LOPA在確定安全完整性等級(jí)上的應(yīng)用

劉昕宇，張春娥，凌愛軍

(1.中國船級(jí)社海洋工程技術(shù)中心，天津 300451;2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

保護(hù)層分析法是對在海洋石油開發(fā)中為工藝流程安全分析所提供的一些保護(hù)性等級(jí)措施或?qū)蛹?jí)的一種系統(tǒng)辨識(shí)和記錄的分析方法。它是一種介于定性和完全定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)之間的分析方法。在海洋石油工程完成風(fēng)險(xiǎn)分析(如HAZOP分析)后，可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事故的后果和發(fā)生的概率來進(jìn)行安全完整性經(jīng)由運(yùn)行泵的出口管線通過暖泵線流分析和分級(jí),以便把風(fēng)險(xiǎn)降低到可以容忍的范圍之內(nèi)。目前這種風(fēng)險(xiǎn)分析方法在海洋石油工程中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在特定的工藝流程設(shè)計(jì)以及安全分析中有時(shí)會(huì)用到，例如確定安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)。

1 安全完整性等級(jí)

IEC 61508中將安全完整性水平劃分為四個(gè)檔次，分別對應(yīng)著不同大小的PFD值及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF，如表1。

表1 安全完整性等級(jí)要求時(shí)的失效概率(PFD)及RRF

2 LOPA分析法進(jìn)行SIL分析工作流程

保護(hù)層(LOPA)分析法是一種簡化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，通常使用初始事件頻率、后果嚴(yán)重程度和獨(dú)立保護(hù)層失效頻率的數(shù)量級(jí)大小來近似保證場景風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 SIL分析工作團(tuán)隊(duì)

進(jìn)行SIL分析需要成立一個(gè)涵蓋相關(guān)專業(yè)人員的專家小組。具體組成：主持人、工藝設(shè)計(jì)工程師、控制/儀表設(shè)計(jì)工程師、安全設(shè)計(jì)工程師、業(yè)主工藝工程師、業(yè)主控制/儀表設(shè)計(jì)工程師、具有豐富操作經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)者。主持人應(yīng)具有領(lǐng)導(dǎo)才能和豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)對IEC 61508和IEC 61511要求非常熟悉。

2.2 SIL分析的評(píng)估流程

(2)系統(tǒng)劃分及確定被保護(hù)設(shè)備(EUC)。系統(tǒng)劃分主要是對整個(gè)平臺(tái)處理系統(tǒng)按照其功能或用途劃分為不同的工藝系統(tǒng)，對一些如ESD系統(tǒng)、火災(zāi)氣體探測系統(tǒng)及消防系統(tǒng)等關(guān)鍵安全功能系統(tǒng)則可單獨(dú)為一個(gè)系統(tǒng)。平臺(tái)處理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)劃分后，應(yīng)確定系統(tǒng)中各個(gè)安全儀表系統(tǒng)所保護(hù)的設(shè)備，即EUC。

(3)確定安全儀表系統(tǒng)的安全儀表功能(SIF)。在確定EUC后，對每一個(gè)EUC，分析其安全儀表系統(tǒng)的設(shè)置，在確定安全儀表的設(shè)置后，對每一個(gè)安全儀表系統(tǒng)應(yīng)分析其安全儀表功能SIF。安全儀表系統(tǒng)的設(shè)置是采用RBD(Reliability Block Diagram)方法，對每個(gè)安全儀表系統(tǒng)歸類為觸發(fā)器、邏輯控制器和最終元件。

通過因果圖確定每個(gè)安全儀表系統(tǒng)中各個(gè)元件，通過管道儀表圖及火氣布置圖等資料確定每個(gè)安全儀表系統(tǒng)保護(hù)的EUC。通過管道儀表圖、因果圖、儀表及閥門及控制單元等資料，可以識(shí)別出了每個(gè)安全儀表系統(tǒng)中每個(gè)元件的類型，如壓力變送器(或壓力開關(guān))、安全可編程系統(tǒng)(或工業(yè)類型的可編程系統(tǒng))及關(guān)斷閥門(氣動(dòng)、氣液聯(lián)動(dòng))。

(4)情景辨識(shí)——分析導(dǎo)致安全儀表功能(SIF)動(dòng)作及其失效的后果。對于安全儀表功能來說，其反應(yīng)失效有不同的原因，所造成的后果通常也是不同的，因此，必須對所有的反應(yīng)失效的原因以及其所造成的后果進(jìn)行全面分析，即識(shí)別觸發(fā)事件和觸發(fā)事件的頻率。一般而言，推薦的觸發(fā)事件和觸發(fā)事件頻率如表2。

表2 觸發(fā)事件典型失效頻率

(5)識(shí)別獨(dú)立保護(hù)層和保護(hù)層風(fēng)險(xiǎn)降低程度。海上固定平臺(tái)對于風(fēng)險(xiǎn)的控制非常重視，對于重要的設(shè)備或裝置一般有多個(gè)保護(hù)措施防止其發(fā)生失效后對安全、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)造成重大影響。在LOPA分析中只有獨(dú)立保護(hù)層(IPL)才能起到降低風(fēng)險(xiǎn)的作用。圖1是獨(dú)立保護(hù)層示意圖，根據(jù)保護(hù)層保護(hù)的對象，將圖1中的不同保護(hù)層分為兩類：基本工藝過程、基本過程控制系統(tǒng)、關(guān)鍵報(bào)警和人員干預(yù)、安全儀表系統(tǒng)均為事件阻止層，即能夠阻止危害事件發(fā)生；而釋放裝置、物理保護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)均為后果減弱層，即能夠在事故發(fā)生后減弱其后果。

圖1 保護(hù)層示意圖

確定獨(dú)立保護(hù)層后，還需確定其PFD，可由美國化學(xué)工程師協(xié)會(huì)工藝安全中心出版的《保護(hù)層分析-簡化的過程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》指南確定海上固定平臺(tái)常用保護(hù)層及其失效概率，如表3。

表3 保護(hù)層及失效概率

(6)確定每個(gè)安全儀表功能(SIF)所需的SIL等級(jí)。根據(jù)引起偏差的初始事件發(fā)生概率、經(jīng)過各保護(hù)層后的剩余風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率及風(fēng)險(xiǎn)可接受的發(fā)生概率即可計(jì)算需要設(shè)置SIS的安全等級(jí)。SIL確定方法如圖2。

此外，該配筋審核系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是準(zhǔn)確識(shí)別框架柱、框架梁等的相關(guān)信息，如圖2所示。它直接決定了審核結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。目前，該軟件僅包括了框架梁、框架柱的信息讀取，后期會(huì)進(jìn)一步加入框架剪力墻等審核內(nèi)容，使之更加完善。

圖2 保護(hù)層失效示意圖

根據(jù)圖2可得式1。

MF=IEF×PFDIPL1×PFDIPL2×……×PFDIPLn

(1)

式中:MF——初始事件經(jīng)保護(hù)層阻止后發(fā)生頻率；IEF——初始事件發(fā)生頻率；PFDIPLn——各獨(dú)立保護(hù)層的平均要求時(shí)失效概率。

根據(jù)初始事件經(jīng)保護(hù)層阻止后發(fā)生概率與風(fēng)險(xiǎn)可接受概率按式(2)計(jì)算SIS的平均要求時(shí)失效概率，由PFDSIS確定SIS系統(tǒng)需要達(dá)到的SIL等級(jí)。進(jìn)行失效頻率計(jì)算，還應(yīng)考慮使能事件(點(diǎn)火概率、人員暴露概率、傷害發(fā)生概率等)對后果頻率的影響。

(2)

式中:PFDSIS——SIS平均要求時(shí)失效概率；F——風(fēng)險(xiǎn)可接受概率；Pig——點(diǎn)火概率;Pex——人員出現(xiàn)在影響區(qū)的概率；Ps——傷害發(fā)生的概率。

在對每一個(gè)安全儀表功能確定SIL后，對安全儀表系統(tǒng)的現(xiàn)有配置進(jìn)行定量計(jì)算，以驗(yàn)證安全儀表系統(tǒng)的現(xiàn)有配置是否達(dá)到所需SIL要求。

3 應(yīng)用實(shí)例

某項(xiàng)目包括一個(gè)鉆采平臺(tái)和兩個(gè)平臺(tái)改造,從井下采出的液體匯集到鉆采平臺(tái)后進(jìn)入生產(chǎn)分離器，分出大部分游離水后，含少量水的原油經(jīng)過海底管道輸送到另一平臺(tái)進(jìn)一步處理。

(1)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則如圖3。

圖3 失效后果風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則

(2)情景辨識(shí)。利用HAZOP分析結(jié)果將可能發(fā)生的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)作為風(fēng)險(xiǎn)場景，該項(xiàng)目中生產(chǎn)分離器液位LT-2002高高引起液體竄到火炬系統(tǒng)，有可能形成火雨，火炬頭伸出平臺(tái)，造成人員安全影響和環(huán)境污染。聯(lián)鎖原因：分離器液位高高，聯(lián)鎖動(dòng)作；進(jìn)出口閥門關(guān)閉(進(jìn)口閥門SDV-1201、生產(chǎn)水出口閥門SDV-2002、伴生氣出口閥門SDV-2003、原油出口閥門SDV-2007、密封氣入口管線閥門PDY-2004和燃料氣出口PDY-2004B閥門)，井上控制的井下安全閥關(guān)閉、所有電潛泵停。

LOPA分析見表4。

表4 LOPA分析

風(fēng)險(xiǎn)場景選定的初始事件為LT-2002液位控制回路故障、上游來液過大、下游SDV故障關(guān)，可能導(dǎo)致液位高高液體溢流。液位控制回路故障屬于基本過程控制回路失效，事件發(fā)生頻率為0.1；上游來液過大屬于進(jìn)料過量，事件發(fā)生頻率為0.1；SDV故障關(guān)，屬于SDV閥門誤動(dòng)作，事件發(fā)生頻率為0.01。

后果。液體溢流竄到火炬系統(tǒng)火炬分液罐，有可能形成火雨，火炬頭伸出平臺(tái)，造成人員安全影響和環(huán)境污染。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，風(fēng)險(xiǎn)類別為重大，安全風(fēng)險(xiǎn)可接受允許值F=1×10-6。

安全影響因素。人員暴露頻率為0.5，點(diǎn)火頻率為1，致死概率為1,風(fēng)吹向平臺(tái)概率0.2。

獨(dú)立保護(hù)層?；鹁娣忠汗轇PCS邏輯控制LIT-3401，導(dǎo)致液位高高關(guān)斷。液位控制回路故障屬于基本過程控制回路失效，事件發(fā)生頻率為0.1。

中間事件可能性。1×10-3。PFDSIF=1×10-3。由表1得出PFDSIF對應(yīng)SIL2等級(jí)。

按照上述程序，可以確定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)對應(yīng)的SIL等級(jí)。選取等級(jí)最高的作為SIF回路的最終SIL等級(jí)。

4 結(jié)論

通過LOPA分析，可以進(jìn)一步確定觸發(fā)器、邏輯控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等具體部位存在的缺陷，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足，為工程設(shè)計(jì)或裝置技術(shù)改造提供指導(dǎo)意見，也能避免設(shè)計(jì)上盲目追求高SIL等級(jí)帶來的投資浪費(fèi)。因此，用LOPA分析法來確定固定設(shè)施安全儀表系統(tǒng)的完整性等級(jí)的方法值得國內(nèi)進(jìn)行推廣和應(yīng)用。