基于安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)評(píng)估技術(shù)應(yīng)用

吳冬玲

(上海石油化工股份有限公司 公用事業(yè)部，上海 200540)

基于很多典型的事故案例分析,表明了絕大多數(shù)事故的發(fā)生都與安全儀表系統(tǒng)(SIS)的設(shè)置有關(guān)，盡管大多數(shù)的石油化工裝置均安裝了一系列安全相關(guān)的儀表，當(dāng)針對(duì)SIS設(shè)置的唯一性、合理性、有效性等條件出現(xiàn)問題時(shí)，SIS將失去作用，從而會(huì)造成災(zāi)難性事故的發(fā)生。因此，在石油化工企業(yè)中開展針對(duì)安全儀表功能(SIF)的安全完整性等級(jí)(SIL)評(píng)估工作，從而合理并有效地設(shè)置SIS，保障石油化工裝置的安全運(yùn)行，已經(jīng)逐漸成為目前迫切需要解決的問題。

1　SIL評(píng)估技術(shù)

SIS是保證正常生產(chǎn)和人身、設(shè)備安全的必不可少的措施，如今已逐步發(fā)展成為工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分。整個(gè)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)傳感器、邏輯運(yùn)算器和最終執(zhí)行元件，可以檢測(cè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的或者潛伏的危險(xiǎn)，并及時(shí)發(fā)出警告信息或直接執(zhí)行相應(yīng)的預(yù)定程序，從而有效地防止事故的發(fā)生，降低了事故帶來的危害及其影響。

SIL是功能安全等級(jí)的一種劃分，由每小時(shí)發(fā)生的危險(xiǎn)失效概率來區(qū)分。按照IEC 61511的規(guī)定，SIL劃分為4級(jí)，即SIL1～SIL4。SIF的SIL應(yīng)該達(dá)到哪個(gè)等級(jí)，應(yīng)由具體的風(fēng)險(xiǎn)分析確定，即通過分析風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重程度、風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間和頻率、不能避開風(fēng)險(xiǎn)的概率、不期望事件發(fā)生概率這4個(gè)因素綜合得出。級(jí)別越高，要求其危險(xiǎn)失效概率越低。

由于石油化工裝置長周期運(yùn)行及生產(chǎn)能耗的特殊性，設(shè)備及系統(tǒng)的故障極易引發(fā)一系列環(huán)境破壞、事故爆炸和人員傷亡等災(zāi)難，故基于SIL評(píng)估的結(jié)果，針對(duì)性地根據(jù)預(yù)期損害來選擇配備相應(yīng)設(shè)備的安全有效性極為重要。

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1　裝置簡介

某聚乙烯裝置引進(jìn)日本三菱油化公司超高壓管式法專利技術(shù)，于1992年4月投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)能力為80 kt/a，能生產(chǎn)17個(gè)品種的產(chǎn)品，主要用于制造農(nóng)膜、輕膜、電纜料以及其他諸多塑料制品。該裝置具有高溫、高壓、高流速的特點(diǎn)，SIS必須具有高靈敏、高精度和自動(dòng)聯(lián)鎖的特性，包括緊急程序A/B/C，分別設(shè)置在壓縮和聚合工藝過程中，系統(tǒng)中的壓力、溫度一旦發(fā)生異常時(shí)，將根據(jù)預(yù)設(shè)程序動(dòng)作。

2.2　評(píng)估原因分析

該聚乙烯裝置的SIS改造后運(yùn)行已超過7 a，聯(lián)鎖回路是否安穩(wěn)運(yùn)行對(duì)裝置的可靠性和安全影響極其重大，如果聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，一種后果是該跳車時(shí)不跳，造成拒動(dòng)作；另一種后果則是不該跳車時(shí)跳車，造成誤動(dòng)作。拒動(dòng)作會(huì)造成嚴(yán)重甚至災(zāi)難性的后果，而誤動(dòng)作的直接后果就是裝置的非計(jì)劃停車，從而造成生產(chǎn)企業(yè)巨額的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)SIF進(jìn)行SIL評(píng)估，對(duì)于減小事故或避免緊急事故的發(fā)生具有重要意義。

2.3　評(píng)估過程

評(píng)估步驟如圖1所示，主要包括以下6部分。

1) 確定評(píng)估對(duì)象。SIL評(píng)估對(duì)象，可以是1臺(tái)單獨(dú)的設(shè)備、1臺(tái)機(jī)械，或裝置的某個(gè)生產(chǎn)部分，甚至是整個(gè)裝置，該裝置的SIL評(píng)估包含了7個(gè)子系統(tǒng)。

圖1　SIL評(píng)估程序示意

2) 過程危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析。在進(jìn)行定量安全評(píng)估過程中，重點(diǎn)針對(duì)的是聯(lián)鎖系統(tǒng)失效后的嚴(yán)重性，如聯(lián)鎖失效所容易導(dǎo)致的人員傷亡、重大財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的環(huán)境影響。主要涉及該裝置運(yùn)行及其相關(guān)控制設(shè)備中存在的危險(xiǎn)及危險(xiǎn)事件，可能導(dǎo)致危險(xiǎn)事件的聯(lián)鎖控制順序，聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)與特定危險(xiǎn)事件相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)及降低風(fēng)險(xiǎn)的要求。同時(shí)，針對(duì)危險(xiǎn)的識(shí)別主要涉及該裝置的物料屬性，聯(lián)鎖程序的運(yùn)行及維護(hù)，裝置開車、停車、維護(hù)等異常操作下對(duì)SIS的影響，人工誤操作對(duì)SIS可能導(dǎo)致的影響，SIS安裝過程的復(fù)雜性與規(guī)范性所帶來的影響，危險(xiǎn)識(shí)別后進(jìn)行保護(hù)的過程中可能帶來的其他相關(guān)影響。

3) 可接受風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)定。在完成該裝置的SIL是否能夠滿足相應(yīng)的安全要求及檢測(cè)聯(lián)鎖功能的誤跳車概率的SIL評(píng)估目標(biāo)之前，必須建立相應(yīng)的可接受風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，從而確定何種風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該達(dá)到的SIL等級(jí)。

4) SIF的選定。SIL定量安全評(píng)估的實(shí)際對(duì)象則為SIF，1個(gè)SIF針對(duì)1個(gè)危險(xiǎn)工況，預(yù)防1個(gè)危險(xiǎn)后果，每個(gè)SIF針對(duì)的危險(xiǎn)情況是不同的，其所執(zhí)行的相應(yīng)聯(lián)鎖動(dòng)作亦不同。在評(píng)估過程中，主要選定適用于特定風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)，且在SIS中應(yīng)該執(zhí)行的，但又無法實(shí)現(xiàn)最低SIL要求的功能。

5) SIF的失效后果及失效概率計(jì)算。主要根據(jù)聯(lián)鎖設(shè)備的使用場(chǎng)所、使用方法、使用環(huán)境及維護(hù)方法等，結(jié)合一定的災(zāi)害模型及事故樹或過程，對(duì)設(shè)備的平均危險(xiǎn)失效概率及聯(lián)鎖系統(tǒng)運(yùn)行的誤跳車進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得出SIF可能失效的概率及失效后可能發(fā)生的某些后果。

6) SIF的SIL等級(jí)評(píng)估及改進(jìn)措施。即根據(jù)此次評(píng)估過程及結(jié)果分析，按照相應(yīng)的可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，判斷SIF是否滿足了一定的安全要求，并對(duì)無法滿足安全要求的SIF提出合理可行的改進(jìn)措施，對(duì)誤跳車概率過大的SIF提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，最終得出該裝置每個(gè)SIF的SIL等級(jí)。

3　評(píng)估內(nèi)容

該裝置的主要生產(chǎn)流程由壓縮單元、聚合反應(yīng)單元、高/中/低壓循環(huán)單元、擠出造粒單元及風(fēng)送單元組成，因而評(píng)估范圍共涉及7個(gè)裝置： 前段壓縮機(jī)，后段壓縮機(jī)，主流預(yù)熱器及側(cè)流交換器，反應(yīng)器，高/低壓制品分離器，脫氣混合槽，高壓油壓閥及管路。

1) 前段壓縮機(jī)。前段壓縮機(jī)共分為5段，從低壓循環(huán)系統(tǒng)來的乙烯原料經(jīng)過前段壓縮機(jī)的前二段升壓，其中90%的原料同來自乙烯廠的新鮮乙烯一起進(jìn)入第三段，從第二段出來的剩余10%的原料作為返回氣體送回乙烯廠。前段壓縮機(jī)的后三段有2條獨(dú)立的相同流量的氣體通道，將新鮮乙烯低壓循環(huán)氣、引發(fā)劑空氣和調(diào)整劑丙烯壓向后端壓縮機(jī)。

2) 后段壓縮機(jī)。從前段壓縮機(jī)和高壓循環(huán)氣系統(tǒng)來的組分分成主流和側(cè)流兩部分，在后段壓縮機(jī)經(jīng)過二級(jí)壓縮，主流進(jìn)入第一反應(yīng)器，側(cè)流經(jīng)過側(cè)流熱交換器進(jìn)入第二反應(yīng)器。

3) 主流預(yù)熱器及側(cè)流交換器。主流氣體在第一預(yù)熱器A中用500 kPa蒸汽加熱到130 ℃，然后在第一預(yù)熱器B中用中壓蒸汽再加熱到約175 ℃，達(dá)到聚合引發(fā)反應(yīng)的溫度；側(cè)流氣體則調(diào)節(jié)到100～150 ℃，在混合點(diǎn)與未反應(yīng)的氣體及聚合物混合后溫度達(dá)175～195 ℃，一起進(jìn)入第二反應(yīng)器。

4) 反應(yīng)器。反應(yīng)系統(tǒng)由第一預(yù)熱器、第一反應(yīng)器、第二反應(yīng)器、第三反應(yīng)器及側(cè)流熱交換器組成，聚合壓力的控制由反應(yīng)器出口的1個(gè)減壓閥承擔(dān)，經(jīng)第一反應(yīng)器、第二反應(yīng)器和第三反應(yīng)器的三段反應(yīng)，使進(jìn)氣的22%～27%轉(zhuǎn)化為聚合物。

5) 高壓制品分離器。從后冷卻器出來的聚合物和其他的混合物進(jìn)入高壓制品分離器，分離出氣體和聚合物，氣體作為高壓循環(huán)氣從分離器頂部出來，進(jìn)入高壓循環(huán)氣第一冷卻器，聚合物則從高壓制品分離器底部經(jīng)產(chǎn)品管線進(jìn)入低壓制品分離器。其中，高壓制品分離器料位由產(chǎn)品閥和高壓制品分離器伽瑪射線液位計(jì)控制。

6) 脫氣混合槽。一次造粒后的產(chǎn)品經(jīng)過湊齊、混合送到產(chǎn)品儲(chǔ)槽，而其他系列產(chǎn)品則經(jīng)過二次造粒后進(jìn)入產(chǎn)品儲(chǔ)槽，最后送產(chǎn)品包裝。在中央粉塵收集系統(tǒng)中，儲(chǔ)槽內(nèi)的壓力經(jīng)常變化。

7) 高壓油壓閥及管路。液壓油裝置主要用于保障在裝置生產(chǎn)運(yùn)行過程中高壓閥的正常工作。

4　異常因素評(píng)估

經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)所涉及的工藝單元及運(yùn)行設(shè)備的危險(xiǎn)性分析，發(fā)現(xiàn)在裝置運(yùn)行過程中各類聯(lián)鎖單元均存在一定的異常因素，如傳感器斷電、線圈損壞、電磁閥損壞、電磁干擾等設(shè)備故障引起的可檢測(cè)性故障和不可檢測(cè)性故障，而這些因素極有可能在一定程度上造成一些運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，并影響裝置的安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，見表1所列。

5　評(píng)估結(jié)果分析

1) 經(jīng)過針對(duì)該裝置SIS涉及的工藝單元及應(yīng)用設(shè)備進(jìn)行了危險(xiǎn)與可操作性分析，對(duì)SIS所保護(hù)對(duì)象的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析和系統(tǒng)應(yīng)用的充分必要性進(jìn)行分析，提出了SIS的改進(jìn)建議及措施；同時(shí)依據(jù)合理可行的原則，結(jié)合具體情況提出了該裝置SIL等級(jí)要求。

2) 通過對(duì)該裝置評(píng)估范圍內(nèi)的7個(gè)聯(lián)鎖子系統(tǒng)進(jìn)行定量的分析計(jì)算，提出了一系列改進(jìn)措施。風(fēng)險(xiǎn)分布情況及統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示出前段壓縮機(jī)、脫氣混合槽等對(duì)安全影響較大的設(shè)備或系統(tǒng)，存在一定的安全改進(jìn)空間。

3) 針對(duì)該裝置評(píng)估范圍內(nèi)7個(gè)聯(lián)鎖子系統(tǒng)中聯(lián)鎖回路的誤跳車進(jìn)行分析和評(píng)估，發(fā)現(xiàn)約57%的聯(lián)鎖回路存在誤跳車或可進(jìn)行誤跳車改進(jìn)的情況。其中反應(yīng)器的誤跳車問題比較突出，機(jī)組、高低壓制品分離器、脫氣混合槽、高壓油壓閥及管路系統(tǒng)等都存在值得警告的誤跳車問題。

4) 依據(jù)此次評(píng)估結(jié)果，計(jì)算聯(lián)鎖安全與誤跳車的預(yù)期改進(jìn)效益及改進(jìn)后的SIL，均能滿足企業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)要求。聯(lián)鎖改進(jìn)前后的安全及誤跳車情況對(duì)比見表2所列。

表1　裝置異常因素

表2　改進(jìn)前后的安全及誤跳車情況

通過以上的評(píng)估分析，對(duì)于現(xiàn)有裝置的運(yùn)行條件而言，可以為現(xiàn)有維護(hù)方法的確立提供相應(yīng)的理論依據(jù)，可以降低維護(hù)實(shí)施過程中不必要的成本浪費(fèi)，更可以為裝置今后的運(yùn)行改造提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。

6　結(jié)束語

聯(lián)鎖回路安全和誤跳車分析是石油化工行業(yè)

新興的安全保障機(jī)制，SIL技術(shù)的定量安全評(píng)估為裝置的聯(lián)鎖回路優(yōu)化改進(jìn)起到了重要的指導(dǎo)作用，合理并有效地設(shè)置安全的儀表設(shè)備與系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)儀表設(shè)備與系統(tǒng)的功能安全，對(duì)于提升企業(yè)的安全水平及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的促進(jìn)作用，更加能夠有效地保障石油化工裝置生產(chǎn)運(yùn)行的整體安全性。

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