石化行業(yè)在役裝置SIL評估

李 宏，潘 晨，潘海濱

(1.中國石油天然氣股份有限公司大港石化分公司，天津 3002802.中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司采油一廠，青海西寧 816400)

0 引言

石化行業(yè)是我國主要的能源和化工原材料來源，其主要原料是石油和天然氣，產(chǎn)品有燃料油、潤滑油、合成纖維、塑料等，石化生產(chǎn)具有易燃、易爆等特性。近年來在生產(chǎn)實(shí)踐中，政府、企業(yè)對安全生產(chǎn)的管控不斷加強(qiáng)，尤其對于在役裝置，運(yùn)行時(shí)間較長、設(shè)備老化，其安全相關(guān)系統(tǒng)是否能保證石化生產(chǎn)的安全，達(dá)到必要的安全完整性等級，需要進(jìn)行科學(xué)的評估。

1 相關(guān)概念[1]

a)安全完整性：是指在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)和規(guī)定的條件下，安全相關(guān)系統(tǒng)成功執(zhí)行規(guī)定的安全功能的概率。安全完整性越高，安全相關(guān)系統(tǒng)在要求動作時(shí)，未能執(zhí)行規(guī)定的安全功能或未能實(shí)現(xiàn)規(guī)定狀態(tài)的概率就越低。有4個安全完整性等級，SIL4為最高等級，詳見表1。

表1 安全完整性要求等級[2]

b)低要求模式：僅當(dāng)要求時(shí)，才將EUC導(dǎo)入規(guī)定安全狀態(tài)的安全功能，并且要求的頻率不大于每年一次。

c)高要求模式：將EUC導(dǎo)入規(guī)定安全狀態(tài)的安全功能，僅當(dāng)要求時(shí)才執(zhí)行，并且要求的頻率大于每年一次。

對于石化行業(yè)，一般采取低要求模式。

d)安全儀表系統(tǒng)(SIS)：是用于執(zhí)行一個或多個安全儀表功能(SIF)的儀表系統(tǒng)。SIS由傳感器子系統(tǒng)(如各類測試儀表、開關(guān)、變送器等)、邏輯子系統(tǒng)、最終元件(如電磁閥、喇叭、報(bào)警等)組成。

2 在役裝置的SIL評估過程

在工廠生產(chǎn)實(shí)踐中，SIS是石化裝置的重要組成部分，對于裝置的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，分析其是否能應(yīng)對裝置可能存在的各類風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到應(yīng)有的SIL，實(shí)現(xiàn)對裝置的合理保護(hù)，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

對于在役裝置的安全完整性等級評估，一般包括如下3部分內(nèi)容。

2.1 對裝置各個回路的SIF進(jìn)行安全完整性定級

對于在役裝置回路SIF進(jìn)行SIL定級，一般是在HAZOP分析報(bào)告的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，有時(shí)是因?yàn)橛|發(fā)了危險(xiǎn)狀態(tài)被提出。SIL定級主要有風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)圖法和保護(hù)層分析(LOPA)法。其中保護(hù)層分析法應(yīng)用較為普遍。

LOPA通常是在HAZOP(定性)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步半定量評估保護(hù)層有效性，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策的系統(tǒng)方法，其主要目的是確定保護(hù)層是否使風(fēng)險(xiǎn)被控制在企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。主要步驟如圖1所示[3,4]。

圖1 保護(hù)層分析步驟

由圖1可以看出，其中的關(guān)鍵步驟是獨(dú)立保護(hù)層(IPL)的評估，石化行業(yè)保護(hù)層作為IPL時(shí)，應(yīng)滿足獨(dú)立性、有效性、安全性、變更管理和可審查性等要求。

2.2 SIL等級驗(yàn)算

確定回路SIF的SIL等級之后，對其能否達(dá)到SIL等級要求進(jìn)行驗(yàn)算，其驗(yàn)算結(jié)果主要由兩方面因素決定。

a)驗(yàn)算方法：目前普遍采用的方法有3種：故障樹法、可靠性框圖法、馬爾科夫法。

b)相關(guān)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的來源應(yīng)遵循如下順序原則：①現(xiàn)場積累的失效數(shù)據(jù)；②設(shè)備廠家提供的失效數(shù)據(jù)；③典型的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。

驗(yàn)算的步驟如圖2所示。

圖2 SIL等級驗(yàn)算步驟

2.3 SIL驗(yàn)證結(jié)果分析

一方面，當(dāng)SIL驗(yàn)證結(jié)果無法達(dá)到定級要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況提出改進(jìn)建議和措施，常見的有：提高相關(guān)設(shè)備的安全等級，改善表決結(jié)構(gòu)，縮短回路的檢驗(yàn)測試周期等，以提高回路的SIL等級；或者通過建立非SIF降低初始事件發(fā)生概率、消減既定風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，滿足裝置安全運(yùn)行的需要。

另一方面，SIL驗(yàn)證結(jié)果與定級比較，并不是越高越好。SIL等級越高，說明其安全保護(hù)作用越強(qiáng)，但是其誤停車率也會相應(yīng)變高、投資成本會增加，石化裝置無法達(dá)到安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行，造成不必要的損失。所以當(dāng)驗(yàn)證結(jié)果明顯高于定級要求時(shí)，可以通過降低設(shè)備等級，刪減冗余結(jié)構(gòu)、適當(dāng)延長回路的檢驗(yàn)測試周期等方法，在滿足SIL定級要求的同時(shí)，降低回路的誤停車率，使裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 評估實(shí)例

某石化企業(yè)重整裝置的工藝流程如下：脫戊烷塔(C-201)底油由脫戊烷塔底重沸爐泵(P-203)升壓，分為4路進(jìn)料進(jìn)入脫戊烷塔底重沸爐(F-205)，強(qiáng)制循環(huán)加熱后返回脫戊烷塔(C-201)。該工藝流程設(shè)置有流量低低聯(lián)鎖，4路進(jìn)料中2路流量達(dá)到聯(lián)鎖值，則關(guān)閉脫戊烷塔(C-201)重沸爐燃料氣進(jìn)氣閥門。

根據(jù)上述工藝流程，在HAZOP分析結(jié)果(表2)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行回路的SIL定級及驗(yàn)證。

3.1 回路SIF的SIL定級

LOPA分析結(jié)果見表3。

表2 HAZOP分析結(jié)果(節(jié)選)

表3 LOPA分析結(jié)果(節(jié)選)

由表3可知，其IPL的可能性為2.9×10-2/年，大于風(fēng)險(xiǎn)可接受容許值3×10-4/年，所以需要增加SIF回路，其SIF回路為1.03×10-2/年，在低要求操作模式下，該聯(lián)鎖回路SIF定級為SIL1。

3.2 回路SIF的SIL驗(yàn)證

流量聯(lián)鎖回路輸入輸出結(jié)構(gòu)、術(shù)語列表、流量聯(lián)鎖回路相關(guān)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)、流量聯(lián)鎖回路的SIL計(jì)算分別見表4～表7。

表4 流量聯(lián)鎖回路輸入輸出結(jié)構(gòu)

表5 術(shù)語列表

表6 流量聯(lián)鎖回路相關(guān)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)

表7 流量聯(lián)鎖回路的SIL計(jì)算[5-8]

注：PFDavg的計(jì)算采用可靠性框圖法

由于執(zhí)行單元采用的是故障安全型模式，由上表可得：PFDSYS=PFDS+PFDL+PFDFE=3.71×10-2，在低要求操作模式下，達(dá)到的SIL等級為SIL1。

由表8可知由回路硬件安全完整性結(jié)構(gòu)約束的SIL能力。所以該回路由硬件安全完整性結(jié)構(gòu)約束的SIL能力為SIL2。

表8 硬件安全完整性B類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束[9]

綜合SIL驗(yàn)算及硬件安全完整性結(jié)構(gòu)約束(表9)，驗(yàn)證該回路的SIL等級為SIL1，滿足定級要求。

表9 各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束的SIL等級

3.3 回路的MTTF計(jì)算[10,11]

回路的MTTF大于30年，誤停車指標(biāo)合格。

3.4 SIL驗(yàn)證結(jié)果分析

通過表7可以看到，該回路PFDS=1.79×10-4，SIL等級為SIL3，同時(shí)通過表9可以看到其PFDAC為SIL3，均明顯高于定級要求，同時(shí)表7中傳感器子系統(tǒng)的MTTF為81 884.04年，也明顯偏高，所以通過適當(dāng)方法降低傳感器子系統(tǒng)參數(shù)，既不會影響回路SIL等級，也不會降低回路的MTTF。

常用方法及分析如下。

a)刪減冗余結(jié)構(gòu)，傳感器子系統(tǒng)采取的是2oo4結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是造成回路SIL等級及MTTF參數(shù)較高的主要原因，但是由于其工藝條件的限制，4路進(jìn)料進(jìn)入脫戊烷塔底重沸爐，設(shè)計(jì)聯(lián)鎖時(shí)必須檢測4路進(jìn)料，用以保證其安全性，同時(shí)防止進(jìn)料偏流，傳感器子系統(tǒng)為2oo4是合理的，所以無法刪減該冗余結(jié)構(gòu)。

b)降低設(shè)備等級，由于傳感器子系統(tǒng)所用設(shè)備都是經(jīng)過SIL認(rèn)證的設(shè)備，等級較高，這也是造成回路SIL等級及MTTF參數(shù)較高的主要原因，該類設(shè)備的價(jià)格也較高，所以可以適當(dāng)選用同類的非認(rèn)證設(shè)備，這樣既保證了回路的SIL等級及其MTTF，也能降低成本。但是，對于已經(jīng)投用的設(shè)備單元，不建議降低設(shè)備等級。

c)適當(dāng)延長回路的檢驗(yàn)測試周期，由于該回路隨裝置檢修進(jìn)行檢驗(yàn)測試，目前裝置檢修周期為36個月，所以不應(yīng)延長回路檢驗(yàn)測試周期。

從上述分析可以看出，該回路傳感器子系統(tǒng)不是影響回路SIL等級和MTTF的主要原因，但是由于是在役裝置，也不適宜降低設(shè)備等級。該驗(yàn)證結(jié)果提示，在設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮安全聯(lián)鎖回路的安全性和可用性，合理選用設(shè)備，這樣既可以保證回路的SIL等級和MTTF，也能有效降低成本，取得雙贏的效果。

4 結(jié)語

a)一些使用時(shí)間較長的裝置，其聯(lián)鎖回路的設(shè)定沒有嚴(yán)格的按照安全完整性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，這種聯(lián)鎖回路是否能保證裝置的安全運(yùn)行，需要進(jìn)行安全完整性評估，對于不能滿足安全需要的回路，要采取適當(dāng)?shù)拇胧?，提高其安全等級，保證裝置的安全運(yùn)行；對于明顯超出安全等級需要的回路，可以采取適當(dāng)措施，降低其安全等級，同時(shí)降低誤停車率，保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

b)在實(shí)際的驗(yàn)證過程中，對于服役時(shí)間較長的裝置，其相關(guān)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)的獲得是一個難點(diǎn)，這不僅需要設(shè)備廠家提供相關(guān)參數(shù)，參考通用設(shè)備數(shù)據(jù)，更需要石化企業(yè)建立本企業(yè)在用設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)庫，為本企業(yè)裝置的安全完整性評估打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。