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        安全儀表系統(tǒng)SIL 評估技術(shù)在煤氣化裝置的應(yīng)用

        2019-09-16 03:36:36趙振峰
        云南化工 2019年7期
        關(guān)鍵詞:煤漿氣化爐后果

        胡 川,趙振峰

        (中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院,山東 青島 266101)

        1 引言

        近年來,隨著國內(nèi)外大力發(fā)展煤化工項目,煤氣化裝置也越來越多的出現(xiàn)在大家的視野。煤氣化裝置生產(chǎn)過程中,氣化反應(yīng)生成的粗合成氣中含H2、CO 和H2S 等具有易燃易爆性質(zhì)的危險物料,同時粗合成氣溫度和壓力都高,一旦泄露會引起火災(zāi),CO 和H2S 還可能導(dǎo)致人員中毒。安全儀表系統(tǒng)作為氣化單元重要的保護層,安全儀表系統(tǒng)的準(zhǔn)確評估對裝置的安全運行有著重大的意義。

        煤氣化的基本原理是將經(jīng)過適當(dāng)處理的煤送入氣化爐內(nèi),在一定的溫度和壓力下,通過氧化劑以一定的流動方式轉(zhuǎn)化成氣體,得到粗制水煤氣。

        煤氣化技術(shù)可按反應(yīng)器(氣化爐)內(nèi)煤與氧化劑接觸的方式分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化和熔浴氣化。

        本文以GE 德士古(TEXACO)水煤漿氣化為例,對其安全儀表系統(tǒng)進行SIL 評估分析。GE德士古(TEXACO)水煤漿氣化技術(shù)屬于氣流床氣化技術(shù)。水煤漿氣化的特點是對煤的適應(yīng)范圍較寬、煤氣質(zhì)量好、技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、投資低、連續(xù)生產(chǎn)性強。

        2 安全儀表系統(tǒng)SIL 評估簡介

        安全儀表系統(tǒng)作為石化及化工企業(yè)各裝置中重要的保護層,是事故發(fā)生前的最后一道保護措施,因此可靠有效的安全儀表系統(tǒng)對石化裝置的安全穩(wěn)定運行有著十分重要的意義。

        與基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)不同,安全儀表系統(tǒng)(SIS)是靜態(tài)的,正常生產(chǎn)過程中,系統(tǒng)的輸出不變,對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生影響,在異常工況下,它將按著預(yù)先設(shè)計的策略進行邏輯運算,使生產(chǎn)裝置安全停車。

        SIL 評估是基于國際功能安全標(biāo)準(zhǔn)《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》(GB/T 20438-2017)[1]和《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》(GB/T 21109-2007)[2]。SIL 評估工作分為SIL 定級和SIL 驗證。

        SIL 定級是確定各SIF 回路的SIL 等級的過程。定級方法有風(fēng)險矩陣法、風(fēng)險圖法和保護層分析法(LOPA)。其中保護層分析法(LOPA)是一種半定量的風(fēng)險評估方法,用于確定發(fā)現(xiàn)的危險場景的危險程度,定量計算危害發(fā)生的概率,已有保護層的保護能力及失效概率,如果發(fā)現(xiàn)保護措施不足,可以推算出需要的保護措施的等級。SIL 定級步驟如圖1 所示。

        SIL 驗證工作是評估各SIF 回路的現(xiàn)有儀表設(shè)置情況能否滿足所需的安全完整性等級要求。SIL 驗證是從結(jié)構(gòu)約束和要求時的平均失效概率(PFDavg)兩個方面進行評估。

        SIF 回路結(jié)構(gòu)約束的影響因素有儀表類型(邏輯控制器、傳感器、最終元件、非邏輯控制器)、安全失效分?jǐn)?shù)(Safe Failure Fraction,SFF)和硬件故障裕度(Hardware Fault Tolerance,HFT)。

        SIF 回路的PFDavg 建模計算方法[3]主要有可靠性框圖法(RBD)、故障樹法(FTA)和馬爾可夫模型法(Markov)。其中馬爾可夫模型更加準(zhǔn)確,但模型復(fù)雜,一般需采用軟件進行建模計算。

        圖1 LOPA 分析流程圖

        3 SIL 定級分析

        3.1 工藝流程簡介

        煤氣化裝置中聯(lián)鎖設(shè)置主要集中在氣化單元,本文以氣化單元中典型的聯(lián)鎖為例進行定級分析,介紹SIL 評估技術(shù)。

        氣化單元中氣化爐有兩路進料,一路為來自煤漿槽(T201)的水煤漿,通過高壓煤漿進料泵(P201)輸送至氣化爐(R001),另一路為來自空分裝置的氧氣進入工藝燒嘴的外環(huán)隙及中心管。在氣化爐中,氧氣和水煤漿進行切割霧化,在氣化爐燃燒室內(nèi)發(fā)生部分氧化反應(yīng),生成以H2和CO 為主的粗合成氣,然后進入氣化爐洗滌室進行洗滌。流程簡圖見圖2。

        3.2 主要聯(lián)鎖簡介

        氣化爐停車順控啟動條件如下:

        1)煤漿流量低低;

        2)氧氣流量低低;

        3)氧煤比高高;

        4)氣化爐合成氣出口溫度高高;

        5)氣化爐激冷室液位低低;

        6)燒嘴冷卻水流量差高高;

        7)燒嘴冷卻水出入口溫差高高;

        8)煤漿壓力和氣化爐出口工藝氣壓差低低。

        氣化爐停車動作如下:

        1)關(guān)氧氣切斷閥XV104、XV105、XV106;關(guān)氧氣流量調(diào)節(jié)閥FV101、FV102、HV103;

        2)停煤漿給料泵P201;

        3)關(guān)煤漿切斷閥XV201、XV202;

        4)開氮氣吹掃閥;

        5)關(guān)合成氣調(diào)節(jié)閥HV401、HV402。

        3.3 SIL 定級

        本文以停車條件中的煤漿流量低低為例展開SIL 定級分析。

        由于LOPA 分析方法是針對單一場景的分析方法,因此應(yīng)對該聯(lián)鎖進行分析,將各聯(lián)鎖動作按其保護的場景進行拆分。分析步驟如下:

        1)選擇事故場景。

        煤漿進料流量低低,將造成汽化爐氧煤比增高,達(dá)到爆炸極限,造成汽化爐爆炸,導(dǎo)致人員傷亡。

        根據(jù)中國石化安全風(fēng)險矩陣分別從健康和安全影響、財產(chǎn)損失影響、非財務(wù)與社會影響、環(huán)境影響四個方面確定相應(yīng)的事故后果嚴(yán)重性等級。

        考慮現(xiàn)場日常巡檢人員的巡檢頻率以及該裝置檢維修任務(wù)較多,當(dāng)汽化爐發(fā)生爆炸,在爆炸范圍內(nèi)可能造成界區(qū)內(nèi)3~9 人死亡的后果,健康和安全影響后果等級為E;

        爆炸后果導(dǎo)致汽化爐及相關(guān)設(shè)備損壞,財產(chǎn)損失影響可能達(dá)到1000 萬以上,后果等級為E;

        綜合考慮事故發(fā)生導(dǎo)致人員及財產(chǎn)后果的嚴(yán)重性,非財務(wù)與社會影響可能造成國內(nèi)或國際媒體的短期負(fù)面報道,后果等級為D;

        該場景下發(fā)生爆炸導(dǎo)致CO 等有毒氣體泄漏,可能造成企業(yè)界區(qū)內(nèi)的環(huán)境受到影響,環(huán)境影響的后果等級定為B。

        2)使能條件、點火概率及人員暴露概率確認(rèn)。

        使能條件是指當(dāng)初始事件發(fā)生后,需在一定條件下才可能導(dǎo)致事故后果的發(fā)生。根據(jù)企業(yè)氣化爐的使用及檢維修頻率,每臺氣化爐的年使用時間比例約為0.7,僅有當(dāng)氣化爐使用期間才可能發(fā)生該事故。因此該場景考慮采用使能條件因子0.7 來進行修正。

        點火概率是指當(dāng)物料泄漏等情況出現(xiàn),發(fā)生火災(zāi)或爆炸的概率,該場景下由于處于高溫情況下,一旦氧煤比達(dá)到爆炸極限,會立即發(fā)生爆炸事故,因此此處點火概率取1。

        人員暴露概率是指泄漏火災(zāi)爆炸等事故發(fā)生時,人員出現(xiàn)在影響區(qū)域內(nèi)的時間比例。根據(jù)裝置的巡檢人員數(shù)量及頻率、日常檢維修人員數(shù)量及頻率等裝置情況綜合考慮,該場景下人員暴露概率取1。

        3)初始事件(IE)確認(rèn)。

        本場景分析的觸發(fā)條件為煤漿流量低低。通過討論,導(dǎo)致煤漿流量低低的初始事件如下:

        a) 煤漿泵故障停;

        b) 煤漿泵單缸入口閥卡澀;

        c) 煤漿管道堵塞;

        d) 煤漿泵變頻器控制回路失效,煤漿泵轉(zhuǎn)速變小。

        4)獨立保護層(IPL)分析。

        依次分析每一個初始事件下獨立保護層。獨立保護層按功能分為本質(zhì)安全設(shè)計、基本過程控制系統(tǒng)、報警及人員響應(yīng)、安全儀表系統(tǒng)、物理保護、工廠及社會響應(yīng)。

        考慮到一旦初始事件發(fā)生,煤漿流量低或機泵停車觸發(fā)報警,人員沒有足夠的時間進行操作避免后果的發(fā)生,因此報警及人員響應(yīng)不作為該場景的獨立保護層。

        當(dāng)煤漿流量降低時會導(dǎo)致汽化爐氧煤比升高,因此汽化爐氧煤比高高聯(lián)鎖汽化爐停車可作為該場景的保護層,按SIL3 進行考慮。

        5)場景頻率計算。

        綜合該場景下的初始事件、使能條件、點火概率、人員暴露概率及后果嚴(yán)重性等級,得到該場景的初始風(fēng)險,如表1 所示。初始風(fēng)險計算公式見式1。

        式中:PI為初始風(fēng)險的頻率,PIE為初始事件頻率,λEN為使能條件概率,λFI為點火概率,λEP為人員暴露概率。

        各初始事件所在場景考慮保護層后,得到各自的未考慮SIF 的剩余風(fēng)險,進一步將未考慮SIF 的剩余風(fēng)險進行累積得到該場景下總的未考慮SIF 的剩余風(fēng)險。未考慮SIF 的剩余風(fēng)險計算公式見式2。將該風(fēng)險頻率與各風(fēng)險后果的可容許頻率進行比較后即得到該SIF 回路所需的SIL等級及風(fēng)險降低倍數(shù)(RRF)。RRF 的計算公式見式3。要求時的失效概率(PFDavg)的計算公式見式4。

        式中:為未考慮SIF 的剩余風(fēng)險頻率,為第i 個初始事件初始風(fēng)險的頻率,為第i 個初始事件的獨立保護層。

        式中:PR為各風(fēng)險后果的可容許頻率。

        該場景下未考慮SIF 的風(fēng)險計算表見表2。根據(jù)式2 計算得到各后果未考慮SIF 的剩余風(fēng)險頻率為1.54×10-3。風(fēng)險降低倍數(shù)RRF 計算見表3。各后果的最大風(fēng)險降低倍數(shù)及SIL 等級作為該場景的最終風(fēng)險降低倍數(shù)RRF 與SIL 等級,即該場景風(fēng)險降低倍數(shù)RRF 為650,SIL 等級為SIL2。該結(jié)果即為該SIF 回路所需達(dá)到的SIL 等級及風(fēng)險降低倍數(shù)。

        4 SIL 驗證計算

        SIL 驗證建模以可靠性框圖法[3]為例,首先建立SIF 回路結(jié)構(gòu)圖,如圖2 所示。

        圖2 SIF 回路結(jié)構(gòu)圖

        表1 初始風(fēng)險計算表

        表2 未考慮SIF 的風(fēng)險計算表

        表3 風(fēng)險降低倍數(shù)(RRF)計算表

        4.1 PFDavg 計算

        1oo3 結(jié)構(gòu)的PFDavg 計算公式如下:

        2oo3 結(jié)構(gòu)的PFDavg 計算公式如下:

        式5、式6 中第一項表示多個元件非共因?qū)е碌墓餐Ц怕?。第二項表示在一個元件發(fā)生可檢測到的危險失效時,在元件恢復(fù)期間發(fā)生的共因失效導(dǎo)致SIF 回路的功能失效。第三項表示由共因引起的未檢測到的危險失效,從而導(dǎo)致SIF 回路的功能失效。

        根據(jù)裝置實際情況參數(shù)取值:儀表檢修周期T1=48(month),平均恢復(fù)時間MTTR=8(hour),計算共因失效=3%,=6%。

        各部分儀表的失效數(shù)據(jù)見表4。

        SIF 回路的總PFDavg 為傳感器部分、邏輯控制器部分及執(zhí)行元件部分的PFDavg 之和。如式7 所示:

        表4 儀表失效數(shù)據(jù)表

        SIF 回路所需風(fēng)險降低倍數(shù)RRF 為1450,回路總FDavg 查表可得該回路可達(dá)到的SIL3。

        4.2 結(jié)構(gòu)約束

        本項目SIF 回路的結(jié)構(gòu)約束按IEC61508 進行計算。

        首先分別判斷回路各部分元件的硬件故障裕度(HFT)及儀表類型:

        傳感器部分:HFT=1,B 型子系統(tǒng);

        邏輯控制器:HFT=1,B 型子系統(tǒng);

        執(zhí)行元件:HFT=2,A 型子系統(tǒng)。

        其次依據(jù)現(xiàn)場使用的儀表失效數(shù)據(jù)用式8 分別求出各部分元件的安全失效分?jǐn)?shù)SFF。

        代入各元器件的失效數(shù)據(jù),查表即可得到各部分的結(jié)構(gòu)約束,整個SIF 回路的結(jié)構(gòu)約束為:

        傳感器部分:SFF=89.9%,SIL3;

        邏輯控制器:SFF=99.1%,SIL3;

        執(zhí)行元件:SFF=38.8%,SIL3。

        整個SIF 回路的安全完整性等級取安全儀表系統(tǒng)三個部分中的最低值,即:

        min{SILS,SILA,SILL}=SIL3

        綜合SIF 回路PFDavg 和結(jié)構(gòu)約束可達(dá)到的SIL等級,即為該回路硬件部分的SIL 驗證結(jié)果,即SIL3,風(fēng)險降低倍數(shù)(RRF)為1450,滿足SIL 定級分析中對該回路所需達(dá)到的要求。

        5 結(jié)論

        在如今的過程工業(yè)領(lǐng)域,安全儀表系統(tǒng)已越來越多的應(yīng)用在各裝置中。隨著功能安全的發(fā)展,國內(nèi)安監(jiān)總局和各行業(yè)對安全儀表系統(tǒng)不斷提出了新的要求,安全儀表系統(tǒng)相關(guān)人員對國際上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也有了更深的認(rèn)識,如IEC 61508、IEC 61511。

        SIL 評估是基于風(fēng)險分析的方法,通過SIL 評估工作可以讓相關(guān)人員更加了解每個安全儀表功能所針對的風(fēng)險及所承擔(dān)的風(fēng)險降低目標(biāo),防止了安全儀表系統(tǒng)的“設(shè)計過度”和“設(shè)計不足”。

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