魏振強(qiáng)，高赫晨

[1.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102249]

石油化工產(chǎn)業(yè)關(guān)系到我國(guó)國(guó)民生活、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方面。改革開(kāi)放以來(lái)，石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，是我國(guó)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著該行業(yè)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)存在的極高危險(xiǎn)性也不容小覷。因此，安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）作為一種安全保護(hù)措施，在石油化工行業(yè)起到重要作用。安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level，SIL）評(píng)估能評(píng)價(jià)SIS中各安全儀表功能（Safety Instrumented Function，SIF）是否具有可靠的執(zhí)行能力，SIL定級(jí)是SIL評(píng)估工作的主要任務(wù)之一。SIL定級(jí)分析技術(shù)的主要方法為保護(hù)層分析（Layer of Protection Analysis，LOPA），被廣泛應(yīng)用于企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

目前，各石油化工企業(yè)按要求積極開(kāi)展SIL定級(jí)工作，但由于LOPA分析方法適用對(duì)象較多，面向不同企業(yè)與不同行業(yè)存在冗余項(xiàng)與不足項(xiàng)，造成SIL定級(jí)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，工期受到影響。因此，本研究分析了某油庫(kù)SIS功能回路的SIL定級(jí)過(guò)程，優(yōu)化了SIL的定級(jí)流程，提出了基于LOPA方法的SIF回路SIL定級(jí)方法。

1 SIS的SIL與LOPA

1.1 SIS的SIL

功能安全在過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)IEC 61511將安全完整性定義為在規(guī)定的時(shí)間周期與條件下，SIS成功達(dá)到所需安全要求的概率[1]。SIL是描述SIS中SIF的完整性等級(jí)，IEC 61508根據(jù)不同的安全性能，將SIL分為4個(gè)等級(jí)，級(jí)別越高，安全等級(jí)越高，SIL4為最高級(jí)，且SIL包括低需求與高需求兩種模式[2]。在SIF回路的不同階段，對(duì)不同的SIL有不同的技術(shù)需求，因此，選用合適的SIL對(duì)安全工作意義重大。SIL的具體劃分如表1所示。

表1 SIL劃分

1.2 LOPA研究現(xiàn)狀

一般相關(guān)人員會(huì)依據(jù)事故后果的嚴(yán)重性對(duì)事故進(jìn)行及時(shí)糾正。不同的安全事故對(duì)人員財(cái)產(chǎn)及周邊環(huán)境造成的危害程度不同，不同人對(duì)不同頻率事故的承受能力也各不相同。LOPA是一種典型的半定量分析方法，主要用于工藝危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，LOPA分析可定量計(jì)算危害發(fā)生的概率及已有保護(hù)層的防護(hù)能力與失效概率，最終確定所要求的特定場(chǎng)景安全程度。LOPA分析的主要目標(biāo)是確定已有的保護(hù)層能否達(dá)到企業(yè)所需的風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)。若保護(hù)措施不能滿足企業(yè)所需，可通過(guò)添加相應(yīng)的SIF回路達(dá)到所需SIL等級(jí)[3-5]。

GB/T 32857—2016《保護(hù)層分析（LOPA）應(yīng)用指南》[6]中規(guī)定，LOPA是一種對(duì)特定危險(xiǎn)場(chǎng)景的發(fā)生頻率及后果嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估的方法。隨著石油石化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，LOPA作為SIL定級(jí)的重要方法之一，可將油站場(chǎng)各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)/重要控制點(diǎn)的保護(hù)層情況梳理清晰，明確掌握風(fēng)險(xiǎn)降低能力分布，進(jìn)而更有針對(duì)性地采取措施，將站場(chǎng)各處風(fēng)險(xiǎn)降至可容忍水平，因此，被廣泛應(yīng)用于石油石化企業(yè)的SIL評(píng)價(jià)。然而，該方法是一種簡(jiǎn)化的半定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，還存在一些不足之處，例如需獲得初試事件的發(fā)生概率和保護(hù)層失效概率的精準(zhǔn)數(shù)值，而每個(gè)化工企業(yè)有特殊性存在，因此，LOPA方法并不適用于所有情況。根據(jù)相關(guān)調(diào)研，大多數(shù)企業(yè)在進(jìn)行LOPA分析的過(guò)程中存在沒(méi)有結(jié)合企業(yè)具體情況的問(wèn)題。在進(jìn)行LOPA分析時(shí)，企業(yè)需要根據(jù)GB/T 21109與GB/T20438中給出的LOPA技術(shù)指南，結(jié)合自身實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，有針對(duì)性地研發(fā)適合企業(yè)的LOPA分析方法。

2 LOPA方法在SIL定級(jí)中的應(yīng)用

SIL定級(jí)用于對(duì)安全聯(lián)鎖回路中各SIF進(jìn)行定級(jí)。SIL定級(jí)分析的主要方法為L(zhǎng)OPA，應(yīng)用LOPA的SIL定級(jí)被廣泛應(yīng)用于石油化工安全行業(yè)。某石化企業(yè)根據(jù)企業(yè)自身特性，在GB/T 21109與GB/T 20438的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了石油石化企業(yè)LOPA技術(shù)指南，建立了適用于石油石化企業(yè)的新建、改建、擴(kuò)建項(xiàng)目和在役裝置（設(shè)施）經(jīng)過(guò)優(yōu)化的LOPA技術(shù)。

2.1 LOPA方法前期準(zhǔn)備

使用LOPA方法進(jìn)行SIF的SIL確認(rèn)，前期需進(jìn)行一系列準(zhǔn)備工作：

（1）人員準(zhǔn)備，包括主持人、會(huì)議記錄員及工藝、儀表、操作等相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員；

（2）資料準(zhǔn)備，包括但不限于工藝危害分析報(bào)告、風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、工藝管道及儀表流程（Piping and Instrumentation Diagram，P&ID）圖、操作控制規(guī)程、儀表臺(tái)賬等；

（3）LOPA方法培訓(xùn)：在LOPA工作開(kāi)始前，主持人為小組成員培訓(xùn)LOPA原理和方法、分析對(duì)象的情況、工作計(jì)劃等。

2.2 LOPA應(yīng)用在SIL定級(jí)中的具體步驟

LOPA分析一般是在定性風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析的基礎(chǔ)上，對(duì)具體風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法?；境绦虬ㄗR(shí)別并篩選特定場(chǎng)景、確認(rèn)初始事件（Initiating Event，IE）發(fā)生頻率、計(jì)算獨(dú)立保護(hù)層（Independent Protection Layer，IPL）失效概率、評(píng)估結(jié)果，由此確定危險(xiǎn)場(chǎng)景發(fā)生的可接受程度。LOPA流程如圖1所示。

圖1 LOPA流程

（1）篩選事故場(chǎng)景，描述事故后果。根據(jù)危險(xiǎn)與可操作性（Hazard and Operability，HAZOP）分析結(jié)果，將可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事故場(chǎng)景篩選出來(lái)，描述事故后果，確定后果嚴(yán)重等級(jí)。

（2）確定IE類型與概率。IE類型分為外部事件、人為失誤、設(shè)備故障3類；IE概率一般源于行業(yè)統(tǒng)計(jì)或企業(yè)提供的數(shù)據(jù)。

（3）確定修正因子，如觸發(fā)事件的概率、爆炸概率、點(diǎn)火概率、人員暴露概率、經(jīng)濟(jì)損失概率等。

（4）IPL的確定與評(píng)估。IPL需具備獨(dú)立性、有效性與可審查性，不同的IPL失效概率不同，失效概率數(shù)值常源于行業(yè)統(tǒng)計(jì)或企業(yè)提供的數(shù)據(jù)。

（5）事故場(chǎng)景概率計(jì)算。事故場(chǎng)景概率為IE概率、每個(gè)修正因子和每一層IPL失效概率的乘積。

（6）風(fēng)險(xiǎn)決策。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣與事故場(chǎng)景概率判斷風(fēng)險(xiǎn)是否達(dá)到企業(yè)可接受標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3 基于LOPA方法的SIL定級(jí)在某企業(yè)油庫(kù)的應(yīng)用

3.1 油庫(kù)概況

油庫(kù)在油氣儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中用于成品油存儲(chǔ)，由于油品自身具有易燃、易爆、易揮發(fā)等特點(diǎn)，存在火災(zāi)爆炸、油品泄漏、人員中毒等安全隱患。對(duì)某石油銷售公司的一次中轉(zhuǎn)兼二次分銷油庫(kù)進(jìn)行LOPA分析，該油庫(kù)的入庫(kù)方式為水路，出庫(kù)方式為公路和水路。水路收油時(shí)利用油船上的油泵，通過(guò)碼頭輸油臂（軟管）、收油匯管將船艙內(nèi)油品泵入油庫(kù)油罐，完成收油工作；水路發(fā)油時(shí)，通過(guò)油泵、輸油管線、流量計(jì)將指定油罐中的油品輸送到油船中。油品裝船作業(yè)時(shí)，將輸油軟管連接至船上收油口，利用油泵將指定油罐內(nèi)的油品通過(guò)輸油管線、輸油臂、流量計(jì)輸送到油船中。公路發(fā)油裝車時(shí)，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）向付油泵、電液控制閥等發(fā)送付油命令，同時(shí)采集流量計(jì)發(fā)回的數(shù)據(jù)并發(fā)送停車命令，隨后進(jìn)行下一次裝車。

3.2 LOPA分析工作

3.2.1 人員準(zhǔn)備

SIL定級(jí)的LOPA分析工作小組由主持人、會(huì)議記錄員、該油庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和操作人員組成。其中，油庫(kù)相關(guān)人員熟悉工藝對(duì)象的安全信息，能從專業(yè)角度識(shí)別事故場(chǎng)景、IE、保護(hù)層并評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 資料準(zhǔn)備與場(chǎng)景篩選

油庫(kù)提供的用于SIL定級(jí)工作的資料主要包括HAZOP分析報(bào)告、聯(lián)鎖邏輯圖、P&ID圖、操作規(guī)程、儀表臺(tái)賬等。

本次SIL定級(jí)過(guò)程以油庫(kù)提供的資料為準(zhǔn)，在分析時(shí)，參與分析的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供的資料及現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)也作為重要依據(jù)。

SIF回路主要由以下部分構(gòu)成：

（1）檢測(cè)單元，用來(lái)指示操作過(guò)程中各參數(shù)是否處于規(guī)定許可范圍內(nèi)的設(shè)備；

（2）邏輯解算器，用于執(zhí)行SIS系統(tǒng)控制指令的設(shè)備（如PLC）；

（3）執(zhí)行單元，用于調(diào)節(jié)、干預(yù)系統(tǒng)流程的設(shè)備（如關(guān)斷閥）。

根據(jù)現(xiàn)有資料P&ID、聯(lián)鎖邏輯圖等，通過(guò)SIL分析會(huì)議，確定了包括儲(chǔ)罐液位高高聯(lián)鎖類別共16個(gè)連鎖、儲(chǔ)罐液位低低聯(lián)鎖類別共16個(gè)連鎖、發(fā)油島緊急停止按鈕2個(gè)連鎖、油氣回收緊急停止按鈕1個(gè)連鎖和發(fā)船緊急停止按鈕2個(gè)連鎖的37個(gè)SIS的SIF回路，部分連鎖如表2所示。

表2 某油庫(kù)SIF回路清單（部分）

3.2.3 SIL定級(jí)工作記錄表

本案例中SIL定級(jí)采用LOPA方法，通過(guò)LOPA方法確定每個(gè)SIF回路的SIL，依據(jù)以下步驟執(zhí)行：

（1）根據(jù)所要求風(fēng)險(xiǎn)矩陣與風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)設(shè)安全目標(biāo)；

（2）了解工藝概況，對(duì)現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別；

（3）根據(jù)企業(yè)提供的資料掌握相關(guān)儀表安全功能；（4）為各保護(hù)層分配所需安全保護(hù)措施；

（5）判斷保護(hù)措施是否滿足需要，以判斷是否要添加新的SIF回路；

（6）為配置的SIF回路指定所需SIL。

LOPA小組須考慮多重影響參數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，既包括物料密度、濃度、需求量等參數(shù)，又包括所分析場(chǎng)景的設(shè)備布置與工藝流程以及工廠人員配備與巡檢暴露情況等，這些都是SIL定級(jí)分析的基礎(chǔ)。

根據(jù)優(yōu)化后的LOPA分析方法，對(duì)油庫(kù)某儲(chǔ)油罐液位高高場(chǎng)景進(jìn)行SIL定級(jí)，分析結(jié)果如表3所示。

表3 SIL定級(jí)分析結(jié)果

在此事故場(chǎng)景中，聯(lián)鎖為汽油罐液位高高聯(lián)鎖，音叉開(kāi)關(guān)控制，液位計(jì)高報(bào)警失效，液位計(jì)假指示低，收油時(shí)汽油罐滿罐溢流設(shè)為IE，其發(fā)生概率為0.1，IPL設(shè)定為其他形式液位計(jì)報(bào)警及人員響應(yīng)。風(fēng)險(xiǎn)頻率在可容忍風(fēng)險(xiǎn)程度范圍內(nèi)，因此，保留對(duì)應(yīng)的SIL標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4 LOPA分析總結(jié)

本次通過(guò)LOPA方法對(duì)油庫(kù)的37個(gè)SIF回路進(jìn)行了SIL定級(jí)分析，37個(gè)SIF回路達(dá)到SIL保留級(jí)。所有SIF回路中作為IPL的工藝報(bào)警都起到了重要的風(fēng)險(xiǎn)削減作用。但是，因?yàn)長(zhǎng)OPA分析所需材料與信息多，分析過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、人員投入大、效率較低，可能會(huì)因分析周期較長(zhǎng)而影響某些大型化工項(xiàng)目的工期，最終對(duì)企業(yè)造成損失。

4 基于LOPA方法的SIS的SIL定級(jí)優(yōu)化

對(duì)已有的SIS進(jìn)行SIL評(píng)估，包括SIL定級(jí)和SIL驗(yàn)證兩個(gè)部分。首先，收集企業(yè)的HAZOP分析報(bào)告、P&ID圖、聯(lián)鎖邏輯圖等基礎(chǔ)資料；其次，對(duì)SIF進(jìn)行SIL評(píng)估。參與分析的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及此前HAZOP小組成員提供的資料和現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)也作為評(píng)估過(guò)程中的重要依據(jù)。

在油庫(kù)SIL定級(jí)工作中，由于LOPA法特有的優(yōu)勢(shì)，定級(jí)小組更多采用LOPA法提高頂級(jí)工作的分析精度。然而，LOPA分析也存在一定的局限性，即LOPA分析所需數(shù)據(jù)較多、分析耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。因此，可先采用耗時(shí)相對(duì)較短的定性分析方法（如風(fēng)險(xiǎn)圖分析法）確定全部SIF回路的SIL，再結(jié)合HAZOP的結(jié)果對(duì)定級(jí)為SIL2以上的SIF回路進(jìn)行LOPA分析，獲得精確的SIL。在對(duì)SIS的各SIF進(jìn)行SIL評(píng)定的過(guò)程中，使用了定性分析結(jié)合LOPA分析的方法，在確保SIL定級(jí)準(zhǔn)確性的同時(shí)，大大加快了SIL定級(jí)的速度，進(jìn)而加快了SIL評(píng)估全過(guò)程的速度。此外，選擇前期參與HAZOP分析小組的成員加入SIL定級(jí)的LOPA小組，提升了LOPA分析過(guò)程的速率與效率，確認(rèn)了之前HAZOP分析工作中提出的建議。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，LOPA方法是國(guó)內(nèi)主流的SIL評(píng)估定級(jí)技術(shù)，應(yīng)用頻率較高，但LOPA技術(shù)使用范圍較廣，面向不同企業(yè)、不同行業(yè)時(shí)可能存在冗余項(xiàng)與不足之處，各企業(yè)需結(jié)合自身情況，在GB/T 21109與GB/T 20438的基礎(chǔ)上對(duì)該技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化升級(jí)。

此外，LOPA技術(shù)是國(guó)內(nèi)進(jìn)行SIL定級(jí)時(shí)的默認(rèn)分析技術(shù)，還有多種其他方法可用于SIL定級(jí)分析，如風(fēng)險(xiǎn)圖與校正的風(fēng)險(xiǎn)圖，企業(yè)需依據(jù)自身情況選擇合適的分析方法，也可采用定量分析與定性分析相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行SIL評(píng)估?；贚OPA方法的SIF回路SIL定級(jí)方法就是一種組合分析技術(shù)，既加快了SIL定級(jí)的速度，又保證了SIL定級(jí)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際的SIL定級(jí)應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮多重因素，如項(xiàng)目工期、設(shè)備布置、項(xiàng)目特殊性等，靈活選取分析技術(shù)，必要時(shí)也可對(duì)分析技術(shù)進(jìn)行組合，在保證SIL定級(jí)準(zhǔn)確度的同時(shí)，加快SIL定級(jí)速度。