陶 倩 徐德剛

中鹽常州化工股份有限公司 江蘇 常州 213200

一、前言

隨著氯堿化工行業(yè)技術與設備的發(fā)展,使得化工項目的規(guī)模逐漸擴大,配套的技術要求也在不斷地提升。本公司雙氧水工藝涉及到加氫、氧化高危工藝部分,改造前只采用了DCS、有毒有害、可燃氣體報警系統(tǒng),根據(jù)國家監(jiān)管要求,對現(xiàn)有涉及到高危工藝的裝置進行SIS改造具有積極的意義。

二、風險分析方法辨識

目前,SIS的SIL定級應用最為廣泛的有三種方法,分別為：矩陣法、風險圖法、保護層分析法(LOPA)。

矩陣法或風險圖法,可對大量的場景進行快速的梳理,因此適用于安全儀表回路的初步篩選。該法的優(yōu)點是簡單明了,易于掌握,適用范圍廣。缺點是確定風險可能性、后果嚴重程度過分的依賴于經(jīng)驗,主觀性較大,另一個缺點該分析方法為定性的分析方法,在對風險分析時,只起到了參考作用,在做風險辨識的時候的權威性往往會受到挑戰(zhàn)。

保護層分析法(LOPA)作為一種公認的半定量的分析方法,相對矩陣法或風險圖法更加量化,其分析結果也更加準確。通常對矩陣法或風險圖表識別出SIL等級較高的回路,可使用LOPA方法進行再次分析確認。LOPA的分析危害以確定是否需要安全功能,如果需要,則確定每項安全功能的SIL要求。該方法從危害識別中開發(fā)的數(shù)據(jù)開始,并通過記錄啟動原因和防止或減輕危害的保護層來解決每個已識別危險,然后可以確定風險降低的總量,并分析對降低風險的需求。LOPA法可以確定適當?shù)腟IL,對于每種危害,確定適當?shù)腟IL以將風險降低到可容許的水平。

圖 HiaGuard PFD參數(shù)計算

LOPA是用來確定SIL等級的一個方法,但是LOPA方法無法用來識別過程安全事故場景；而HAZOP是用來識別過程安全事故場景的一個很好的工具,但沒法計算場景事故發(fā)生頻率。使用HAZOP和LOPA結合,把HAZOP中相關信息導入LOPA中,可以用來進行SIF的平均要求時失效概率(PFD)的計算,從而確定SIF的SIL等級。

三、現(xiàn)場技術改造方案

中鹽常州化工股份有限公司的一期6萬噸/年雙氧水裝置于2011年開車,現(xiàn)階段生產(chǎn)穩(wěn)定。在2017年1月至7月期間,公司的安全、工藝、設備、操作代表等相關人員組成HAZOP分析團隊,以危險可操作HAZOP分析方法為基礎,對公司“6萬噸雙氧水裝置”(一期裝置)、“5萬噸高純度食品級雙氧水裝置”(二期裝置)工藝系統(tǒng)進行詳細審查、技術討論和分析,并形成HAZOP分析報告。當HAZOP分析考慮了已有安全措施的作用下,仍存在的事故場景的風險等級高、風險不能接受,且又無法通過其他手段降低風險時,建議增加SIF來降低風險、直至剩余風險不高于可容許風險,但沒有確定該SIF的SIL等級。在確定SIS系統(tǒng)設計方案前,首先需對HAZ0P分析提出的每個SIF進行SIL等級的確定；然后再根據(jù)確定的SIL等級設計每個單元的SIS系統(tǒng)。6萬噸裝置確定了幾個SIF分別為：1.氧化塔上塔超溫導致閃爆；2.氧化塔下塔超溫導致閃爆；3.氧化塔壓力偏高引起氧化塔超壓損壞、爆炸；4.萃取塔雙氧水分解、溫度劇升致使發(fā)生跑料、設備超壓、爆炸事故等。

本次SIL定級是基于HAZOP分析的結果,采用LOPA法。每個SIF的SIL等級采用LOPA方法進行核算,該SIF按照以下步驟進行SIL等級的確定：1)確定SIF；2)確定SIF所需保護的場景；3)確定所需保護的場景的后果、初始事件及其他獨立保護層；4)確定后果的可容許風險、初始事件發(fā)生頻率、其他獨立保護層的PFD；5)計算SIF的PFD=可容許風險/所有獨立保護層總的平均要求時失效概率(不包括SIF的PFD)；6)根據(jù)計算結果確定SIL等級：①假如計算出的PFD大于1,則從控制風險的角度來說,可以不需要SIL等級,但考慮到安全生產(chǎn)的要求,通常建議保留此SIF功能,但不做SIL等級要求(即定為SILA)；

②假如計算出的PFD小于1,則按照表確定該SIF的SIL等級。

部分輸出成果見下表：

序號 檢測儀表 聯(lián)鎖原因 執(zhí)行動作 SIL等級1 溫度TZ1201氧化塔T201上塔溫度過高 聯(lián)鎖停車 SIL2 2 溫度TZ1202氧化塔T201下塔溫度過高 聯(lián)鎖停車 SIL 3 壓力PZI202、PZI203 氧化塔T201壓力過高 聯(lián)鎖停車 SIL1 4 溫度TZ1301 萃取塔T301溫度過高1.聯(lián)鎖停車2.打開塔底快開閥TV1301 SIL1

在完成SIL定級后,根據(jù)上表中每個SIF的SIL等級來設計SIS系統(tǒng),采用了和利時的安全儀表控制系統(tǒng)對現(xiàn)場進行改造升級。

四、SIS系統(tǒng)可靠性介紹

本次改造的SIS安全儀表系統(tǒng)采用和利時的HiaGuard系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了自帶診斷的三取二架構(2oo3D),已通過TüV萊茵公司認證。安全儀表系統(tǒng)的控制邏輯組態(tài)軟件,即和利時公司專門為工業(yè)安全儀表系統(tǒng)而自主研發(fā)的工業(yè)控制策略組態(tài)軟件,滿足IEC61508對T3工具要求并通過了TUV萊茵SIL3認證。

中心控制室和各現(xiàn)場機柜室所用的電源規(guī)格為220VAC,50Hz不間斷電源(UPS),電壓允許波動范圍為AC180V-240V。SIS系統(tǒng)采用雙路供電方式(1+1冗余),在任何一路失電的情況,系統(tǒng)卡件都能正常工作,功能不受影響。

該系統(tǒng)的控制器采用雙CPU結構,具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和完備的自診斷功能。三重化的控制器物理上相互獨立,可有效避免共因失效造成的危險失效?？刂破髦械腟RAM和內(nèi)存具備掉電數(shù)據(jù)保持功能,可連續(xù)保持6個月數(shù)據(jù)不丟失,便于停車維護。

安全回路中各組件的檢驗測試間隔均為1年,傳感器的PFDavg-S=4E-04；執(zhí)行器的PFDavg-A=5E-04,HiaGuard的PFDavg-HiaGuard=5E-05(以上數(shù)據(jù)均為例子)。則整個安全回路的

該值在10-4至10-3范圍之內(nèi),因此該安全回路滿足SIL3安全功能的要求

采用《HiaGuard PFD參數(shù)計算表》計算HiaGuard的PFDavg如圖所示。當MRT選取8h、T設置為4years、環(huán)境溫度選取60℃時,若安全回路組態(tài)情形為1路常閉DI信號和1路應用于SIS的DO信號(控制器的模塊數(shù)固定為3,系統(tǒng)電源和現(xiàn)場電源的模塊數(shù)固定為2),HiaGuard的PFDavg為5.56138E-05。

五、結論

隨著國家對高危工藝的加強監(jiān)管,不論是在新建項目中,還是針對現(xiàn)役裝置的安全儀表系統(tǒng)改造,其安全儀表系統(tǒng)的設置都十分有研究的必要。本次技術改造利用SIS安全儀表系統(tǒng),實現(xiàn)對化工裝置的聯(lián)鎖控制與安全監(jiān)控,既能夠保證化工廠生產(chǎn)的安全性,又能夠有力地提升化工企業(yè)的自動化控制水平,促進化工行業(yè)的長效發(fā)展。