沈旭敏

（寧波市化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 寧波 315103）

1 引言

中國(guó)煉油行業(yè)正在向裝置大型化、煉化一體化、產(chǎn)業(yè)集群化方向發(fā)展。我國(guó)將新建多個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)煉油項(xiàng)目和百萬(wàn)噸級(jí)乙烯項(xiàng)目。早在2014年，國(guó)家安全監(jiān)管總局已出過(guò)文件《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》（安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)），強(qiáng)調(diào)涉及“重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品、重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝和危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源”的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施要設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)。另外，對(duì)于不滿足要求的危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)運(yùn)單位或生產(chǎn)單位要求限期整改。裝置的新建、擴(kuò)建及改建項(xiàng)應(yīng)執(zhí)行功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，為了保證人身財(cái)產(chǎn)安全，保護(hù)環(huán)境，降低石油化工裝置的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）是必不可少的保護(hù)裝置。故老裝置及老儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)的安全系統(tǒng)安全等級(jí)評(píng)估、安全儀表系統(tǒng)改造等項(xiàng)目的數(shù)量必定會(huì)大量增加，以防止發(fā)生危險(xiǎn)或減輕后果。

2 SI S的設(shè)計(jì)目標(biāo)

SIS設(shè)計(jì)的目標(biāo)，首先要滿足整個(gè)控制回路的安全度等級(jí)（SIL等級(jí)）要求。用整個(gè)控制回路的平均故障概率PFDaverage（即在安全等級(jí)要求下的儀表及系統(tǒng)失效的概率）來(lái)衡量，在低要求操作模式情況下采用平均失效概率來(lái)衡量，在高要求操作模式情況下采用每小時(shí)危險(xiǎn)失效頻率來(lái)衡量。在兼顧可靠性與可用性的情況下，采取合理的冗余配置的前提下使系統(tǒng)達(dá)到符合要求的安全度等級(jí)，但也需考慮經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)安全性太高會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目投資增加且可能導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作過(guò)多而導(dǎo)致裝置停車、增加檢修維護(hù)的次數(shù)，既不經(jīng)濟(jì)又降低了可用性。而SIS的設(shè)計(jì)在滿足安全度等級(jí)的前提下要尋求一種設(shè)計(jì)最優(yōu)配置，也是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用且可靠的系統(tǒng)。

3 設(shè)計(jì)階段SI S設(shè)計(jì)的步驟

1）要對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行安全評(píng)估，判斷其是否需要設(shè)計(jì)安全控制系統(tǒng)。安全評(píng)估的目的是通過(guò)應(yīng)用和使用適當(dāng)技術(shù)，把對(duì)人身、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境存在的潛在危險(xiǎn)降至可接受的范圍內(nèi)。石油化工裝置最常見(jiàn)的安全評(píng)估方法為危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）與保護(hù)層分析（LOPA）相結(jié)合的方法。

HAZOP分析由一個(gè)具有不同專業(yè)背景的專家組成的小組，通過(guò)系統(tǒng)的方法識(shí)別和評(píng)估工藝流程中的危險(xiǎn)因素和可能引起的后果，并提出應(yīng)對(duì)措施和辦法[1]。其作為工藝危害分析中應(yīng)用最廣的分析方法，通過(guò)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的方式識(shí)別工藝系統(tǒng)潛在的危險(xiǎn)與可操作性問(wèn)題，并提出建議及措施，提高裝置本身安全水平。

通過(guò)HAZOP和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，能有效識(shí)別項(xiàng)目中存在的危險(xiǎn)因素，如何設(shè)置防護(hù)層、設(shè)置多少個(gè)防護(hù)層、每個(gè)防護(hù)層能夠減少多少風(fēng)險(xiǎn)等，成為企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題，這就需要對(duì)這些危險(xiǎn)進(jìn)行保護(hù)層的分析（LOPA）。

然后，根據(jù)LOPA分析結(jié)果，明確SIS所需要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)值，即安全完整性等級(jí)（SIL）。IEC61508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》將安全系統(tǒng)分為4個(gè)等級(jí)：安全等級(jí)從高到低分別為SIL4（一般只用于核電行業(yè)）、SIL3、SIL2與SIL1。SIL評(píng)估及審查可參考圖1。安全完整性等級(jí)（SIL）說(shuō)明可參考表1。

圖1 安全級(jí)別參考設(shè)定圖

表1 安全完整性等級(jí)（SIL）

由圖1可知：（1）最終導(dǎo)致的結(jié)果。S1表示人員輕傷，設(shè)備損害；S2表示1人死亡；S3表示1人以上的死亡；S4表示災(zāi)難性后果。（2）人處于危險(xiǎn)區(qū)的概率。A1表示幾乎很少；A2表示經(jīng)常性。（3）排除故障可能性。G1表示有限；G2表示幾乎不可能。（4）危險(xiǎn)發(fā)生的概率。W1表示很低；W2表示低；W3表示相對(duì)較高。

2）需確定安全要求規(guī)格書(shū)（SRS）。SIL評(píng)估中確定的儀表安全功能編寫安全要求規(guī)格書(shū)（SRS）中針對(duì)安全儀表功能（SIF）的功能性和安全完整性給出了描述，體現(xiàn)了HAZOP分析和LOPA的最終意圖。設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)安全要求規(guī)格書(shū)中的SIL等級(jí)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

通常由用戶牽頭組織HAZOP分析及SIL的等級(jí)測(cè)評(píng)，這里的測(cè)評(píng)需要用戶、工程公司、設(shè)計(jì)院一起參加，最終依據(jù)溝通的結(jié)果完成相關(guān)的報(bào)告[2]。

3）完成SIS初步設(shè)計(jì)并檢驗(yàn)是否符合SRS，如果計(jì)算得到的整個(gè)SIF的危險(xiǎn)失效概率不能滿足SIL等級(jí)要求，還需要重新調(diào)整SIF。最終根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果來(lái)完成SIS詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4 SI S的工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 兼顧可靠性與可用性

SIS的工程設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足安全儀表功能、安全完整性等級(jí)等要求的前提下提高可靠性與可用性，從而避免裝置事故風(fēng)險(xiǎn)和停車損失。石油化工工廠或裝置的安全完整性等級(jí)不應(yīng)高于SIL 3級(jí)[3]。

1）可靠性原則。SIS的可靠性按串聯(lián)系統(tǒng)考慮，當(dāng)且僅當(dāng)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的n個(gè)子系統(tǒng)全部正常工作時(shí)，系統(tǒng)才能正常工作，故系統(tǒng)的可靠性R=R1R2…Rn（其中，R1，R2，…，Rn為各子系統(tǒng)的可靠性）。

安全儀表系統(tǒng)包括完整的控制回路中的所有環(huán)節(jié)，故在工程設(shè)計(jì)中不能忽視其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)，從整個(gè)安全回路來(lái)看，邏輯控制器本身故障導(dǎo)致的危險(xiǎn)不足10%，絕大部分危險(xiǎn)發(fā)生在測(cè)量?jī)x表與最終元件中。

2）可用性原則。SIS為可修復(fù)系統(tǒng)，可用性指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)維持其功能的概率；可用性體現(xiàn)在SIS的故障裕度是否能滿足要求，可用性雖不影響系統(tǒng)的安全性，但裝置的非計(jì)劃停車可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失?？捎眯猿Ｓ檬剑?）表示：

式中，A為可用度，也稱有效度；MTBF（Mean Time Between Failure）為平均故障間隔時(shí)間，h；MTTR（Meantime to Failure）為平均修復(fù)時(shí)間，h。

對(duì)于SIS的設(shè)計(jì)，要綜合考慮系統(tǒng)的可靠性與可用性，采用多種技術(shù)，合理配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]。邏輯控制器結(jié)構(gòu)選擇見(jiàn)表2。

表2 邏輯控制器結(jié)構(gòu)選擇參考表

4.2 回路配置原則

1）獨(dú)立設(shè)置原則。SIS應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，為單獨(dú)的保護(hù)層，并獨(dú)立完成安全儀表功能，不能取代過(guò)程控制系統(tǒng)的工作。SIS與集散控制系統(tǒng)（DCS）的測(cè)量?jī)x表、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件是否能共用取決于回路的SIL等級(jí)，可參考表3。

表3 SI S與DCS共用儀表參考表

2）中間環(huán)節(jié)應(yīng)少?？煽啃耘c回路中信號(hào)傳遞的環(huán)節(jié)有關(guān)，環(huán)節(jié)越多可靠性越差。因此，設(shè)計(jì)選型時(shí)，儀表宜選用隔爆型，減少中間環(huán)節(jié)安全柵而提高可靠性；現(xiàn)場(chǎng)儀表至機(jī)柜間盡量采用直拉電纜，減少中間環(huán)節(jié)接線箱而提高可靠性。

4.3 完整的安全儀表回路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)，因SIS包括了測(cè)量?jī)x表、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件，因此，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中不能僅考慮單一環(huán)節(jié)的安全性，應(yīng)整體考慮安全回路中的所有環(huán)節(jié)，故障失效率計(jì)算方法為：

式中，PFDSYS為E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能在要求時(shí)的平均失效概率；PFDS為傳感器子系統(tǒng)在要求時(shí)的平均失效概率；PFDL為邏輯子系統(tǒng)在要求時(shí)的平均失效概率；PFDFE為最終元件子系統(tǒng)在要求時(shí)的平均失效概率。

5 結(jié)語(yǔ)

在SIS設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)需結(jié)合工藝特點(diǎn)與用戶需求，要始終銘記合理有效、降低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)理念，兼顧可靠性與可用性，采取合理的冗余配置，既要滿足安全儀表功能的安全等級(jí)要求，又要防止過(guò)度設(shè)計(jì)，使企業(yè)的人身、設(shè)備安全和環(huán)境安全得到充分可靠的保障。