張星華

(河北生特瑞工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050011)

液化氣儲(chǔ)罐的安全風(fēng)險(xiǎn)很大，國(guó)內(nèi)液化氣罐區(qū)的安全事故近年也時(shí)有發(fā)生，損失慘重。為了削減風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)新出臺(tái)多個(gè)指導(dǎo)意見，從自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)構(gòu)成一、二級(jí)重大危險(xiǎn)源的液化氣罐區(qū)作出明確規(guī)定，必須配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)(SIS)。SIS在大型液化氣罐區(qū)中的應(yīng)用勢(shì)在必行，對(duì)其安全完整性等級(jí)(SIF)的定級(jí)也成為工藝安全專業(yè)一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

SIF定級(jí)的方法有安全層矩陣法、校正的風(fēng)險(xiǎn)圖、風(fēng)險(xiǎn)圖和保護(hù)層分析(LOPA)等方法[1]。由于給定了場(chǎng)景頻率和后果的具體數(shù)值，LOPA這種半定量分析方法提供了更具可靠性的風(fēng)險(xiǎn)判斷，并且與定量分析方法相比花費(fèi)的時(shí)間少，可以更快地達(dá)成風(fēng)險(xiǎn)判斷。綜合考慮較高的精確分析、易于操作和高效等因素，本文選擇采用LOPA方法，進(jìn)行了液化氣罐區(qū)SIS的SIL定級(jí)。

1 LOPA簡(jiǎn)介[2-3]

LOPA即保護(hù)層分析，是一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，是在定性危害分析(HAZOP等)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)具體的場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相對(duì)量化(準(zhǔn)確到數(shù)量級(jí))的研究，其過程為分析工藝風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估獨(dú)立保護(hù)層(IPL)的效果，確定現(xiàn)有保護(hù)層的總體性能。比較風(fēng)險(xiǎn)程度與可容忍標(biāo)準(zhǔn)之間的差距，確定是否需要安全儀表功能(SIF)，并確定每個(gè)SIF所需的安全完整性等級(jí)(SIL)。

LOPA基本流程圖見圖1。

圖1 LOPA基本流程圖

2 分析過程

2.1 場(chǎng)景識(shí)別和篩選

LOPA分析中的場(chǎng)景信息來源于HAZOP分析、故障假設(shè)分析、安全檢查表、事故樹假設(shè)分析等危害分析的結(jié)果，以及生產(chǎn)運(yùn)行問題、變更、事故事件或安全儀表功能審查。HAZOP分析雖然需要更多的詳細(xì)信息，但卻能更加全面地識(shí)別出給定系統(tǒng)的危險(xiǎn)和設(shè)計(jì)缺陷。HAZOP分析節(jié)點(diǎn)中每個(gè)偏差、原因、后果構(gòu)成了一個(gè)場(chǎng)景，且采用定性的方法對(duì)場(chǎng)景后果的嚴(yán)重性進(jìn)行了評(píng)估，后果嚴(yán)重性評(píng)估分級(jí)可參考文獻(xiàn)[4]。由于HAZOP分析的節(jié)點(diǎn)較多，根據(jù)事故后果嚴(yán)重性進(jìn)行篩選，篩選出嚴(yán)重后果4級(jí)及以上的節(jié)點(diǎn)作為L(zhǎng)OPA分析的場(chǎng)景。

2.2 初始事件的確認(rèn)

將HAZOP分析中引起偏差的原因再細(xì)分為獨(dú)立的初始事件(如“冷卻失效”可細(xì)分為冷卻劑泵故障、電力故障或控制回路失效)，以便于識(shí)別獨(dú)立保護(hù)層。并確認(rèn)已辨識(shí)出所有的潛在初始事件，確保無遺漏。

2.3 獨(dú)立保護(hù)層評(píng)估

HAZOP分析中的現(xiàn)有安全措施包含了獨(dú)立的或非獨(dú)立的保護(hù)層，注意獨(dú)立保護(hù)層需要滿足獨(dú)立性、有效性和可審查性。

典型的獨(dú)立保護(hù)層有固有的安全設(shè)計(jì)特征、基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)、報(bào)警系統(tǒng)和人員響應(yīng)、安全儀表系統(tǒng)、壓力釋放系統(tǒng)、釋放后的保護(hù)設(shè)施、工廠和公眾緊急響應(yīng)等。作為獨(dú)立保護(hù)層需要特別注意以下要求：

a)安全儀表系統(tǒng)在功能上獨(dú)立于BPCS；

b)報(bào)警后的操作人員應(yīng)有足夠的時(shí)間響應(yīng)，其任務(wù)具有單一性和可操作性；

c)壓力釋放系統(tǒng)起作用后避免造成其他危害，還需考慮在腐蝕、堵塞、不恰當(dāng)維護(hù)等環(huán)境下使用高的PFD值；

d)釋放后的保護(hù)設(shè)施應(yīng)獨(dú)立于場(chǎng)景中的其他保護(hù)層，因此可燃有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、防中毒的正壓通風(fēng)系統(tǒng)及中和系統(tǒng)、與消防聯(lián)動(dòng)的控制系統(tǒng)等需要獨(dú)立于BPCS系統(tǒng)。

2.4 場(chǎng)景頻率的計(jì)算

單一場(chǎng)景、低要求模式下的后果發(fā)生頻率計(jì)算如下：

式中：

PFDij—初始事件i中第j個(gè)阻止后果C發(fā)生的獨(dú)立保護(hù)層IPL的失效概率PFD；

表1 安全儀表功能的安全完整性等級(jí)(低要求操作模式)[6]

初始事件的發(fā)生頻率和IPL的PFD數(shù)據(jù)可采用行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或企業(yè)歷史數(shù)據(jù)，低要求操作模式時(shí)安全儀表功能的失效概率按照表1確定。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與建議

根據(jù)場(chǎng)景頻率計(jì)算結(jié)果和后果等級(jí)，與表2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣比較。以風(fēng)險(xiǎn)盡可能低為原則，將表2中的低風(fēng)險(xiǎn)作為可容許風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)小于場(chǎng)景可容許風(fēng)險(xiǎn)，繼續(xù)下一場(chǎng)景的LOPA分析；計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)大于場(chǎng)景可容許風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)建議滿足可容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)所需采取的措施，并確定擬采取措施的PFD，以將風(fēng)險(xiǎn)降低到可容許風(fēng)險(xiǎn)之下。

表2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣

注：風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)說明：低：不需要采取行動(dòng)；中：可選擇性的采取行動(dòng)；高：選擇合適的時(shí)機(jī)采取行動(dòng)；很高：立即采取行動(dòng)。

3 液化氣球罐區(qū)的保護(hù)層分析

本文以單臺(tái)液化氣球罐為例，球罐設(shè)有液位、壓力、溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表，并在DCS系統(tǒng)設(shè)有液位高限、高高限報(bào)警，壓力高限報(bào)警和溫度高限報(bào)警；球罐頂部設(shè)有2個(gè)安全閥，每個(gè)都能滿足事故狀態(tài)下泄放量的要求，安全閥前后分別設(shè)置1個(gè)全通徑切斷閥，實(shí)現(xiàn)安全閥定期校驗(yàn)時(shí)的在線備用；另外設(shè)置一個(gè)安全閥副線，作為緊急放空線。

根據(jù)HAZOP分析作為場(chǎng)景信息來源，篩選出后果等級(jí)5級(jí)的節(jié)點(diǎn)組成如表3所示LOPA場(chǎng)景。

表3 篩選出的LOPA場(chǎng)景

根據(jù)表2的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，對(duì)于事故后果嚴(yán)重等級(jí)為5級(jí)，事件頻率大于1×10-4/a即無法接受，應(yīng)采取行動(dòng)對(duì)其進(jìn)行改正。事件頻率小于1×10-6/a為可接受，無需采取行動(dòng)。介于此兩者之間的場(chǎng)景則依成本、可行性等允許有一定的靈活性。

3.1 場(chǎng)景1分析

選定IE為液位BPCS回路失效，根據(jù)相關(guān)的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)，其發(fā)生頻率取值為10-1/a；液位BPCS回路失效而出現(xiàn)超壓導(dǎo)致設(shè)備法蘭密封泄漏條件下的概率為1；著火概率1，影響區(qū)域內(nèi)的人員存在概率0.5，人員傷亡概率0.5。

現(xiàn)有的安全閥泄放排至火炬系統(tǒng)，并且一用一備，在定期維護(hù)前提下可以作為獨(dú)立保護(hù)措施，其失效概率取10-2/a；雖然設(shè)有可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，但由于是事后補(bǔ)救措施且無法量定其效果，故不將其作為獨(dú)立保護(hù)層。

減緩前的事故概率為：

f減緩前=0.1×1×1×0.5×0.5×10-2=2.5×10-4/a

事故頻率已經(jīng)超過可接受值，因此需要考慮增加SIF功能，在球罐的進(jìn)口管線上設(shè)置緊急切斷閥，球罐增加液位開關(guān)，液位高高限聯(lián)鎖切斷進(jìn)口切斷閥，其最低的PFD值為1×10-3，按照表1，對(duì)應(yīng)的完整性等級(jí)可取SIL2。

3.2 場(chǎng)景2分析

選定大的外部火災(zāi)為初始事件，其發(fā)生頻率取值10-2/a；火災(zāi)情況下出現(xiàn)超壓導(dǎo)致設(shè)備法蘭密封泄漏條件下的概率為1；著火概率1，影響區(qū)域內(nèi)的人員存在概率0.5，人員傷亡概率0.5。

根據(jù)場(chǎng)景1中的分析，安全泄放系統(tǒng)可作為獨(dú)立保護(hù)層。

減緩前的事故概率為：

f減緩前=0.01×1×1×0.5×0.5×10-2=2.5×10-5/a

上述事故頻率為企業(yè)可接受值，但根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)盡可能低原則，如有條件可考慮增加其他保護(hù)層，采取進(jìn)一步行動(dòng)降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 場(chǎng)景3分析

球罐切水作業(yè)過程中的人員操作失誤(人員操作結(jié)束未關(guān)閉切水閥門而離開)作為初始事件，其發(fā)生頻率取值為10-1/次，每年切水作業(yè)共4次，總的發(fā)生頻率為4×10-1/a；人員操作失誤引起液化氣泄漏的概率為1，著火概率為1，影響區(qū)域內(nèi)的人員存在概率0.5，人員傷亡概率0.5。

減緩前的事故頻率為：

f減緩前=0.4×1×1×0.5×0.5=1×10-2/a

現(xiàn)有的事故頻率遠(yuǎn)大于容許值，因此將排水閥改為彈壓式開關(guān)閥，由于其具有自行關(guān)閉功能，人員離開將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，確保操作安全，因此此場(chǎng)景彈壓式開關(guān)閥的失效成為場(chǎng)景3的使能條件，其發(fā)生概率為0.1。減緩前的事故頻率改為：

f減緩前=0.4×1×1×0.5×0.5×0.1=1×10-2/a

上述事故頻率依然高于可接受值，仍需進(jìn)一步行動(dòng)。分析認(rèn)為脫水作業(yè)主要依靠人員操作完成，人員的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，因此建議增加二次脫水罐，實(shí)行密閉脫水，通過本質(zhì)安全設(shè)計(jì)消除此場(chǎng)景的事故風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文通過保護(hù)層分析法，對(duì)液化氣球罐區(qū)的安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行了SIL評(píng)估，確定增加液位高高聯(lián)鎖切斷緊急切斷閥的SIF功能，其安全完整性等級(jí)為SIL2。通過分析，從本質(zhì)安全設(shè)計(jì)角度出發(fā)，還提出了改進(jìn)脫水作業(yè)操作的建議。

參考文獻(xiàn)

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