硫磺回收裝置安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估研究

劉彥昌，陳 鑫

(中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

硫磺回收裝置安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估研究

劉彥昌，陳 鑫

(中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

介紹了新建10萬t/a硫磺回收裝置在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用LOPA方法開展安全完整性評估過程和結(jié)論。探討了LOPA方法在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的注意事項(xiàng)，最后指出安全完整性等級SIL評估的現(xiàn)實(shí)意義和存在的問題。

保護(hù)層分析； 硫磺回收；安全完整性；危險與可操作性

硫磺回收裝置工藝介質(zhì)均為劇毒、易燃、易爆特性，且工藝開停工及流程切換較為復(fù)雜，一旦事故發(fā)生將對人身傷害極大。為保護(hù)人身及設(shè)備安全，提高裝置自動控制水平，需要設(shè)置安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，在裝置出現(xiàn)緊急事故時能夠切換到安全狀態(tài)，從而使操作人員危險性大大降低。在具體實(shí)施上，哪些部位設(shè)置聯(lián)鎖，聯(lián)鎖是否可以在DCS中實(shí)現(xiàn)，沒有做統(tǒng)一要求。而且存在過度設(shè)置聯(lián)鎖問題，不但造成設(shè)備配置的浪費(fèi)，有些過于苛刻導(dǎo)致裝置誤停車或者聯(lián)鎖無法投用。為合理設(shè)置聯(lián)鎖，某企業(yè)在新建10萬t/a硫磺回收裝置SIS設(shè)計(jì)前，開展了安全完整性評估，深入討論分析基礎(chǔ)上合理設(shè)置聯(lián)鎖，取得了較好的效果。

1 概述

1.1 硫磺回收裝置工藝說明

某廠10萬t/a硫磺回收裝置原料為酸性氣，產(chǎn)品為液體和固態(tài)硫磺，采用采用山東三維開發(fā)的“無在線爐”硫回收工藝技術(shù)。制硫部分采用部分燃燒法，即一級高溫轉(zhuǎn)化，兩級催化轉(zhuǎn)化工藝。尾氣處理部分采用加氫還原吸收工藝。

自溶劑集中再生裝置來的清潔酸性氣，一部分進(jìn)入制硫燃燒爐的火嘴，其余部分進(jìn)入制硫燃燒爐爐膛中部。自制硫燃燒爐排出的高溫過程氣進(jìn)入制硫余熱鍋爐，發(fā)生的飽和蒸汽送至蒸汽過熱器過熱。過程氣再經(jīng)一級轉(zhuǎn)化器、二級轉(zhuǎn)化器提高收率，之后制硫尾氣進(jìn)入尾氣處理部分。

尾氣分液罐出口的制硫尾氣經(jīng)尾氣加熱器加熱后進(jìn)入加氫反應(yīng)器。反應(yīng)氣經(jīng)蒸汽發(fā)生器后進(jìn)入尾氣急冷塔。急冷水自尾氣塔底部抽出經(jīng)急冷水后冷器冷卻后返塔循環(huán)使用。尾氣急冷塔頂出來的尾氣進(jìn)入尾氣吸收塔。自溶劑再生來貧胺液進(jìn)入尾氣吸收塔上部，自溶劑再生部分來的半貧胺液進(jìn)入尾氣吸收塔中部，吸收了H2S的富胺液返回溶劑再生部分。尾氣吸收塔定出來的凈化尾氣進(jìn)入尾氣焚燒爐。焚燒后的高溫?zé)煔饨?jīng)蒸汽過熱器、尾氣余熱鍋爐后由煙囪排入大氣。

1.2 安全完整性SIL評估概念

安全完整性等級SIL評估主要的概念：

安全儀表系統(tǒng)(SIS)： IEC61511將SIS定義為用來執(zhí)行一個或多個儀表安全儀表功能(SIF)的儀表系統(tǒng)。其他也有稱為緊急停車系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等。

安全儀表功能(SIF)：由SIS執(zhí)行的安全功能，特征是“應(yīng)對特定的危險事件”并實(shí)現(xiàn)必要的風(fēng)險降低。

安全完整性等級(SIL)：反映了SIS執(zhí)行SIF時，圓滿完成SIF要求的能力和可靠性水平，IEC61511中分為SIL1到SIL4四個等級。常見的工藝ESD應(yīng)用是典型的要求操作模式，每個SIL等級對應(yīng)SIF一個數(shù)量級的平均失效概率PFDavg，每提升一個SIL等級，SIF的平均失效概率降低一個數(shù)量級，也意味著危險事件發(fā)生的可能性降低10倍。

SIL定級包括確定是否需要安全儀表功能SIF和確定SIF需要的安全完整性等級SIL。定量確定SIL常用的技術(shù)和方法有風(fēng)險矩陣、安全層矩陣、風(fēng)險圖分析、保護(hù)層分析、事件樹分析等， IEC61511推薦HAZOP-LOPA結(jié)合的方法，以危險與可操作性分析HAZOP給出的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對每個辨識出的風(fēng)險，確定所需要的SIF，以及SIF應(yīng)滿足的SIL。

2 評估過程

2.1 準(zhǔn)備工作

開展工作前先由裝置管理人員收集齊資料文件，包括 LOPA分析程序文件、硫磺回收HAZOP報(bào)告、硫磺回收裝置管道儀表流程圖(P&ID)、聯(lián)鎖因果關(guān)系圖、工藝操作說明、裝置爆炸危險介質(zhì)表及區(qū)域劃分、有毒可燃?xì)怏w檢測器平面布置圖等。

工作團(tuán)隊(duì)的組建對評價質(zhì)量影響很大，我們盡量安排經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)技術(shù)強(qiáng)的人員參加，分析主席和記錄員為經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)公司職員，通過了功能安全工程師認(rèn)證，設(shè)計(jì)單位參加工藝和自控專業(yè)參加，業(yè)主單位安排工藝、設(shè)備和儀表工程師，一線操作班長，硫磺裝置老專家，還特意多安排一些列席人員以培養(yǎng)后備力量。由于有些之前沒有參加過SIL定級分析，討論前先開展了專業(yè)理論和技術(shù)培訓(xùn)，形成統(tǒng)一思路，提高工作效率和質(zhì)量。

2.2 評估步驟

SIL分析需要依據(jù)以下步驟順序執(zhí)行：

(1)設(shè)置安全目標(biāo)(風(fēng)險矩陣及風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn))；

(2)執(zhí)行危害辨識及風(fēng)險分析來評估現(xiàn)有風(fēng)險；

(3)識別需要的儀表安全功能；

(4)將需要的安全保護(hù)功能分配到不同的保護(hù)層；

(5)確認(rèn)是否需要配置SIF回路；

(6)為配置的SIF回路指定其所需的SIL等級。

2.3 SIL等級評估舉例

首先HAZOP通過工藝參數(shù)的偏差，識別可能導(dǎo)致的后果，根據(jù)嚴(yán)重程度提出保護(hù)措施，例如HAZOP分析報(bào)告節(jié)點(diǎn)01，清潔酸性氣從界區(qū)到進(jìn)制硫爐，當(dāng)爐膛壓力過高，可能產(chǎn)生人員傷亡、爐膛爆炸的惡劣后果，因此提出聯(lián)鎖保護(hù)措施的需求。

表1

LOPA對此進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化和量化分析，例如一種可能“尾氣分液罐出口管線上HV 70901誤關(guān)”。

表2

表3

(1)能引起制硫爐后路不暢通的具體事件之一是進(jìn)尾氣焚燒爐管線上HV 80501誤關(guān)，該事件的頻率通過查詢失效數(shù)據(jù)庫，閥門誤動概率為1.00E-02。

(2)造成的后果分兩類，熄火爆炸損壞制硫爐，1套裝置停工、200萬元以下?lián)p失，按照《公司風(fēng)險矩陣》屬于嚴(yán)重(3級)后果；另一個人員傷亡，由于酸性氣流量和濃度都極高，可能造成3人以上傷亡，屬于特大(5級)后果，這里選最嚴(yán)重的5級示例。

(3)高濃度硫化氫泄漏時，人員不一定在現(xiàn)場泄漏范圍內(nèi)，因此計(jì)算人員暴露概率引起的削減。2h巡檢一次，每組2人，單體設(shè)備平均停留時間15min(15/120)；維修人員每天白班作業(yè)4h，每組4人(4/24)，兩個概率相加得出人員暴露概率為0.29。

(4)未削減事件頻率=初始事件頻率(1.00E-02)*初始風(fēng)險削減概率(2.9E-01)=2.9e-3。

(5) 現(xiàn)有措施包括通過尾氣急冷塔頂PAH 80204; 吸收塔塔頂PI 80301兩個參數(shù)監(jiān)控、報(bào)警，及時發(fā)現(xiàn)問題處理。在LOPA分析時同種類型的措施只削減一次，通過查數(shù)據(jù)庫，報(bào)警及人員干預(yù)起到的削減作用為1.00E-01。這里要求必須是獨(dú)立保護(hù)層才能起到削減作用。

(6) 削減后事件頻率=未削減事件頻率(2.9e-3)*獨(dú)立保護(hù)層削減頻率(1.00E-01)=2.90E-04。

(7)通過查《公司安全風(fēng)險矩陣》，對涉及人員傷亡的特大后果事件容忍概率為1.00E-06，那么LOPA的差距=削減后事件頻率(2.90E-04)/容忍概率(1.00E-06)=2.9e+2

(8)LOPA的差距需要通過SIS來削減，低需求模式下需要降低風(fēng)險目標(biāo)在100-1000的，對應(yīng)的SIL等級為SIL2。就是說應(yīng)對這個閥門誤動風(fēng)險，必須要設(shè)置SIS系統(tǒng)，而且要求SIL2等級。

3 評估成果

本次共計(jì)分析了10萬t/a硫磺回收裝置的12個SIF回路，結(jié)果見表4。

表4 SIL定級分析結(jié)果

*---：無特殊要求；A：無SIL等級要求(在聯(lián)鎖邏輯中保留)。

通過分析，硫磺回收裝置需要設(shè)置SIS系統(tǒng)且等級至少為SIL2，對結(jié)果起關(guān)鍵作用的是制硫爐爐膛壓力高高回路 。制硫爐火焰熄滅、酸性氣分液罐液位高高只要求SIL1即可，另外9個聯(lián)鎖沒有SIL等級硬性要求。在設(shè)備選型時，有SIL需要的回路應(yīng)配備滿足相應(yīng)SIL等級的測量儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

依據(jù)SIL評估結(jié)果，一些不必要的聯(lián)鎖可以在設(shè)計(jì)階段取消，聯(lián)鎖值和聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化，從而提高了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，減少給開工和操作留下的問題。通過評估梳理清楚各SIF回路，得到了描述比較完整的安全要求規(guī)格書，使聯(lián)鎖設(shè)置的目的和作用非常清晰，為生產(chǎn)運(yùn)行期間維護(hù)管理提供參考。

SIL定級分析中還提出8條建議，例如增設(shè)關(guān)鍵測量儀表的報(bào)警、更改酸性水泵自動啟動設(shè)定值、對鼓風(fēng)機(jī)出口閥動作速度要求等。另外對HAZOP報(bào)告中建議措施再次討論，確定采納或拒絕。所有結(jié)論均得到設(shè)計(jì)院、建設(shè)單位等與會人員的一致同意。

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)階段開展安全完整性分析，有利于設(shè)計(jì)和建設(shè)單位之間，工藝、設(shè)備和自控專業(yè)間充分深入溝通，用數(shù)據(jù)來解決矛盾和問題，得出的結(jié)論可以直接采納實(shí)施，從而使聯(lián)鎖設(shè)計(jì)更趨于合理，有利于裝置安穩(wěn)長周期運(yùn)行。

通過這次依據(jù)HAZOP-LOPA方法進(jìn)行安全完整性分析的實(shí)踐，結(jié)論為類似工藝的硫磺回收裝置提供一定參考，整個裝置安全儀表回路SIL等級評估方法，以及人才的培養(yǎng)和鍛煉，為全廠開展SIL評估，提高安全儀表系統(tǒng)管理水平打下了基礎(chǔ)。

保護(hù)層分析是一種定量的分析方法，數(shù)據(jù)的選取對結(jié)果有直接影響，合理選擇數(shù)據(jù)需要依據(jù)各公司實(shí)際情況斟酌，獨(dú)立保護(hù)層的識別需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此這項(xiàng)工作不是一勞永逸，而應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和類似裝置事故事件不斷完善。

[1] 張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京; 中國電力出版社出版,2010.

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2017-07-21

劉彥昌(1983—)，2005年畢業(yè)于天津大學(xué)自動化專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國石化青島煉化公司，任儀表及自控工程師。

TH707

A

1008-021X(2017)18-0123-02

(本文文獻(xiàn)格式劉彥昌，陳鑫.硫磺回收裝置安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估研究[J].山東化工，2017，46(18)：123-124，126.)