陳志飛

(中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏 銀川 750041)

安全儀表系統(tǒng)(SIS)是廣泛應(yīng)用于過程工業(yè)危險(xiǎn)裝置中的保護(hù)系統(tǒng)，事實(shí)上很多化工企業(yè)雖配置了相應(yīng)的SIS，解決了安全功能問題，但安全功能是否能可靠執(zhí)行不得而知，反觀之前則更側(cè)重于SIS的有無問題，很少涉及安全完整性等級(SIL)評估問題。實(shí)際上SIL等級作為SIS中的重要組成部分，在IEC61508[1]和IEC61511[2]或者對應(yīng)中國標(biāo)準(zhǔn)中都有詳細(xì)規(guī)定,特別對在役的“兩重點(diǎn)一重大”生產(chǎn)裝置或設(shè)施[3]開展安全儀表功能(SIF)回路SIL等級評估有著重大的安全意義。

1 SIL相關(guān)概念

1.1 SIL等級劃分

SIL等級一般分為SIL1～SIL4，其中SIL4等級最高，過程工業(yè)SIF回路一般不會超過SIL3。SIL等級針對SIF回路而言包括： 傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)部分，采用平均失效概率(PFDavg)衡量，PFDavg與SIL對應(yīng)等級見文獻(xiàn)[4]所列，計(jì)算如式(1)所示：

PFDavg=∑PFDS+∑PFDL+∑PFDFE

(1)

式中：PFDS——傳感器平均失效概率；PFDL——邏輯控制器平均失效概率；PFDFE——執(zhí)行機(jī)構(gòu)平均失效概率。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)約束

硬件結(jié)構(gòu)約束的安全完整性由儀表類型、安全失效分?jǐn)?shù)(SFF)和硬件故障裕度(HFT)共同決定。在SIL等級評估中考慮到系統(tǒng)性失效對安全完整性的影響，以及隨機(jī)失效率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等因素，有必要從結(jié)構(gòu)配置上做出最低約束和限制。

A類設(shè)備是指結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)備如繼電器、壓力開關(guān)、閥門、安全柵等；B類設(shè)備指結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或者采用處理器技術(shù)的設(shè)備如DCS，PLC，智能變送器等[5]。文獻(xiàn)[6]中A類安全相關(guān)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束要求見表1所列，B類安全相關(guān)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束要求見表2所列。

表1 A類安全相關(guān)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束要求

表2 B類安全相關(guān)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束要求

2 SIL評估內(nèi)容

SIL評估是根據(jù)功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61508和IEC61511進(jìn)行。主要分為SIL定級和SIL驗(yàn)證。

SIL定級是辨識SIF并確定SIF回路的SIL等級，主要采用保護(hù)層分析(LOPA)、風(fēng)險(xiǎn)圖等分析方法，以下著重介紹LOPA分析方法。

(2)

SIL驗(yàn)證從回路PFDavg和硬件結(jié)構(gòu)約束兩個(gè)方面驗(yàn)證是否滿足目標(biāo)要求，結(jié)果取兩者的最小值。結(jié)構(gòu)約束根據(jù)表1和表2確定，PFDavg建模計(jì)算主要有可靠性分析、馬爾可夫模型法等，以下著重講解可靠性分析原理。

可靠性分析是更具有魯棒性的可能性建模辦法，相對馬爾可夫模型法而言更加簡單[8]，分析方法如圖1所示，垂直排列的代表并行路徑(與邏輯)，水平排列的代表串行路徑(或邏輯)。

圖1 可靠性分析方法示意

3 SIL評估技術(shù)在水煤漿氣化裝置上的應(yīng)用

3.1 工藝簡介

某公司氣化裝置采用GE水煤漿技術(shù)，包括煤運(yùn)、煤漿制備、氣化、灰水處理和變換等工藝過程，氣化裝置主要將來自空分裝置的氧氣和煤漿制備裝置送來的煤漿在氣化爐內(nèi)進(jìn)行部分氧化反應(yīng)生成粗合成氣，粗合成氣洗滌除塵后進(jìn)行變換，其有效成分為CO和H2，一部分合成氣經(jīng)變換部分后送往低溫甲醇洗工段，另一部分合成氣經(jīng)未變換部分送往 CO 深冷分離工段。

3.2 SIL定級

在開展SIL定級之前應(yīng)先確定風(fēng)險(xiǎn)矩陣，本次評估采用中國石化標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖[9]，從健康與安全影響、財(cái)產(chǎn)損失影響、非財(cái)產(chǎn)性與社會影響、環(huán)境影響4個(gè)維度來確定SIL等級。

SIL定級由工藝、設(shè)備和儀表等各專業(yè)共同參與討論分析，與HAZOP較為類似，現(xiàn)以氧煤比高高導(dǎo)致氣化爐氧含量過高，引發(fā)氣化爐爆炸，造成人員傷亡，設(shè)備毀壞的后果為例，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣，確定相應(yīng)后果等級見表3所列。

表3 氧煤比高高報(bào)警風(fēng)險(xiǎn)等級

接下來采用LOPA分析計(jì)算未增加SIS時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)概率，根據(jù)分析，引起氧煤比高高報(bào)警初始事件有四個(gè)，包括： 空分來的氧氣壓力高，氧氣流量控制閥FV1307誤操作開度過大，高壓煤漿管線堵塞和高壓煤漿泵不打量等?，F(xiàn)以初始事件FV1307閥誤操作開度過大為例，假設(shè)人員暴露概率為0.5,LOPA事件樹如圖2所示。

圖2 LOPA事件樹示意

根據(jù)公式(2)可計(jì)算出：

根據(jù)中石化風(fēng)險(xiǎn)矩陣可知，在現(xiàn)有的措施下，事件發(fā)生頻率為(10-3～10-2)/a，可能性為5，具體風(fēng)險(xiǎn)等級確定見表4所列。

表4 未減緩前的風(fēng)險(xiǎn)等級和目標(biāo)等級

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，該SIF回路的SIL等級為SIL3，其他維度等級計(jì)算結(jié)果見表5所列，按就高原則最終定級為SIL3。

表5 氧煤比高高報(bào)警SIL等級

根據(jù)上述方法，氣化單元SIF回路共有36個(gè)，其中SIL3級有1個(gè)，SIL2級有8個(gè)，SIL1級有8個(gè)，SIL0級有19個(gè)。

3.3 SIL驗(yàn)算

根據(jù)SIL定級結(jié)果，共有17個(gè)SIF回路達(dá)到SIL1及以上，SIL 驗(yàn)算主要內(nèi)容包括：

1)確定回路所包括的儀表設(shè)備、設(shè)備類型，規(guī)格及廠家等參數(shù)，各類失效率數(shù)據(jù)λ。

2)建立可靠性框圖及計(jì)算PFDavg。

3)對達(dá)不到目標(biāo)等級的回路進(jìn)行敏感性分析，提出合理化建議方案。

以氧煤比高高報(bào)警為例，詳細(xì)闡述SIL驗(yàn)算過程，各部件SIL認(rèn)證參數(shù)見表6所列。

表6 各部件SIL認(rèn)證參數(shù)

關(guān)于PFDavg的計(jì)算方法，ISA TR84.00.02與IEC 61508的規(guī)定稍有不同，但計(jì)算結(jié)果大致相同[10]，以下采用ISA TR84.00.02的計(jì)算方法。

“1oo1”計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

“1oo2”計(jì)算公式如式(4)所示：

(4)

“2oo3”計(jì)算公式如式(5)所示：

(5)

式中：TI——測試周期；MTTR——平均修復(fù)時(shí)間；β——公共故障系數(shù)；λDD——可檢測到的危險(xiǎn)故障；λDU——未檢測到的危險(xiǎn)的故障。

該驗(yàn)算?。害?0.06，MTTR=24 h，TI=4 a，該計(jì)算采用的可靠性分析方法如圖3所示。

圖3 可靠性分析方法示意

具體計(jì)算過程如下：

氧氣流量回路PFDavg=68×10-9×16×
8 760+3×376×10-9×68×10-9×24×
4×8 760+0.06×68×10-9×2×
8 760=9.6×10-3

煤漿流量回路PFDavg=206×10-9×16×
8 760+3×1 279×10-9×206×10-9×
24×4×8 760+0.06×206×10-9×
2×8 760=2.9×10-2

PFDS=9.6×10-3×2.9×10-2=
2.784×10-4

PFDL=1.934×10-4

PFDFE=3.430×10-7

∑PFDavg=PFDS+PFDL+

PFDFE=4.721×10-4

驗(yàn)證結(jié)果見表7所列。

表7 驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)證17個(gè)SIF回路滿足均驗(yàn)算要求。

4 SIL評估技術(shù)應(yīng)用拓展

SIL評估作為SIS全生命周期管理的一部分，越來越受設(shè)計(jì)院和最終用戶的重視，其應(yīng)用和指導(dǎo)意義在儀表管理中也得到充分體現(xiàn)，主要有以下方面：

1)防止過度保護(hù)、欠保護(hù)設(shè)計(jì)，節(jié)約投資。如氣化裝置SIF回路共有36個(gè)，因前期未開展SIL評估，SIF回路全部設(shè)計(jì)進(jìn)SIS，本次評估在SIL1及以上的回路其實(shí)只有17個(gè)，SIL1以下回路19個(gè)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)SIL1以下完全可以在DCS實(shí)現(xiàn)，相比SIS的配置要求，采用DCS設(shè)計(jì)同等條件下至少可節(jié)約33.3%的投資。

2)指導(dǎo)開展儀表及控制系統(tǒng)預(yù)防性維護(hù)，設(shè)備選型等。從PFDavg計(jì)算公式看影響計(jì)算結(jié)果有TI，β，λDU等因素。因此改變測試周期，采用不同檢測原理的儀表，采用自診斷率高的儀表或者經(jīng)SIL認(rèn)證的，失效率也會得到有效管控。

3)聯(lián)鎖改造的評估。從裝置設(shè)計(jì)初期看，基于各種因素都不可避免會采用單點(diǎn)聯(lián)鎖，容易造成裝置停車，所以在安全等級不高但要求可靠性高的場所會考慮2oo2或者2oo3的方式[11]，但是否可行，此時(shí)就可以通過SIL評估來科學(xué)指導(dǎo)和判斷。

5 結(jié)束語

國內(nèi)功能安全評估尚處于起步階段，可靠性數(shù)據(jù)缺乏，在SIL評估中完全依賴SIL證書數(shù)據(jù)會影響評估結(jié)果，因此對在役裝置要著重完善現(xiàn)場可靠性數(shù)據(jù)收集和功能規(guī)格書(SRS)等，科學(xué)合理利用評估結(jié)果來指導(dǎo)儀表及控制系統(tǒng)管理，確保裝置安全可靠運(yùn)行。