基于LOPA分析法的SIL評估

蘇曉妹

【摘要】本文介紹了SIS的組成、SIL評估依據(jù)、作用，并論述了一種在工程設計中最常用的安全分析方法-防護層分析（LOPA），該方法是危險與可操作性分析（HAZOP）的繼續(xù)，本文介紹了其在SIL評估中的具體實施應用。

1、引言

隨著石油、化工裝置的經(jīng)濟規(guī)模日趨大型化，生產(chǎn)裝置的密集程度越來越高，對操作、控制及安全的要求也越來越嚴格。石化裝置的產(chǎn)品一般都屬于易燃、易爆或有毒介質(zhì)，生產(chǎn)過程稍有閃失就會釀成災難性的事故，造成生產(chǎn)、設備、人員等方面的重大損失。作為過程工業(yè)安全的重要保障，確保過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)本身的可靠性對于過程工業(yè)的安全具有重要意義。雖然大多數(shù)石油化工裝置均安裝了SIS，但由于SIS設置的合理性、針對性、有效性等方面存在問題，以至于當災難性事故發(fā)生時SIS卻失去了作用。在石油化工領域開展安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級（safety integrity level，SIL）評估，合理、有效的設置SIS，實現(xiàn)SIS的安全功能，保障石油化工裝置的安全，已經(jīng)成為目前亟需解決的問題。

2、安全儀表系統(tǒng)及安全完整性等級

安全儀表系統(tǒng) （Safety instrumented systems，SIS）是一種自動安全保護系統(tǒng)，它是保證正常生產(chǎn)和人身、設備安全的必不可少的措施，它已發(fā)展成為工業(yè)自動化的重要組成部分。根據(jù)IEC61511中的定義，安全儀表系統(tǒng)是由傳感器、邏輯控制器、執(zhí)行器組成的，能夠執(zhí)行一項或多項安全儀表功能（Safety instrumented function，SIF）的系統(tǒng)，如緊急切斷系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖等。所謂的SIF就是能感知危險狀態(tài)，并能自動的采取有效動作，將過程轉(zhuǎn)變至安全狀態(tài)。每一個安全儀表功能針對特定的風險對生產(chǎn)過程進行保護。SIS執(zhí)行SIF功能，是通過（a）一個或多個傳感器（如：溫度、壓力、液位、有毒或可燃氣體濃度）；（b）一個或多個電子邏輯運算器（通常情況是，一個安全的可編程邏輯控制器，即PLC），（c）一個或多個過程控制最終元件（如切斷閥、電子開關等）SIS系統(tǒng)的設計分2個步驟：首先確定SIS系統(tǒng)將要做什么，也就是它需要實現(xiàn)哪些SIF功能；然后，確定對于每個SIF功能。為了確定SIS系統(tǒng)的SIL等級，首先需要知道企業(yè)對風險的可接受程度，及HAZOP分析報告表。然后基于LOPA分析方法，分析相關工藝安全措施的有效性，以確定工藝過程的安全保護措施是否足夠及有效，以確定過程的實際風險是否在可接受水平。如何確定一個SIF功能是否滿足工作要求，IEC61511劃分了4個安全完整性等級（SIL），等級劃分完全取決于SIF功能的失效概率（PFD），PFD的倒數(shù)又稱為風險降低因子（RRF）。表1列出了每個SIL等級的失效概率范圍及RRF范圍。

IEC61511構建了SIS系統(tǒng)完整生命周期的必要條件，該“安全生命周期（SLC）”包括SIS系統(tǒng)從構建到停用全過程的說明書、設計、安裝、操作、維護、變更等。但是SIS系統(tǒng)最重要是SLC階段是，a）判斷是否需要SIS系統(tǒng)，b）確定每個SIF功能的SIL等級（如果需要SIS系統(tǒng)）。

3、基于LOPA分析的SIL的評估

保護層分析方法是一種半定量的評估方法，也是目前最常用的方法。LOPA從危險和可操作性分析的數(shù)據(jù)著手，通過起始事件和預防或減輕危險的保護層計算每個危險，確定風險降低的總量以及是否需要進一步降低風險。

3.1 LOPA原則

LOPA是一種非常系統(tǒng)、詳盡的分析程序，它涉及到工藝過程的每一個細節(jié)，但在具體分析時有許多不正常狀態(tài)是不會引致事故的，因此，為了保證分析工作做到切實有效、重點突出，只對能產(chǎn)生下列后果的事故進行風險分析：①人員（職工、公眾）傷害②環(huán)境破壞③財產(chǎn)損失對不產(chǎn)生上述后果的非正常狀態(tài)只進行一般的HAZOP危害分析。首先應該確定后果嚴重等級和初始事件頻率，查風險矩陣表，確定是否需要風險降低，然后進行獨立保護層識別，確定風險降低的頻率等級，反查矩陣表，在不需要SIS的情況下，是否達到了可接受的風險水平，需要SIS降低的風險等級即是目標SIL等級。

3.2 風險矩陣確定

進行保護層分析，首先應該確定事故后果的嚴重等級，事故后果的等級隨著不同的國家、不同的公司對風險可接受的標準不同，我們可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整，如下表為某公司事故后果嚴重度分級。

其次，確定潛在事故頻率等級，潛在事故后果的發(fā)生頻率，由初始原因事件頻率、促使原因事件發(fā)展為后果事件的條件事故發(fā)生的概率共同決定。最后，確定后果事故頻率等級，其分類如表3所示。

經(jīng)過以上幾步，確定了后果的嚴重程度和事故發(fā)生的頻率，根據(jù)表4風險等級矩陣，就能查出相應的風險等級。

由于我們只能降低風險發(fā)生的頻率，而不能減小風險降低的后果，因此風險矩陣中縱坐標是一定的，橫坐標向左移動一個單元格，說明降低了一個SIL等級，由此就能夠確定出SIF回路的目標SIL等級。

3.3 獨立保護層（IPL）識別

LOPA 的主要目的是確定對于特定的事故情形，所采用的保護層是否足夠。根據(jù)過程的復雜程度和潛在危險性大小來確定需要一個或是多個保護層次。但是，對于某一給定的情形，必須至少有一個保護層成功的發(fā)揮作用，這樣才能防止事故的發(fā)生。沒有任何保護層是完全有效的，因此，要想降低風險就必須添加足夠多的保護層，而添加保護層的多少也需考慮經(jīng)濟承受能力。

由于每個保護層的功能不同，作用也有強弱之分，每個獨立保護層的PFD分別在10-5～10-1之間變化。我國對失效概率數(shù)據(jù)信息的收集整理和分析工作的還沒有系統(tǒng)展開，還沒建立可供使用的工業(yè)失效數(shù)據(jù)庫，在失效概率數(shù)據(jù)的獲取、計算與分析等方面的技術方法也缺乏，在實際分析過程中，失效概率數(shù)據(jù)主要借鑒國外數(shù)據(jù)，如挪威DNV發(fā)布的OREDA數(shù)據(jù)庫；美國可靠性分析中心發(fā)布的《失效模式/機制分布》（FMD-97）和《非電子部分可靠性數(shù)據(jù)》（NPRD-95）數(shù)據(jù)手冊；美國化工過程安全中心發(fā)布的《過程設備可靠性數(shù)據(jù)指南》（附帶數(shù)據(jù)表）等等，但是這些數(shù)據(jù)在使用時要根據(jù)我國國情進行校正。

對某一系統(tǒng)或IPL的作用進行分類需遵循三個準則：1）只有當IPL以其設計時的功效發(fā)生作用時，其在防止后果時才是有效的。2）IPL獨立地對初始事件及其他所有的被用于相同情形的IPL的組件發(fā)揮作用。3）IPL是可以審查的，即IPL的PFD必須能夠確認，包括檢查、測試和文檔資料。表7為保護層分析的一個典型表格。

例如某事故發(fā)生的起始失效事件有3個，各起始事件引發(fā)可能性，及各保護層設計情況如表7所示，事故發(fā)生的可能性為7.3E-4，如果我們設定可接受風險目標為1E-5，則安全功能平均要求時失效概率PFDavg=Ft/Fnp=1E-5/7.3E-4=1.37E-2，因此要求我們的SIF回路在整體上應該達到SIL1，也即是目標SIL值為SIL1。

4、小結

安全完整性等級評估可分為定性的和定量的方法，定性的方法使用個人經(jīng)驗和工程判斷做出選擇，它不是根據(jù)精確的數(shù)值分類，而是將一些關鍵風險的描述性參數(shù)進行分類，此方法比較主觀，有時會導致嚴重的錯誤；定量的方法要求安全功能要求的后果和動作頻率通過定量的方式給出，同時允許風險也是定量的，將系統(tǒng)風險定量地計算出來，然后同定量的允許風險相比較得到風險降低量，再計算出PFD，從而可得到SIL。定性方法的優(yōu)點是省時、簡單、所需資源少，而缺點就是太過于依賴人的經(jīng)驗和主觀判斷。定量的方法具有更加準確的確定SIL，不足之處是所需資源大，對于特定過程的可靠性數(shù)據(jù)缺乏，安全完整性的選擇相對比較耗時。而LOPA分析介于定性的和定量的方法之間，屬于半定量的風險分析方法，相對于定量風險分析，LOPA花費的時間少，同時適用對于定性風險評估來說過于復雜的場景，而且LOPA提供了更具可靠性的風險判斷，基于以上優(yōu)點，采用LOPA分析方法來確定安全儀表功能的完全完整性等級有廣闊的應用前景。

參考文獻

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