SIL技術(shù)在鎮(zhèn)海煉化的應(yīng)用

陳 捷,董紹平

(中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司機(jī)動處,浙江寧波 315207)

0 前 言

安全儀表系統(tǒng) SIS(SafetyInstrumented Systems)是一種自動安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),它是保證正常生產(chǎn)和人身、設(shè)備安全必不可少的措施,已發(fā)展成為工業(yè)自動化的重要組成部分。中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司絕大多數(shù)裝置均設(shè)置了SIS,為裝置的安全運(yùn)行起到很重要的保障作用。但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)同時表明,SIS設(shè)置的水平,對裝置的可靠性和安全運(yùn)行影響極大。SIS設(shè)計不當(dāng),可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的誤跳車或拒動作,不利于裝置的安全和長周期運(yùn)行。統(tǒng)計表明,SIS的安全、可靠與否與設(shè)計任務(wù)書的提出及SIS的維護(hù)、改進(jìn)直接相關(guān),如圖1所示。為確保SIS能適應(yīng)裝置安全與長周期運(yùn)行的目的,并為新上煉油化工一體化裝置SIS設(shè)計和應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)與培養(yǎng)人才,該公司在中國石化股份公司總部的支持下,與浙江工業(yè)大學(xué)共同開展了SIS安全完整性等級SIL(Safety Integrity Level)與誤跳車分析工作,獲得了良好的應(yīng)用效果。

圖1 與控制系統(tǒng)相關(guān)的事故原因統(tǒng)計

SIL技術(shù)是一項用于評估SIS安全完整性的新興技術(shù),自2004年引入國內(nèi)以來,由合肥通用機(jī)械研究院、浙江工業(yè)大學(xué)及WW Consultancy& Services(Singapore)組成的課題組率先在該公司Ⅰ套加氫裂化裝置上開展應(yīng)用。到目前為止,已先后在循環(huán)流化床CFB鍋爐等4套裝置上開展了SIL技術(shù)應(yīng)用。通過對上述裝置開展應(yīng)用研究,發(fā)現(xiàn)原設(shè)計SIS中存在的問題和不足,并提出科學(xué)合理的對策,從而為裝置的安全和長周期運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。

1 SIL技術(shù)在裝置上的應(yīng)用

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

該公司通過與SIL研究課題組合作,對公司的部分裝置進(jìn)行SIS的定量評估,從公司風(fēng)險接受水平的確定、SIS平均失效概率、誤跳車情況以及關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生失效的后果分析等采用定量分析技術(shù),從而使評估的結(jié)果更加準(zhǔn)確,便于技術(shù)的推廣應(yīng)用。

根據(jù)IEC 61508,IEC 61511標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,SIL評價貫穿于SIS的整個安全生命周期——從系統(tǒng)的設(shè)計制造、安裝運(yùn)行、操作維護(hù)、驗(yàn)證直至退出使用[1-2]。因此,無論是裝置的設(shè)計階段還是運(yùn)行階段,均可進(jìn)行SIL技術(shù)方面的研究分析。該公司通過對Ⅰ套加氫裂化裝置進(jìn)行SIL技術(shù)研究,發(fā)現(xiàn)了原設(shè)計SIS中存在的潛在隱患,在課題組提供研究成果之后,對新上Ⅱ套加氫裂化裝置聯(lián)鎖回路的設(shè)計、相應(yīng)設(shè)備及儀表的選型提出相應(yīng)的指導(dǎo)意見,采納實(shí)施后效果良好。

SIL全稱為安全功能的完整性等級技術(shù),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,SIL評估過程涉及影響裝置安全的所有安全功能,從工藝的設(shè)計、安全裝置的配置、儀表的配置及設(shè)置,到人員保護(hù)措施的配置等,都須進(jìn)行定量評估。因而執(zhí)行SIL評估可對裝置的安全進(jìn)行全面分析,得到的結(jié)果不但只針對儀表,還涵蓋工藝、設(shè)備、儀表、人員安全保護(hù)等多個方面及專業(yè),對協(xié)調(diào)不同專業(yè)在裝置安全中的配合、安全功能的分配及裝置的新建與改造,都具有廣泛的指導(dǎo)作用。

此外,該公司在開展SIL評估過程中,除了認(rèn)真學(xué)習(xí)吸收課題組提供的技術(shù)指導(dǎo)和支持外,發(fā)揮企業(yè)自身優(yōu)勢,管理、工藝、設(shè)備、儀表、安全等各個專業(yè)的人員參與其中,對SIL研究的開展提供必要的信息、數(shù)據(jù),與SIL課題組展開廣泛的交流合作。同時在項目實(shí)施過程中,先后委托浙江工業(yè)大學(xué)、合肥通用機(jī)械研究院等對項目組成員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn),促進(jìn)了評估技術(shù)的消化、評估成果的應(yīng)用與推廣,使得SIL研究成果更加適合工廠情況,為其實(shí)踐應(yīng)用提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 評估成果示例

通過對Ⅰ,Ⅱ套加氫裂化裝置及Ⅱ,Ⅳ電站循環(huán)流化床CFB鍋爐開展SIL評估,依據(jù)聯(lián)鎖回路安全與可靠性計算結(jié)果,對裝置聯(lián)鎖回路中存在聯(lián)鎖不足或誤跳車概率過大的聯(lián)鎖回路,提出了合理可行的解決方法。對于部分已滿足安全要求的聯(lián)鎖回路,提出了聯(lián)鎖回路優(yōu)化的措施,并對改進(jìn)措施的投資回報率進(jìn)行了相應(yīng)計算,為現(xiàn)場改進(jìn)措施的執(zhí)行提供參考。在上述項目的實(shí)施過程中,對合成氨氣化爐的部分聯(lián)鎖回路也進(jìn)行SIL定量評估,及時發(fā)現(xiàn)了聯(lián)鎖設(shè)置中存在的潛在安全問題,對安全聯(lián)鎖回路的改進(jìn),起到了有效的指導(dǎo)作用。對SIS進(jìn)行安全和誤跳車分析,使其性能具有合理的水平,既能防止拒動作,又能避免發(fā)生誤動作,對于減小事故的發(fā)生以及避免經(jīng)濟(jì)損失具有重要的意義[3-5]。

1.3 定量評估的示范性作用

SIL技術(shù)研究的對象是具體的SIS,而不同裝置的SIS其工作原理及發(fā)揮的作用往往存在相似性,尤其是同類裝置的聯(lián)鎖經(jīng)驗(yàn)值得借鑒和引用。因此企業(yè)開展SIL定量評估,通過自身學(xué)習(xí)參與,可以在全公司起到示范性作用,有利于促進(jìn)企業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和管理水平的提高。

通過在多套裝置開展SIL評估,得到了一些具有示范作用的經(jīng)驗(yàn)或結(jié)論。

a)獲得了典型的工藝壓縮機(jī)、加熱爐、分離器、風(fēng)機(jī)、給料機(jī)等設(shè)備常用的溫度、液位、壓力、振動等的聯(lián)鎖回路的設(shè)置及SIL要求,所得到的經(jīng)驗(yàn)可在公司其他裝置的 SIS選型、改造過程中應(yīng)用。

b)掌握了依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)要求,進(jìn)行聯(lián)鎖設(shè)備的選型及其配置的方法,SIS中傳感器類型、故障預(yù)設(shè)值、特殊的高可靠性閥門設(shè)置等方法,可用于其他裝置的聯(lián)鎖改進(jìn)。

c)掌握了SIL評估中回路的充分必要性分析方法,對SIS的優(yōu)化及改造具有指導(dǎo)作用。

d)掌握了提高聯(lián)鎖回路SIL的聯(lián)鎖測試方法及測試要求,對其他裝置聯(lián)鎖回路可靠性提供了依據(jù)。

e)掌握了HAZOP,QRA等在SIL評估中的常用分析方法,可應(yīng)用于其他裝置。

2 取得的成果

2.1 成果內(nèi)容

通過對上述裝置開展SIL評估,對裝置SIS設(shè)置提出了很多具體的建議及合理可行的改進(jìn)措施。對長期以來困擾SIS設(shè)置及使用方面的問題給出了解決方法,取得了切合實(shí)際的成果。

a)依據(jù)中國石化股份公司及該公司實(shí)際情況,制訂了適用于該公司的聯(lián)鎖回路定量安全評估適用的風(fēng)險矩陣。

b)獲得了加氫裂化裝置加爐、分離器、壓縮機(jī)、循環(huán)氫脫硫塔等聯(lián)鎖的SIL及相應(yīng)改進(jìn)建議;獲得了CFB鍋爐主燃料切斷聯(lián)鎖、給料機(jī)、風(fēng)機(jī)、吹掃等聯(lián)鎖的SIL及改進(jìn)建議。利用SIL技術(shù)開展了合成氨部分回路的評估,及時消除了可能存在的安全隱患。

c)對安全無法滿足的聯(lián)鎖回路提出了改進(jìn)措施,包括儀表的選型、高可靠性聯(lián)鎖閥的設(shè)置及聯(lián)鎖的測試等。如液位開關(guān)與液位變送器的選用,故障安全型與非故障安全型的選用原則等。

d)獲得了降低SIS誤跳車的常用改進(jìn)方法,如聯(lián)鎖的手動改進(jìn)措施,高可靠性低誤跳車聯(lián)鎖的設(shè)置方法;雙接點(diǎn)按鈕的應(yīng)用,手動聯(lián)鎖的使用,“二取一”儀表的特殊使用方法以及特殊電磁閥的配置方法。

e)提出了在SIS生命周期內(nèi)被認(rèn)為是好的國際相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)供同類企業(yè)參考。

2.2 誤區(qū)的消除

在企業(yè)推廣SIL評估技術(shù),通過同步參與SIL課題組工作,可以使企業(yè)人員獲得定量風(fēng)險控制的理念,消除了石化裝置風(fēng)險控制過程中的諸多誤區(qū)。

a)真正了解到SIL評估是安全完整性評估,并不僅僅針對儀表系統(tǒng)所開展的評估。SIL技術(shù)是在對裝置風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,在綜合考慮工藝、設(shè)備、儀表等各專業(yè)在裝置安全保障中的作用的基礎(chǔ)上開展的安全完整性評估,那種認(rèn)為SIL評估僅僅針對儀表專業(yè)的認(rèn)識是不全面的。

b)了解定量風(fēng)險在石化裝置風(fēng)險控制中的作用,明確SIL評估的目的并不是消除風(fēng)險,而是使裝置的風(fēng)險控制在可接受的水平,并在此前提下盡可能降低裝置的誤跳車。將風(fēng)險控制目標(biāo)定為零風(fēng)險或零誤跳車,都是不科學(xué)的,聯(lián)鎖的設(shè)置應(yīng)在滿足安全的前提下,實(shí)現(xiàn)安全與誤跳車的平衡點(diǎn)。

c)糾正了SIS中故障安全型與非故障安全型設(shè)置應(yīng)用中的誤區(qū),了解到如何使用標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)裝置SIS的故障狀態(tài)預(yù)設(shè)及不同設(shè)置方法的要求。

d)明確了工藝人員在風(fēng)險控制中的作用及要求,糾正了將裝置安全過分依賴于工藝人員的誤區(qū),對指導(dǎo)裝置聯(lián)鎖的設(shè)置起到重要作用。

此外,通過SIL評估項目的開展,工藝、設(shè)備、儀表等相關(guān)專業(yè)人員可以有一個共同交流學(xué)習(xí)平臺,認(rèn)清生產(chǎn)裝置是一個有機(jī)的系統(tǒng),各專業(yè)之間互相影響、相互制約,只有大家都掌握了科學(xué)的方法,才能真正使裝置安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

3 制約因素

3.1 工藝計算要求高

SIL評估是一項與生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合的技術(shù),因此在進(jìn)行某些具體定量分析時,不可避免地要進(jìn)行工藝方面的計算。以Ⅰ套加氫裂化裝置的高、低壓分離器為例,當(dāng)高壓分離器底部液位過低時,高壓氣相會串至下游的低壓分離器,低壓系統(tǒng)存在超壓的風(fēng)險。因此在進(jìn)行SIL分析時,必須考慮串壓發(fā)生時設(shè)備及管道內(nèi)的流體流動情況,包括流速、壓力變化等情況,只有分析清楚了這些情況的工藝機(jī)理,才能確定危險發(fā)生時裝置操作人員能否及時處理,才能確定此處需要多高等級的SIS。

3.2 定量計算要求高

依據(jù)IEC 61511規(guī)定,SIS的安全等級是依據(jù)聯(lián)鎖在指令模式下的平均失效概率或每小時的失效概率確定的。在聯(lián)鎖使用中,儀表的故障狀態(tài)預(yù)設(shè)值、維修時間和裝置重啟時間等,都對失效概率的計算具有影響。特別是在計算平均失效概率時,傳統(tǒng)的故障樹具有諸多困難。因而在SIL評估中,真正準(zhǔn)確的計算,大多數(shù)情況下使用Markov模型。但由于該模型涉及的因素復(fù)雜,計算工作量大,因而一般通過計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn),這是影響到現(xiàn)場人員開展SIL定量評估的一個很大制約。

3.3 數(shù)據(jù)庫的不足

在進(jìn)行SIL評估中,聯(lián)鎖設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)是評估必須具備的,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度直接關(guān)系到評估結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。在這個方面,國外由于可靠性研究開展較早,且經(jīng)過多年積累,基本建成了從儀表、閥門到設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)庫,如用于海上平臺的Oreda數(shù)據(jù)庫、CCPS的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫及Exida的聯(lián)鎖設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫等。由于國內(nèi)在工程可靠性方面,以前多處于理論研究的狀態(tài),實(shí)際工程應(yīng)用不多,因此石化裝置設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)庫,是SIL評估中亟待解決的問題。在已經(jīng)開展的SIL評估中,一般是借鑒國外的失效率數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ),結(jié)合裝置的實(shí)際情況進(jìn)行確定,即目前的評估工作需在借鑒國外同類數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上加以修正進(jìn)行。由此得出,要使評估結(jié)果更客觀,必須建立適應(yīng)于國內(nèi)特點(diǎn)的可靠性數(shù)據(jù),才能使評估結(jié)果更接近實(shí)際。

4 結(jié)束語

該公司通過開展定量SIL評估,其特色是在引進(jìn)吸收國際上先進(jìn)的工業(yè)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上,提高了相關(guān)裝置SIS的可靠性,并且在后續(xù)的工作中逐步應(yīng)用于其他裝置的SIL技術(shù)研究,從而實(shí)現(xiàn)了公司從單個裝置的試點(diǎn)逐步推廣應(yīng)用到其他裝置,對公司提高科學(xué)管理水平,裝置穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

SIL技術(shù)是近些年來在國內(nèi)石化裝置開展的風(fēng)險控制技術(shù),通過在該公司的實(shí)施,表明該技術(shù)在石化裝置系統(tǒng)風(fēng)險控制中具有實(shí)際意義,尤其對整合各專業(yè)在系統(tǒng)風(fēng)險控制中的作用,發(fā)現(xiàn)及改進(jìn)裝置中可能存在的不安全因素,指導(dǎo)新建裝置的設(shè)計及裝置的改造等,均具有明顯的效果。今后企業(yè)應(yīng)在聯(lián)鎖變更時采用SIL評估,使變更更加科學(xué)合理,專業(yè)SIL評估單位與裝置設(shè)計單位結(jié)合,在聯(lián)鎖設(shè)計書中增加評估篇,使設(shè)計更符合要求。依據(jù)國外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn),若將該技術(shù)在國內(nèi)典型石化裝置上進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入分析與總結(jié),對指導(dǎo)裝置的安全與風(fēng)險控制的效果將更明顯。若能加快此項技術(shù)的推廣,使更多的科研、生產(chǎn)單位參與其中,則必將逐步形成規(guī)模效益,發(fā)揮出更大的作用,使國內(nèi)石化企業(yè)的管理更加科學(xué)、生產(chǎn)更加穩(wěn)定高效。

[1] 美國儀表學(xué)會.ISA S84 SIS在流程工業(yè)中的應(yīng)用[S].美國儀表學(xué)會,1996.

[2] 國際電工學(xué)會.IEC 61508電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全[S].國際電工學(xué)會,1998:1-7.

[3] 國際電工學(xué)會.IEC 61511功能安全—流程工業(yè)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用[S].國際電工學(xué)會,2003:1-3.

[4] 國家質(zhì)檢總局,國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T 20438-2006電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全[S]. 2006:1-7.

[5] 中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司.加氫裂化裝置聯(lián)鎖回路系統(tǒng)安全和誤跳車分析項目結(jié)題報告[R].中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,2007.

[6] 高增梁,朱建新,包士毅,等.基于風(fēng)險的資產(chǎn)管理方法——SIL在石化工業(yè)中應(yīng)用[G]//第三屆石化裝置工程風(fēng)險分析技術(shù)應(yīng)用研討會論文集,2007.

[7] 中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分司.“鎮(zhèn)海煉化循環(huán)流化床電站鍋爐聯(lián)鎖回路系統(tǒng)安全與誤跳車分析”項目結(jié)題報告[R].中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,2008.

[8] 中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分司.“鎮(zhèn)海煉化乙烯Ⅳ電站CFB鍋爐聯(lián)鎖回路系統(tǒng)安全與誤跳車分析”項目研究報告[R].中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,2009.