安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估在燃氣鍋爐中的應用

安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估在燃氣鍋爐中的應用姜巍巍;王曉菡;李榮強【摘要】介紹了安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估在燃氣鍋爐中的應用，通過SIL等級評估可以查找安全儀表系統(tǒng)安全儀表功能回路存在的薄弱環(huán)節(jié),合理設置和維護管理安全儀表系統(tǒng)，滿足其應有的風險降低，提升過程安全管理水平.【期刊名稱】《安全、健康和環(huán)境》【年(卷)，期】2017(017)012【總頁數(shù)】5頁(P34-38)【關鍵詞】安全儀表系統(tǒng);安全完整性等級;燃氣鍋爐【作者】姜巍巍;王曉菡;李榮強【作者單位】中國石化青島安全工程研究院,山東青島266071;中國石油華東設計院有限公司仙東青島266071;中國石化青島安全工程研究院仙東青島266071【正文語種】中文安全儀表系統(tǒng)是石化生產(chǎn)裝置的重要保護措施，由傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件組成，用來監(jiān)視工藝過程的狀態(tài)，判斷危險條件，并在危險條件出現(xiàn)時適當動作以防止危險事件發(fā)生。合理、可靠的安全儀表系統(tǒng)可以有效避免生產(chǎn)事故，降低事故給設備、環(huán)境和人員造成的危害。國內(nèi)夕卜典型事故案例表明，不少重大事故都與安全儀表系統(tǒng)設置不當以及非正常失效有關，安全儀表系統(tǒng)的可靠性指標已經(jīng)關系到石化裝置是否能夠安穩(wěn)運行，是否能夠有效避免重大事故及非計劃停車帶來的經(jīng)濟損失。2005年，英國倫敦邦斯菲爾德油庫發(fā)生爆炸，事故造成43人受傷和近10億英鎊的經(jīng)濟損失。事故調(diào)查委員會認為應加強預防性保護措施，尤其是溢油保護系統(tǒng)，并提高該系統(tǒng)的可靠性即SIL等級，分析和評價它的可靠性，在設計、安裝、調(diào)試和運行中保持其需求的SIL等級。為加強化工安全儀表系統(tǒng)管理，防止和減少危險化學品事故發(fā)生，國家安全監(jiān)管總局下發(fā)了《關于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》（安全監(jiān)管三〔2014）116號），要求〃涉及’兩重點一重大’的化工裝置和危險化學品儲存設施，要按照本指導意見的要求設計符合相關標準規(guī)定的安全儀表系統(tǒng)”。中國石化集團公司發(fā)布的《中國石化安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估管理規(guī)定》（中國石化安c2013）259號），規(guī)范了安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估，并要求各企事業(yè)單位、股份公司各（分）子公司應結合自身實際情況制定實施。中國石油化工集團公司安全管理手冊（M01-2015）和中國石化生產(chǎn)安全風險管理規(guī)定試行（中國石化安[2017]625號）等都對安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估有明確要求。1安全儀表系統(tǒng)重要概念1.1安全完整性等級（SIL）安全完整性等級是指在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)，安全儀表系統(tǒng)成功實現(xiàn)所要求的安全功能的概率。標準中規(guī)定了4種安全完整性等級，安全完整性等級4為最高，安全完整性等級1為最低。表1安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級目標失效量。1.2安全生命周期安全儀表系統(tǒng)的生命周期對安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估具有非常重要的意義，保證每一個環(huán)節(jié)都考慮功能安全，從設計源頭開始進行安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估可以最大程度地降低生產(chǎn)過程中的風險，同時保證安全儀表系統(tǒng)方面的投資成本做到有的放矢。表1安全完整性等級目標失效量安全完整性水平(SIL)平均失效概率PFD4[10-5,10-4)3[10-4,10-3)2[10-3,10-2)1[10-2,10-1)安全儀表系統(tǒng)的生命周期主要分為設計、危險分析、安全儀表功能分配、系統(tǒng)集成、現(xiàn)場安裝、系統(tǒng)運維、更新?lián)Q代等階段。安全儀表系統(tǒng)生命周期見圖1。圖1安全儀表系統(tǒng)的生命周期SIL等級評估主要內(nèi)容安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估主要包括以下內(nèi)容。安全儀表功能辨識。根據(jù)所提供的技術資料(PID圖、聯(lián)鎖因果圖或邏輯圖等)，通過危險分析，明確設計意圖，完成安全儀表功能辨識。主要的方法有危險與可操作分析法等。SIL定級。針對每一個安全儀表功能進行風險評估，結合每個公司的風險矩陣或可接受風險水平，考慮人員傷亡風險、環(huán)境影響風險及經(jīng)濟損失風險，確定安全儀表功能的SIL等級。主要的方法有風險圖法、矩陣法、保護層分析法等。SIL驗證。根據(jù)現(xiàn)場安全儀表功能(SIF)回路組成和所用儀表情況，建立回路的可靠性模型，選用合適的失效數(shù)據(jù)計算安全儀表功能要求時的失效概率PFD，明確其能達到的SIL等級。主要的方法有可靠性框圖法、故障樹法、馬爾科夫法等。結構約束評估。根據(jù)SIL定級結果要求，結合現(xiàn)場安全儀表系統(tǒng)配置情況，進行結構約束評估。檢驗測試周期。針對不符合SIL等級要求的安全儀表功能，計算符合目標SIL要求的檢驗測試周期，為科學制定維護策略提供幫助。相關建議措施。從危險與風險分析、SIL驗證、操作維護、規(guī)范要求等4個方面，綜合分析評估，提出相關建議措施。SIL等級評估應用3.1燃氣鍋爐情況本次分析的燃氣鍋爐的主要工藝過程如下。a） 燃料燃燒過程：燃料氣T燃氣分液罐T燃燒器-（完成燃燒）T高溫煙氣。b） 煙氣向工質(zhì)傳熱過程：高溫煙氣-（輻射）T水冷壁-（輻射對流）T過熱-（對流）一省煤器一低溫煙氣排向大氣。0工質(zhì)的加熱汽化過程：除鹽水一除氧器一中壓給水泵一省煤器一汽包-（下降管）一下聯(lián)箱一水冷壁管束-（輻射對流、汽水混合物）一汽包一飽和蒸汽一過熱器一過熱蒸汽一用戶。燃油燃氣鍋爐不同于燃煤鍋爐，它需要使用燃燒器將燃氣噴入鍋爐爐膛，噴入爐內(nèi)的燃氣如果與空氣在一定范圍內(nèi)混合或熄滅，就容易爆炸。因此燃氣鍋爐均需采用自動化的燃燒與控制系統(tǒng)。3.2燃氣鍋爐SIL定級通過SIL定級會議，對動力車間燃氣（燃油）鍋爐辨識出的9個安全儀表回路，其中新增3個安全儀表回路，確定了10個安全儀表功能。針對其安全功能、觸發(fā)事件或原因、邏輯處理器、執(zhí)行元件以及風險狀況等進行了逐項分析和討論記錄。SIL分析確定會議主要是綜合考慮人員傷亡風險、環(huán)境影響風險及經(jīng)濟損失風險確定所需求的SIL等級，然后選擇其中需求較高的SIL等級作為特定SIF回路需求的SIL等級。燃氣鍋爐安全儀表功能及定級結果見表2。表2燃氣鍋爐安全儀表系統(tǒng)安全儀表功能及定級結果SIF號SIF標識SIF描述最終元件安全完整性等級人員傷害環(huán)境影響財產(chǎn)損失目標SILSIF01LSLL6106A/B（2oo2）鍋爐汽包液位低于15%,切斷燃料氣關閉燃料氣緊急切斷閥（XCV6107A）N/AN/AAIL1SIL1SIF02APSLL6116A燃料氣壓力低于0.01MPa,切斷燃料氣關閉XCV6107ASIL2N/AAIL2SIL2SIF02BPSLL6116A燃料氣壓力低于0.01MPa,切斷燃料氣關閉XCV6107ASIL0N/AAIL0SIL0SIF03BS6011/2/3/4（3oo4）鍋爐熄火聯(lián)鎖，切斷燃料氣關閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF04FA-6101A鼓風機故障停，切斷燃料氣關閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF05FA-6102A引風機故障停，切斷燃料氣關閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF06PSLL6104中壓除氧水壓力低于5.4MPa啟動備用泵啟動備用泵SIL1N/AAIL1SIL1SIF07PSHH-（建議增加）鍋爐汽包壓力高高聯(lián)鎖，切斷燃料氣關閉XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF08PSHH-（建議增加）爐膛壓力高高聯(lián)鎖，切斷燃料氣關閉XCV6107ASIL2N/AAIL2SIL2SIF09LSHH-（建議增加）鍋爐汽包液位高高聯(lián)鎖，關閉上水閥關閉上水閥N/AN/AAIL2SIL2燃氣鍋爐裝置安全儀表功能分類匯總?cè)绫?所示。表2燃氣鍋爐裝置安全儀表功能分類匯總目標等級數(shù)量占比,％SIL0110SIL1660SIL2330總計101003.3SIL驗證基于GB/T20438、GB/T21109和PDS手冊中推薦使用的PFDavg計算方法，結合專業(yè)故障樹計算軟件，計算了現(xiàn)有各SIF回路需求時的平均失效概率PFDavg。其中，MTTR=8小時，Ti=4年；根據(jù)企業(yè)提供的SIF回路所用儀表型號，對比分析失效數(shù)據(jù)庫EXIDA和PDSdatahandbook2010，采用較保守數(shù)據(jù)進行SIL驗證計算。圖2給出了可靠性計算模型示例，表3燃氣鍋爐安全儀表功能SIL驗證結果。進行了6個SIL1以上的回路PFD計算和分析，表4給出了符合性評價結果。3.4建議措施圖2燃料氣壓力低低聯(lián)鎖，切斷燃料氣從危險與風險分析、SIL驗證、操作維護、規(guī)范要求等4個方面綜合分析評估，對燃氣鍋爐安全儀表系統(tǒng)提出以下建議措施。a）燃氣鍋爐汽包液位低低聯(lián)鎖LSLL6106A/B（2oo2）回路，液位控制、報警和聯(lián)鎖儀表共用LT6106A/B，考慮保護層的獨立性原則，控制、報警和聯(lián)鎖儀表應獨立設置。b） 燃氣鍋爐燃料氣壓力低低聯(lián)鎖PSLL6116A回路，目標安全完整性等級為SIL2，改進措施如下：①燃料氣壓力變送器采用三取二冗余結構；②傳感單元取壓點設置在阻火器和火嘴中間；③燃料氣管線增加一臺切斷閥，或聯(lián)鎖關閉壓力調(diào)節(jié)閥（增設電磁閥）且為嚴密切斷閥。表3燃氣鍋爐安全儀表功能SIL驗證結果SIF號SIF標識最終元件目標SILPFDavg是否滿足SIL結構約束是否滿足要求SIF降低后風險SIF01LSLL6106A/B（2oo2）關閉XCV6107ASIL16.25E-2是是低風險SIF02APSLL6116A關閉XCV6107ASIL25.76E-2否否中風險SIF02BPSLL6116A關閉XCV6107ASIL0是低風險SIF03BS6011/2/3/4（3oo4）關閉XCV6107ASIL15.44E-2是是低風險SIF04FA-6101A關閉XCV6107ASIL15.59E-2是是低風險SIF05FA-6102A關閉XCV6107ASIL15.59E-2是是低風險SIF06PSLL6104啟動備用泵SIL18.77E-3是是低風險SIF07（新增）PSHH-關閉XCV6107ASIL1SIF08（新增）PSHH-關閉XCV6107ASIL2SIF09（新增）LSHH-關閉上水閥SIL2表4鍋爐裝置符合性情況目標等級數(shù)量符合PFD要求不符合PFD要求SIL1550SIL2101匯總651c） 長明燈管線獨立設置，并設置長明燈壓力低低聯(lián)鎖（工藝確定合理設定值）。d） 增設燃氣鍋爐汽包壓力高高聯(lián)鎖，防止超壓，目標完整性等級為SIL1。e） 增設爐膛壓力高高聯(lián)鎖，防止爐膛正壓，目標安全完整性等級為SIL2。f） 增設燃氣鍋爐汽包液位高高聯(lián)鎖，防止蒸汽管網(wǎng)帶液，目標安全完整性等級為SIL2。g） 按照檢驗測試周期（Ti）為4年（8760小時/年），進行SIL驗證計算，1個SIL2等級的SIF不滿足風險降低要求，調(diào)整執(zhí)行機構的檢驗測試周期為4380小時(半年)。4體會SIL評估分析組應該由企業(yè)和技術服務單位的多名專家組成，其中應該包括工藝、設備、儀表、安全等專業(yè)人員，為便于建議措施整改，分析組還應包括設計人員。SIL評估主要采用國外的失效數(shù)據(jù)庫，我國煉化企業(yè)缺少自己的安全儀表失效數(shù)據(jù)源，建議有條件的企業(yè)逐步積累形成自己的安全儀表失效數(shù)據(jù)庫。評估過程應充分考慮各保護層的獨立性，特別關注共用取壓點、報警和安全儀表功能共用傳感器、過程控制回路和安全儀表功能共用執(zhí)行機構的情況。應規(guī)范石化安全儀表系統(tǒng)的設計，從設計源頭開始進行安全儀表系統(tǒng)SIL等級評估，