王愛平， 沈立明

(中國化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司，浙江 寧波 315000)

安全儀表系統(tǒng)(SIS)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥化工及儲運設(shè)施等行業(yè)。通過過程危害分析(PHA)，將SIS作為一種保護(hù)措施用于降低生產(chǎn)過程中潛在風(fēng)險發(fā)生事故的概率。在石油化工領(lǐng)域，一個項目的安全儀表功能(SIF)需求通常來自三個方面，即工藝包提供的因果表(cause & effect)或聯(lián)鎖邏輯圖；法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里的特定要求；基于過程危害分析后，為了預(yù)防潛在風(fēng)險所需的SIF。但是工藝包給出的因果表或聯(lián)鎖邏輯圖，一般不僅是基于安全需求的聯(lián)鎖，還包括了基于工藝自身需求的聯(lián)鎖及基于設(shè)備保護(hù)的聯(lián)鎖等；且聯(lián)鎖執(zhí)行動作亦不明確哪些是主要動作，哪些是次要動作。PHA最常用的方法是HAZOP，雖然HAZOP是識別過程危害的一種非常有效的方法，但它只是一種定性的識別，并沒有涉及后續(xù)相關(guān)活動(例如SIL評估)，也存在SIF被遺漏或定義不明確的可能。所以SIF的識別是非常必要也是重要的，SIF的識別及確定也是SIS全生命周期中重要的一環(huán)，若SIF設(shè)置不合適，則不但無法實現(xiàn)風(fēng)險削減的目的，還可能會對生產(chǎn)過程的安全運行造成潛在威脅或發(fā)生不期望的安全事故。

下面以某氧化工藝中的關(guān)鍵工段中氧氣與乙烯氣體混合單元的聯(lián)鎖為例，來說明SIF回路的識別及其SIL等級的確定。

1 氧氣與乙烯氣體混合單元的工藝流程簡介

該氧化工藝以氧氣和乙烯為原料生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，其中乙烯氣體使用離心式壓縮機(jī)被輸送至混合器，氧氣以高壓的形式被輸送至混合器與乙烯氣體均勻混合。該工藝重點監(jiān)控的參數(shù)是混合氣中的氧濃度，氧含量太低，則反應(yīng)效率低下，影響環(huán)氧乙烷的產(chǎn)出質(zhì)量及總量；氧含量太高，則會達(dá)到乙烯氣體的爆炸極限，有爆炸的風(fēng)險。為了確保生產(chǎn)過程的安全，該工藝設(shè)置了高壓氮氣保護(hù)系統(tǒng)。裝置在開車和停車階段，氧氣和乙烯氣體必須在混合器M-101下游混合。當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時，將聯(lián)鎖切斷氧氣管線停止供氧，并開啟高壓氮氣保護(hù)系統(tǒng)對混合器單元吹掃保護(hù)，以防止乙烯氣體經(jīng)混合器M-101噴嘴進(jìn)入氧氣管道。在開車和停產(chǎn)階段也必須用氮氣進(jìn)行保護(hù)。氧氣與乙烯氣體混合單元的簡化流程如圖1所示。

圖1 氧氣與乙烯氣體混合單元簡化流程示意

2 氧氣與乙烯氣體混合單元的聯(lián)鎖

該段工藝聯(lián)鎖的主要目的是在生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常的情況下，切斷氧氣進(jìn)料系統(tǒng)，停止供氧。當(dāng)聯(lián)鎖啟動時，將執(zhí)行以下動作： 控制閥FV-1202，切斷閥SDV-1201與SDV-1203關(guān)閉，且切斷閥的關(guān)閉時間必須小于1 s；放空閥SDV-1202與SDV-1204打開，以釋放FV-1202和SDV-1201，SDV-1201和SDV-1203之間管線中的氧氣，通過泄放管線排放至安全區(qū)域；氮氣吹掃閥SDV-1205及SDV-1206打開，使緩沖罐V-101中的高壓氮氣直接進(jìn)入最后一道氧氣切斷閥SDV-1203的下游，從而保證乙烯氣體不會進(jìn)入氧氣管道。同時，打開緩釋劑閥HV-1208。氧氣與乙烯氣體混合單元簡化聯(lián)鎖邏輯如圖2所示。

圖2 氧氣與乙烯氣體混合單元簡化聯(lián)鎖邏輯示意

3 氧氣與乙烯氣體混合單元的HAZOP分析

依據(jù)工藝包提供的聯(lián)鎖邏輯圖及因果表，結(jié)合其流程圖，利用HAZOP方法對該段工藝流程進(jìn)行過程危害分析，從而辨識出該段工藝可能存在的風(fēng)險。以混合器及其上下游為節(jié)點，利用表1～表5相關(guān)資料及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，HAZOP分析工作見表5所列。

表1 風(fēng)險評估矩陣

表2 風(fēng)險級別分類

表3 后果嚴(yán)重性分類

表4 事故發(fā)生的可能性分類

表5 HAZOP 分析

4 基于HAZOP分析的LOPA分析

LOPA 分析是一種在定性危害評估( 如 HAZOP，PHA)基礎(chǔ)上，基于事故場景的半定量風(fēng)險分析和評估方法。LOPA分析是通過對現(xiàn)有獨立保護(hù)措施的可靠性進(jìn)行量化評估，確定降低風(fēng)險的能力，從而判斷是否有足夠的保護(hù)層使風(fēng)險滿足企業(yè)的風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)。

因為HAZOP與LOPA存在一定的對應(yīng)關(guān)系，在實際的工程項目中LOPA分析通常和HAZOP分析一起使用。其對應(yīng)關(guān)系見表6所列。

LOPA分析與HAZOP分析的對應(yīng)關(guān)系并不是嚴(yán)格對應(yīng)的，因為獨立保護(hù)層(IPL)是獨立于初始事件(IE)，獨立于該場景其他保護(hù)層的有效保護(hù)措施。故IPL一定是保護(hù)措施，但保護(hù)措施不一定能作為IPL。

表6 HAZOP 分析結(jié)果與LOPA的對應(yīng)關(guān)系

LOPA分析是針對單一場景進(jìn)行的，一般情況下每個場景只有1個唯一的初始事件及對應(yīng)的單一后果。下面利用LOPA方法對表1中的危險場景進(jìn)行分析，LOPA分析見表7所列。

表7 LOPA分析結(jié)果

依據(jù)上述對調(diào)節(jié)回路FIC-1202故障導(dǎo)致閥門開度變大，使混合器M-101出口氧含量增高而發(fā)生爆炸事故場景的分析，在該聯(lián)鎖中無論氧氣流量變化率高高、氧濃度高高、氧氣流量高高均可通過聯(lián)鎖切斷氧氣進(jìn)料，來達(dá)到阻止事故發(fā)生的目的。由于其獨立于初始事件及其他保護(hù)措施，所以可定義為獨立保護(hù)層，該獨立保護(hù)層是安全儀表功能保護(hù)層，這就是針對該場景而識別出的SIF，可降低因FIC-1202故障導(dǎo)致閥門開度變大，使混合器M-101出口氧含量增高而發(fā)生爆炸事故的頻率。對于工藝包聯(lián)鎖簡述中的打開氧氣放空閥及打開氮氣吹掃閥等措施，雖然能夠減緩或避免連帶事故的發(fā)生，但不能直接降低或阻止該場景導(dǎo)致的后果，所以該措施不屬于該SIF的主要動作，應(yīng)屬于該聯(lián)鎖的連帶動作；對于工藝包聯(lián)鎖簡述中的打開緩釋劑閥HV-1208，其目的只是保護(hù)催化劑，對于該場景無任何保護(hù)效果，所以不屬于該SIF的主要動作，亦屬于該聯(lián)鎖的連帶動作。

由上述分析可知，切斷氧氣管線進(jìn)料閥是為阻止因調(diào)節(jié)回路FIC-1202故障閥門開度變大導(dǎo)致M-101出口氧含量增大而發(fā)生爆炸事故場景的主要動作，聯(lián)鎖打開氮氣吹掃閥、氧氣放空閥及打開緩釋劑閥門是連帶動作。所以在該場景中只對能阻止事故發(fā)生的主要動作進(jìn)行SIL定級。

5 結(jié)束語

通過案例分析，筆者簡單地介紹了SIF回路的識別過程。從中可以看出，并不是所有的聯(lián)鎖動作屬于SIF，其中大部分與安全無關(guān)，僅作為連帶動作在執(zhí)行。在實際工程項目中，識別SIF回路是一個系統(tǒng)工程，識別的方法有很多種，都有其各自的流程及特點，識別結(jié)果也和參與工程項目技術(shù)人員的工作經(jīng)驗有密切的關(guān)系。只要把握住SIF是一種安全功能或安全措施，是為了降低某個特定危險場景的發(fā)生頻率而設(shè)立的原則，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格的風(fēng)險評估，一定能準(zhǔn)確地識別出生產(chǎn)過程需要的SIF，從而達(dá)到使生產(chǎn)過程安全、平穩(wěn)運行的目的。