SIS系統(tǒng)在丙烯罐區(qū)裝置中的應(yīng)用

翟羽鵬，張冬梅，王金昭

(1.中國(guó)石油吉林石化公司化肥廠，吉林吉林132022;2.中國(guó)石油吉林石化公司電石廠，吉林吉林132022)

隨著煉化裝置的大型化，液化烴(C3～C4組分)儲(chǔ)罐無論是單罐容積還是成組布置的罐區(qū)日趨向大型化發(fā)展，也由于液化烴的物料特性，液化烴儲(chǔ)罐的安全風(fēng)險(xiǎn)也在增大，國(guó)內(nèi)液化烴罐區(qū)的安全事故近幾年也時(shí)有發(fā)生，損失慘重.

為了削減風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)新出臺(tái)及新修訂了許多標(biāo)準(zhǔn)，從設(shè)備制造、工藝系統(tǒng)、自動(dòng)控制、防火環(huán)保等方面對(duì)液化烴罐區(qū)做出來較為具體的規(guī)定.如GB5016—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，GB150—2011《鋼制壓力容器》，SH3136—2003《液化烴球形儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)規(guī)范》，SH3007—2007《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》等.

目前，我廠運(yùn)行的丙烯酸酯車間丙烯罐區(qū)能按上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)及隱患整改，但在安全儀表系統(tǒng)［1-3，5-7］的設(shè)計(jì)方面尚存在不足，存在著不能完整和系統(tǒng)地按照IEC61508、61511等國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的問題，這一點(diǎn)也包括一些新設(shè)計(jì)的液化烴罐區(qū).

問題存在的主要原因一是對(duì) IEC61508、IEC61511等國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)理解的不完整;二是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮.所以，完整的理解IEC61508、IEC61511等國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，尋求技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)的平衡是執(zhí)行好標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵所在.

1 丙烯罐區(qū)所需實(shí)現(xiàn)的安全儀表功能

以單體球罐為例，在工藝條件壓力過高的情況下，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開通過火炬氣管線排往火炬;如調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)異常導(dǎo)致壓力繼續(xù)上升時(shí)，球罐頂部的安全閥會(huì)自動(dòng)起跳，往火炬系統(tǒng)泄壓;另有一個(gè)DN50的旁通，必要時(shí)，可以人工控制往火炬系統(tǒng)泄壓.

液位過高時(shí)，控制室內(nèi)有報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)切斷進(jìn)料閥;液位過低時(shí)，控制室內(nèi)也有報(bào)警，并自動(dòng)切斷排出閥，以免罐被抽空［3］.

2 工藝過程風(fēng)險(xiǎn)分析及SIL等級(jí)確定

2.1 工藝過程風(fēng)險(xiǎn)分析

以單體丙烯罐為例，在工藝條件壓力過高的情況下，可能引起的風(fēng)險(xiǎn)后果如下:

若該安全儀表功能失效，則導(dǎo)致的后果有:

(1)儲(chǔ)罐壓力過高而引起密封或部件失效，泄露著火.

(2)事故可造成裝置重建.

(3)事故可導(dǎo)致人員傷亡3～5人.

若該安全儀表功能成功執(zhí)行，則導(dǎo)致的后果有:

在罐內(nèi)壓力達(dá)到一定壓力時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開通過火炬氣管線排往火炬;如調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)異常導(dǎo)致壓力繼續(xù)上升時(shí)，球罐頂部的安全閥會(huì)自動(dòng)起跳，往火炬系統(tǒng)泄壓，避免事故發(fā)生.

根據(jù)相關(guān)的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為事故的發(fā)生率為50年/次.

2.2 SIL 等級(jí)確定

丙烯罐壓力過高將影響人員安全、環(huán)境安全并造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)對(duì)可能產(chǎn)生的后果和事故發(fā)生頻率的評(píng)估，確定出相應(yīng)的安全功能應(yīng)達(dá)到的安全等級(jí)，將風(fēng)險(xiǎn)控制到企業(yè)允許的范圍之內(nèi).

根據(jù)人員安全、環(huán)境安全和經(jīng)濟(jì)損失三方面的后果影響，得出安全儀表功能應(yīng)達(dá)到的SIL級(jí)別.

(1)安全儀表功能失效導(dǎo)致的人員傷亡3～5人，根據(jù)人員風(fēng)險(xiǎn)控制矩陣表，得出從人員安全方面考慮，該安全儀表功能需達(dá)到SIL2.

(2)安全儀表功能失效導(dǎo)致的一次環(huán)境污染可能造成公司級(jí)事故，根據(jù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制矩陣表，得出從環(huán)境安全方面考慮，該安全儀表功能需達(dá)到DCS級(jí).

(3)安全儀表功能失效導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)2 000萬(wàn)元以上，根據(jù)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制矩陣表，得出從經(jīng)濟(jì)損失方面考慮，該安全儀表功能需達(dá)到SIL2.

綜合上述3個(gè)方面對(duì)安全儀表功能的要求，選擇最高的SIL，即SIL2，對(duì)該壓力儀表安全功能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制.

3 安全儀表系統(tǒng)設(shè)備選擇

對(duì)于安全儀表系統(tǒng)，要考慮傳感器單元、執(zhí)行單元、邏輯解算器單元的綜合SIL等級(jí)，最后確定是否為滿足要求的SIL2等級(jí).各單元邏輯結(jié)構(gòu)適用不同的安全要求，設(shè)計(jì)過程中需要先進(jìn)行安全度分析，然后根據(jù)分析結(jié)果選擇不同邏輯結(jié)構(gòu)，見表1.

表1 安全儀表系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)選擇表

對(duì)于SIL2級(jí)安全儀表系統(tǒng)，丙烯罐壓力變送器選擇冗余設(shè)置，變送器宜采用隔爆型，取消安全柵和報(bào)警設(shè)定器，盡量使安全儀表系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)最少.

安全儀表系統(tǒng)的邏輯控制器可由繼電器系統(tǒng)或可編程序電子系統(tǒng)及其混合構(gòu)成.繼電器系統(tǒng)用于輸入輸出點(diǎn)少、邏輯功能簡(jiǎn)單的場(chǎng)合;可編程序電子系統(tǒng)可用于輸入輸出點(diǎn)較多、邏輯功能復(fù)雜、與過程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的場(chǎng)合.本裝置由于輸入輸出點(diǎn)不超過40個(gè)，出于經(jīng)濟(jì)投資考慮，使用繼電器組件，與控制系統(tǒng)分開，采取2取1輸入表決聯(lián)鎖.

最終執(zhí)行元件部分一般是安全儀表系統(tǒng)中可靠性最低的設(shè)備.對(duì)于SIL2級(jí)回路，根據(jù)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］，切斷閥選擇單獨(dú)設(shè)立，與控制系統(tǒng)分開，冗余配置.

4 PFD計(jì)算

SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，其可靠性和安全性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)就是要求時(shí)失效概率PFD［4］.其SIL等級(jí)應(yīng)該通過計(jì)算平均失效概率PFDavg［6］來驗(yàn)證.根據(jù)我們上述丙烯罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)的選擇，利用故障樹法［4］算出 PFDavg.

失效率數(shù)據(jù)可以從工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、生產(chǎn)商的FMEDA(Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis)分析、生產(chǎn)商現(xiàn)場(chǎng)失效研究、工廠失效記錄或其它途徑獲得.工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)一般包括了系統(tǒng)失效等，數(shù)據(jù)相對(duì)較大.近來有一些分析機(jī)構(gòu)綜合了各種數(shù)據(jù)源得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)供使用.本文相關(guān)儀表的失效率數(shù)據(jù)如表3所示.涉及計(jì)算的相關(guān)符號(hào)及公式如表2所示［7］.

表2 失效率符號(hào)及計(jì)算方法

續(xù)表2

表3 失效率數(shù)據(jù)表

RT為平均修復(fù)時(shí)間，設(shè)儀表故障的在線修復(fù)時(shí)間為8 h;

TI為測(cè)試周期，該裝置的檢修周期作為測(cè)試周期，為3y;

一次無故障停車后裝置重啟的時(shí)間(SD-shut down)SD=24 h;

假設(shè)測(cè)試是理想的，即;

共因失效系數(shù)β取值:β=0.05

為方便今后的設(shè)計(jì)計(jì)算，下文的計(jì)算采用簡(jiǎn)化方法，即對(duì) 進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，取前2項(xiàng)，即 ，得:.

對(duì)于罐區(qū)壓力變送器1oo2邏輯時(shí)傳感器部分的平均危險(xiǎn)失效率為:

PFDavg1oo2=253*10－9*0.05*365*24*3/2+(253*10－9*(1 －0.05)*365*24*3)2/3=1.80*10－4

假設(shè)邏輯控制器部分的安全失效率為0，則平均危險(xiǎn)失效率為:

PFDavg=2.18*10－5

執(zhí)行器冗余設(shè)置，采用二取一(1oo2)邏輯，切斷閥和電磁閥的失效率代入下式，.則平均危險(xiǎn)失效率為:PFDavg1oo2=3.8*10－3

整個(gè)安全儀表功能的平均危險(xiǎn)失效率:PFDavg=PFDavg傳感器 +PFDavg控制器 +PFDavg執(zhí)行器 =4.0*10－3滿足 SIL2 等級(jí).

5 滿足安全儀表功能的方法

當(dāng)執(zhí)行器和傳感器的平均危險(xiǎn)失效率不能達(dá)到安全儀表功能的要求時(shí)，可采用的方法有:

(1)縮短測(cè)試周期TI;

(2)選用帶危險(xiǎn)自診斷的儀表;

(3)選用平均危險(xiǎn)失效率小的儀表;

(4)冗余配置儀表.

當(dāng)其中1個(gè)方法不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)時(shí)，可以采用多種方法組合的方式.也可以根據(jù)投資經(jīng)濟(jì)等方面選擇合適的方法達(dá)到安全儀表功能要求.

6 系統(tǒng)維護(hù)管理

確定完SIL等級(jí)之后將進(jìn)行安裝、調(diào)試和試運(yùn)行，保存可證實(shí)檢驗(yàn)測(cè)試和檢查已按要求完成的記錄.日常維護(hù)中，應(yīng)用邏輯的任何改變都需要進(jìn)行全面的檢驗(yàn)測(cè)試;SOE軟件要打開，SOE事件記錄要定期導(dǎo)出，也可以在SOE中設(shè)置每個(gè)星期自動(dòng)導(dǎo)出，如果不導(dǎo)出，事件過多就會(huì)淹沒以前的事件不便查詢;每日巡檢要查看自動(dòng)診斷信息，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的隱患;每周要備份事件記錄作為以后分析的依據(jù).裝置風(fēng)險(xiǎn)水平發(fā)生變化時(shí)，需要重新對(duì)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行SIL等級(jí)評(píng)估和確定.

7 結(jié) 論

在罐區(qū)的安全生產(chǎn)管理中，安全儀表系統(tǒng)是非常特殊的控制系統(tǒng)，在選型、改造、使用與維護(hù)中必須遵循嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，綜合多種安全可靠的措施，實(shí)施正確操作，確保安全系統(tǒng)功能安全的實(shí)現(xiàn)，使企業(yè)人身設(shè)備安全得到充分的保障.

［1］ IEC 61508.Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems，International Electrotechnical Commission［S］.

［2］ ANSIASA-84.01.Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries［S］.

［3］ IEC 61511.FunctionalSafety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Secto［S］.

［4］ GBT 20438-2006.電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能要求［S］.

［5］ SH/T3018-2003.石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］ SHB-Z06-1999.石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.

［7］ William M.Goble，Harry Cheddie.Safety Instrumented Systems Verification:Practical Probabilistic Calculations［J］.ISA—The Instrumentation，Systems，and Automation Society，2005.