基于安全聯(lián)鎖回路的多泄放安全完整性等級(jí)校核方法

基于安全聯(lián)鎖回路的多泄放安全完整性等級(jí)校核方法

傳統(tǒng)lopa方法的分析模式在石化廠排水和火力系統(tǒng)中釋放火焰的裝置通常由幾個(gè)涂層保護(hù)，例如壓力調(diào)節(jié)電路（pcv）、超壓鎖保護(hù)電路（sif）、機(jī)械排水設(shè)備等。當(dāng)PCV和SIF保護(hù)層失效時(shí)，裝置通常由機(jī)械泄壓設(shè)備來泄放至火炬系統(tǒng)，導(dǎo)致產(chǎn)生火炬負(fù)荷。目前國內(nèi)在進(jìn)行SIL定級(jí)分析時(shí)廣泛采用保護(hù)層分析（LOPA）技術(shù)，但是IEC61511《過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)的功能安全》(Functionalsafty-safetyinstrmentedsystemsfortheprocessindustrysector)等標(biāo)準(zhǔn)采用IEC標(biāo)準(zhǔn)給出的LOPA方法對(duì)壓力設(shè)備的超壓保護(hù)SIF回路進(jìn)行定級(jí)時(shí)，只能考慮單一場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)降低需求及風(fēng)險(xiǎn)分配，不能考慮多個(gè)關(guān)聯(lián)場(chǎng)景之間的風(fēng)險(xiǎn)耦合及其對(duì)SIL定級(jí)的影響。例如，導(dǎo)致多個(gè)壓力設(shè)備發(fā)生超壓風(fēng)險(xiǎn)的單一初始事件（公用工程失效等）的發(fā)生，可能使火炬系統(tǒng)壓力超過設(shè)計(jì)值，進(jìn)而可能導(dǎo)致火炬管網(wǎng)的背壓、噪聲、馬赫數(shù)等超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，造成泄放憋壓、火炬氣泄漏甚至火災(zāi)爆炸等事故，因此存在較大的風(fēng)險(xiǎn)針對(duì)關(guān)聯(lián)泄放導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，Lopez等1在聯(lián)合排水中，對(duì)火力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和排水裝置的sil等級(jí)進(jìn)行了分析1.1有裝置前、裝置b、裝置c時(shí)有裝置前、裝置b多源同時(shí)泄放的疊加方法通過計(jì)算多裝置同時(shí)泄放時(shí)泄放路徑及泄放路徑出現(xiàn)概率得到所有可能發(fā)生的泄放情況及其發(fā)生概率舉例說明：假設(shè)電力失效情況下有裝置a、裝置b、裝置c可能發(fā)生泄放，裝置a、裝置b、裝置c的泄放概率分別為P1.2裝置sif回路再分級(jí)本文提供的方法適用于以下場(chǎng)景：為方便演示，假設(shè)（以下假設(shè)適用于本節(jié)）廠區(qū)共有M(M>0）個(gè)泄放裝置可能泄放至火炬系統(tǒng)，且目標(biāo)工況發(fā)生時(shí)可能導(dǎo)致廠區(qū)內(nèi)多個(gè)裝置發(fā)生超壓。其中有N(0<N≤M）個(gè)裝置由包括SIS系統(tǒng)在內(nèi)的保護(hù)層提供保護(hù)，在事故工況下，若保護(hù)層（諸如SIF回路、壓力調(diào)節(jié)回路PCV等）不失效則N個(gè)裝置沒有泄放到火炬的需求；反之則會(huì)泄放至火炬系統(tǒng)，產(chǎn)生火炬負(fù)荷。其他（M-N）個(gè)裝置無超壓聯(lián)鎖功能保護(hù)?？紤]關(guān)聯(lián)泄放的泄放裝置SIL定級(jí)方法步驟如下。(1）場(chǎng)景分析。對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行如下分析。(1)確認(rèn)初始場(chǎng)景：判斷初始事件是否可能導(dǎo)致多個(gè)裝置同時(shí)發(fā)生超壓。(2)確定初始事件發(fā)生時(shí)可能發(fā)生超壓泄放的裝置及各裝置在初始場(chǎng)景下的最大泄放量(2）計(jì)算M個(gè)裝置所有可能發(fā)生的泄放路徑及其發(fā)生概率。利用上述多源同時(shí)泄放的疊加方法得到M個(gè)裝置的泄放路徑及每條泄放路徑下各裝置的泄放量，每條泄放路徑的出現(xiàn)概率不同，需逐條計(jì)算。假設(shè)共有I條泄放路徑，以第i條泄放路徑為例，該泄放路徑中有J個(gè)設(shè)備發(fā)生泄放，則第i條泄放路徑的出現(xiàn)概率P式中，α假設(shè)第i條泄放路徑中第j個(gè)裝置由H個(gè)獨(dú)立保護(hù)層提供超壓保護(hù)，則PFD式中，PFD(3）計(jì)算火炬管網(wǎng)參數(shù)超高事件發(fā)生頻率。使用API521提供的計(jì)算方法或相關(guān)軟件計(jì)算每條泄放路徑下各泄放裝置安全閥背壓、管道壓力、管道馬赫數(shù)、噪聲等參數(shù)。假設(shè)在所有泄放路徑中共有K條出現(xiàn)火炬管網(wǎng)參數(shù)超高的情況，火炬管網(wǎng)參數(shù)超高的概率PFD事故發(fā)生頻率f由式（4）得出：式中，P(4）判斷是否需要對(duì)部分泄放裝置進(jìn)行SIF回路再定級(jí)。確定火炬管網(wǎng)參數(shù)超高可能導(dǎo)致的事故及其后果，并根據(jù)廠區(qū)提供的風(fēng)險(xiǎn)矩陣確定事故的后果嚴(yán)重性等級(jí)(5）選取一個(gè)裝置，對(duì)其SIF回路的SIL等級(jí)進(jìn)行重新定級(jí)。選取重新進(jìn)行SIL定級(jí)的裝置時(shí)應(yīng)遵循盡量減少重新定級(jí)的SIF回路個(gè)數(shù)的原則，并優(yōu)先將對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響較大的泄放裝置的SIF回路重新定級(jí)。因此定義N個(gè)裝置的選取順序：依據(jù)所有可能存在風(fēng)險(xiǎn)的泄放路徑中同一裝置的出現(xiàn)次數(shù)由大到小為泄放裝置進(jìn)行排序（需要注意的是僅對(duì)由SIF回路保護(hù)的裝置進(jìn)行排序）。通常第一次選取裝置進(jìn)行SIL等級(jí)重新定級(jí)時(shí)應(yīng)選取順序中位于第一位的裝置。所選裝置的SIF回路風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF由式（5）得出：式中，f計(jì)算選取裝置未實(shí)施SIS保護(hù)層時(shí)的危險(xiǎn)頻率f人員傷亡概率式中，P式中,PFD所選裝置的SIF回路風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF與SIL等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。根據(jù)GB/T21109的要求：分配給安全儀表系統(tǒng)儀表安全功能的安全完整性等級(jí)不能高于4，且由于安全完整性等級(jí)4需滿足苛刻的條件，安全完整性等級(jí)4的應(yīng)用較為罕見(6）若滿足風(fēng)險(xiǎn)降低要求，則輸出各裝置SIF回路的SIL等級(jí)；若不能，則進(jìn)行下一步。(7）再次選取裝置，進(jìn)行SIF回路重新定級(jí)。將步驟（5）所選裝置的SIF回路SIL等級(jí)調(diào)整為廠區(qū)可接受的最大等級(jí)，并依據(jù)裝置選取順序選取下一位裝置，重復(fù)步驟（5）～步驟（7），直到滿足風(fēng)險(xiǎn)降低需要。(8）得到所有需要進(jìn)行SIF回路重新定級(jí)的裝置及符合要求的SIL等級(jí)。考慮關(guān)聯(lián)泄放的SIL定級(jí)方法流程圖如3所示。2安全閥的設(shè)置某石化廠一聯(lián)合裝置群共有五套設(shè)備，簡(jiǎn)記為A、B、C、D、E，這五套設(shè)備均泄放至同一火炬系統(tǒng)，設(shè)備A、B、C、D、E對(duì)應(yīng)的安全閥編號(hào)分別為1、2、3、4、5。圖4為本實(shí)例的火炬系統(tǒng)流程示意圖。精餾塔C、精餾塔D、精餾塔E均由2oo3結(jié)構(gòu)的SIF回路C、SIF回路D、SIF回路E保護(hù)。本實(shí)例選擇停電工況進(jìn)行泄放裝置SIL等級(jí)分析，停電工況發(fā)生時(shí)設(shè)備A、B、C、D、E均可能發(fā)生泄放。已知部分部件的參數(shù)如表2所示。2.1sif回路的風(fēng)險(xiǎn)降低因子使用LOPA技術(shù)確定SIL等級(jí)的程序可由標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)獲得SIF回路C的風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF由式（8）可得。式中，PFD精餾塔D、精餾塔E的風(fēng)險(xiǎn)降低因子計(jì)算同理。由LOPA方法確定的各SIF回路SIL等級(jí)如表3所示。2.2火炬系統(tǒng)泄放路徑(1）場(chǎng)景分析。停電工況下，設(shè)備A、設(shè)備B、精餾塔C、精餾塔D、精餾塔E均可能發(fā)生泄放，其最大泄放量如表2所示。停電導(dǎo)致精餾塔C、D、E的底泵全部停機(jī)，精餾塔C、D、E由于塔內(nèi)壓力升高同時(shí)泄放至火炬管網(wǎng)，超過火炬處理能力，火炬管網(wǎng)壓力超高導(dǎo)致安全閥無法正常打開，造成裝置和管道憋壓、破裂，導(dǎo)致重大可燃物料泄漏(2）求解泄放路徑及泄放路徑出現(xiàn)概率。(1)在本實(shí)例中，設(shè)備A、B在裝置停電工況下通過安全閥向火炬系統(tǒng)泄放，根據(jù)廠區(qū)歷史數(shù)據(jù)，停電工況下設(shè)備A的泄放概率PFD(2)精餾塔C、D、E分別由2oo3結(jié)構(gòu)的SIF回路和安全閥保護(hù)，以精餾塔C為例，停電工況下SIF回路C和安全閥3同時(shí)失效時(shí)，精餾塔C會(huì)泄放至火炬系統(tǒng)。精餾塔C、D、E的泄放概率如表4所示。因此停電工況下的泄放組合、泄放路徑如表5所示，每條泄放路徑下各設(shè)備的泄放量及泄放路徑的出現(xiàn)概率如表6所示。(3）計(jì)算超壓事故發(fā)生頻率。使用AspenFlarenet軟件對(duì)本實(shí)例中的火炬管網(wǎng)建模由表7可知，背壓超高的泄放路徑有M1、M4、M5、M6、M10、M11、M12。根據(jù)式（3）可得背壓超高的概率為：PFD(4）判斷是否需要SIF回路再定級(jí)。由場(chǎng)景分析可知后果嚴(yán)重等級(jí)評(píng)定為5。據(jù)后果等級(jí)和事故發(fā)生頻率得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“中”，因此可通過部分裝置SIF回路重新定級(jí)將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降至“低”。2.3考慮關(guān)聯(lián)泄放的sif回路再分級(jí)由2.2節(jié)可知背壓超高的泄放路徑有M1（裝置ABC同時(shí)泄放）、M4（裝置ABCD同時(shí)泄放）、M5（裝置ABCD同時(shí)泄放）、M6（裝置ABCE同時(shí)泄放）、M10（裝置ABCDE同時(shí)泄放）、M11（裝置ABCDE同時(shí)泄放）、M12（裝置ABCDE同時(shí)泄放），根據(jù)上述泄放路徑中同一裝置的出現(xiàn)次數(shù)，裝置選取序列為：精餾塔C(7次）>精餾塔D(5次）>精餾塔E(4次）。本節(jié)選擇精餾塔C進(jìn)行SIF回路重新定級(jí)。停電工況下精餾塔C無SIS系統(tǒng)保護(hù)時(shí)獨(dú)立保護(hù)層為安全閥3，所以此時(shí)精餾塔C的泄放概率應(yīng)為安全閥3的失效概率，即0.085。精餾塔C無SIS系統(tǒng)保護(hù)狀態(tài)下超壓泄放路徑及出現(xiàn)概率如表8所示?！暗汀憋L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)最大可接受危險(xiǎn)頻率f對(duì)比2.1節(jié)，本節(jié)由“考慮關(guān)聯(lián)泄放的SIL定級(jí)方法”確定的精餾塔C的SIF回路C的SIL等級(jí)（SIL2）高于傳統(tǒng)LOPA方法確定的SIL等級(jí)（SIL1），說明傳統(tǒng)LOPA方法確定的SIL等級(jí)過低，不能滿足本實(shí)例中廠區(qū)風(fēng)險(xiǎn)降低的需要。兩種方法確定的SIF回路C的SIL等級(jí)的不同主要來源于以下兩方面：(1)在對(duì)SIF回路C進(jìn)行定級(jí)時(shí)，與僅考慮精餾塔C泄放的傳統(tǒng)LOPA方法相比，本節(jié)考慮了停電工況下聯(lián)合裝置的五套設(shè)備同時(shí)泄放的可能，此時(shí)火炬管網(wǎng)承受的總泄放量和負(fù)荷明顯大于僅考慮精餾塔C泄放時(shí)火炬管網(wǎng)承受的泄放量與負(fù)荷。更大的泄放量與火炬管網(wǎng)負(fù)荷將導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故后果，因此本節(jié)場(chǎng)景分析得到的事故后果等級(jí)（5級(jí)）高于2.1節(jié)傳統(tǒng)LOPA方法得到的后果等級(jí)（4級(jí)），進(jìn)而導(dǎo)致了兩種方法確定的最大可接受危險(xiǎn)頻率f(2)停電工況（初始事件）發(fā)生時(shí)，使用傳統(tǒng)LOPA方法和“考慮關(guān)聯(lián)泄放的SIL定級(jí)方法”對(duì)SIF回路C定級(jí)時(shí)使用的初始事件發(fā)生頻率（P3sil分級(jí)“校核”的必要性(1）針對(duì)目前廠方對(duì)泄放裝置SIF保護(hù)回路進(jìn)行SIL定級(jí)時(shí)不考慮同一初始事件導(dǎo)致多個(gè)裝置泄放的情況，本文基于多源同時(shí)泄放的火炬負(fù)荷疊加技術(shù)，提出了