；

PFDLi為火氣系統(tǒng)的邏輯器的平均失效概率；

PFDAi為火氣系統(tǒng)的執(zhí)行器的平均失效概率。

經(jīng)RiskSpectrum軟件計(jì)算得出復(fù)合火焰報(bào)警滅火系統(tǒng)的PFDF&G為0.0396，即系統(tǒng)的可用性為0.9604。

2.3 場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)分析

該平臺(tái)三相分離器兩端分別設(shè)置一個(gè)火焰探測(cè)器以檢測(cè)火災(zāi)，兩個(gè)火焰探測(cè)器的原理都是紫外/紅外復(fù)合式，為滿足海洋平臺(tái)敏感場(chǎng)所要求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FM3260標(biāo)準(zhǔn)要求，火焰探測(cè)器采用低閾值的探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，探測(cè)器有效距離為5 m。為了準(zhǔn)確驗(yàn)證三相分離器周圍火焰探測(cè)器的覆蓋率，本文采用性能可靠的GCV軟件對(duì)發(fā)生原油泄漏的區(qū)域進(jìn)行覆蓋率建模。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BPGB30-85火焰探測(cè)器風(fēng)險(xiǎn)層設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，GCV軟件首先會(huì)在危險(xiǎn)周圍2 m的空間內(nèi)生成等級(jí)為B的風(fēng)險(xiǎn)層，風(fēng)險(xiǎn)層由n，x網(wǎng)格形成，如果網(wǎng)格在火焰探測(cè)器有效角度和范圍內(nèi)，則網(wǎng)格會(huì)被標(biāo)識(shí)成被探測(cè)器覆蓋，其他的則會(huì)被標(biāo)識(shí)成不被探測(cè)器覆蓋。計(jì)算2個(gè)或者更多探測(cè)器覆蓋下的網(wǎng)格數(shù)占總網(wǎng)格的百分比即是復(fù)合探測(cè)器的覆蓋率。通過對(duì)不同的后果模擬，發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)三相分離器的兩個(gè)火焰探測(cè)器覆蓋率達(dá)到95%以上，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)三相分離器易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域在火焰探測(cè)器覆蓋的范圍內(nèi)，因此泄漏場(chǎng)景的事件樹主要對(duì)火氣系統(tǒng)的可用性和緩解有效性進(jìn)行分析(圖3)。

圖3 三相分離器泄漏事件樹分析Fig.3 Leakage analysis about three phase separator using ETA

根據(jù)安全管理要求，該平臺(tái)上每2個(gè)小時(shí)安排1人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢，巡檢一次時(shí)間為30 min，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料表明，火氣系統(tǒng)的可用性一般在0.95左右，粗略估計(jì)在無F&G系統(tǒng)保護(hù)下的人員傷亡數(shù)為1人，為驗(yàn)證復(fù)合報(bào)警的有效性是否達(dá)到安全要求，假設(shè)復(fù)合報(bào)警的平均失效概率為0.05，由OREDA數(shù)據(jù)庫知三相分離器介質(zhì)泄漏的頻率為8.5381×10-3/a[9]，直接點(diǎn)火、延遲點(diǎn)火以及點(diǎn)火導(dǎo)致爆炸的值分別為0.15、0.3和0.2[10]。

該事件樹的潛在生命損失(PLL：Potential Life Loss)計(jì)算公式為：

(2)

flife=foccupancy×faccident

(3)

fPLL=Ndeath×flife

(4)

式中：fi為該事件樹的初始事件和安全功能，i=1,2,,,8，n=3,4,7；

Ndeath為死亡或者重傷致殘人數(shù)，Ndeath=0,1；

faccident、flife和fPLL分別為事故頻率、生命安全頻率以及潛在生命損失頻率。

由事故后果以及相關(guān)事故頻率計(jì)算泄漏場(chǎng)景的PLL為6.6213×10-5/a，對(duì)比該企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖(表 3)可知在平均失效概率為0.05的火氣系統(tǒng)保護(hù)下的風(fēng)險(xiǎn)是可容忍的。而根據(jù)表2數(shù)據(jù)計(jì)算得出該平臺(tái)的復(fù)合火焰報(bào)警平均失效概率為0.0396，火氣系統(tǒng)的可靠性為0.9604(>0.95)，其可靠性比一般要求下的火氣系統(tǒng)的可靠性更高，因此該平臺(tái)火氣系統(tǒng)的有效性達(dá)到安全要求，火氣系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)工藝安全生產(chǎn)不可或缺。

表3 企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)矩陣縮略圖

注：圖中深色區(qū)域表示不可容忍的風(fēng)險(xiǎn)；淺色區(qū)域表示可容忍的風(fēng)險(xiǎn)；淡色區(qū)域表示低風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

火氣系統(tǒng)因其特殊性應(yīng)獨(dú)立于安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，形成單獨(dú)的保護(hù)層，防止事故后果擴(kuò)大，火氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮探測(cè)器覆蓋率、系統(tǒng)可用性和緩解有效性三方面重要因素?；饸庀到y(tǒng)的安全性評(píng)價(jià)可采用事件樹的方法，本文針對(duì)三相分離器泄漏事故，以潛在生命損失為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，計(jì)算出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)下事故的風(fēng)險(xiǎn)水平處于可接受的狀態(tài)，而實(shí)際火氣系統(tǒng)對(duì)事故后果的緩解程度比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)下的更優(yōu)，滿足安全生產(chǎn)的需求，對(duì)于在用的火氣系統(tǒng)，要結(jié)合上述方面進(jìn)行功能驗(yàn)證，必要時(shí)進(jìn)行改造，使之滿足要求。

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Method of the evaluation of fire, combustible gas and toxic gas system effectiveness in petrochemical industry

YAN Long1, YU Fang2, MOU Hongxiang1, WANG Haiqing2

(1.Sinopec, Qingdao Safety Engineering Institute,Qingdao 266071, China; 2.China University of Petroleum(East China), Safety Science and Engineering, Qingdao 266580, China)

Fire & Gas system, as a mitigation layer of safety instrument system, is important to mitigate the outcome of hazard. This paper combines risk concept with F&G system to quantify the frequency and consequences of accident and assess the effectiveness of F&G system. Case studies of specific risk scenarios are conducted, in which factors of coverage, availability and effectiveness are used for analysis.

Fire & Gas system; Effectiveness; Availability; PFD

2016-10-19；修改日期：2016-12-29

山東省自然科學(xué)基金(ZR2013EEM030)

嚴(yán)龍，1977，碩士，高級(jí)工程師，主要從事火氣檢測(cè)和功能安全的研究工作。

于芳, 495874852@qq.com

1004-5309(2017)-00122-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.09

X93; X932

A