6萬(wàn)噸/年雙氧水裝置安全儀表系統(tǒng)的SIL定級(jí)及SIS系統(tǒng)改造

陶 倩 徐德剛

中鹽常州化工股份有限公司 江蘇 常州 213200

一、前言

隨著氯堿化工行業(yè)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展,使得化工項(xiàng)目的規(guī)模逐漸擴(kuò)大,配套的技術(shù)要求也在不斷地提升。本公司雙氧水工藝涉及到加氫、氧化高危工藝部分,改造前只采用了DCS、有毒有害、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng),根據(jù)國(guó)家監(jiān)管要求,對(duì)現(xiàn)有涉及到高危工藝的裝置進(jìn)行SIS改造具有積極的意義。

二、風(fēng)險(xiǎn)分析方法辨識(shí)

目前,SIS的SIL定級(jí)應(yīng)用最為廣泛的有三種方法,分別為：矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)圖法、保護(hù)層分析法(LOPA)。

矩陣法或風(fēng)險(xiǎn)圖法,可對(duì)大量的場(chǎng)景進(jìn)行快速的梳理,因此適用于安全儀表回路的初步篩選。該法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了,易于掌握,適用范圍廣。缺點(diǎn)是確定風(fēng)險(xiǎn)可能性、后果嚴(yán)重程度過分的依賴于經(jīng)驗(yàn),主觀性較大,另一個(gè)缺點(diǎn)該分析方法為定性的分析方法,在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí),只起到了參考作用,在做風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的時(shí)候的權(quán)威性往往會(huì)受到挑戰(zhàn)。

保護(hù)層分析法(LOPA)作為一種公認(rèn)的半定量的分析方法,相對(duì)矩陣法或風(fēng)險(xiǎn)圖法更加量化,其分析結(jié)果也更加準(zhǔn)確。通常對(duì)矩陣法或風(fēng)險(xiǎn)圖表識(shí)別出SIL等級(jí)較高的回路,可使用LOPA方法進(jìn)行再次分析確認(rèn)。LOPA的分析危害以確定是否需要安全功能,如果需要,則確定每項(xiàng)安全功能的SIL要求。該方法從危害識(shí)別中開發(fā)的數(shù)據(jù)開始,并通過記錄啟動(dòng)原因和防止或減輕危害的保護(hù)層來(lái)解決每個(gè)已識(shí)別危險(xiǎn),然后可以確定風(fēng)險(xiǎn)降低的總量,并分析對(duì)降低風(fēng)險(xiǎn)的需求。LOPA法可以確定適當(dāng)?shù)腟IL,對(duì)于每種危害,確定適當(dāng)?shù)腟IL以將風(fēng)險(xiǎn)降低到可容許的水平。

圖 HiaGuard PFD參數(shù)計(jì)算

LOPA是用來(lái)確定SIL等級(jí)的一個(gè)方法,但是LOPA方法無(wú)法用來(lái)識(shí)別過程安全事故場(chǎng)景；而HAZOP是用來(lái)識(shí)別過程安全事故場(chǎng)景的一個(gè)很好的工具,但沒法計(jì)算場(chǎng)景事故發(fā)生頻率。使用HAZOP和LOPA結(jié)合,把HAZOP中相關(guān)信息導(dǎo)入LOPA中,可以用來(lái)進(jìn)行SIF的平均要求時(shí)失效概率(PFD)的計(jì)算,從而確定SIF的SIL等級(jí)。

三、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)改造方案

中鹽常州化工股份有限公司的一期6萬(wàn)噸/年雙氧水裝置于2011年開車,現(xiàn)階段生產(chǎn)穩(wěn)定。在2017年1月至7月期間,公司的安全、工藝、設(shè)備、操作代表等相關(guān)人員組成HAZOP分析團(tuán)隊(duì),以危險(xiǎn)可操作HAZOP分析方法為基礎(chǔ),對(duì)公司“6萬(wàn)噸雙氧水裝置”(一期裝置)、“5萬(wàn)噸高純度食品級(jí)雙氧水裝置”(二期裝置)工藝系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)審查、技術(shù)討論和分析,并形成HAZOP分析報(bào)告。當(dāng)HAZOP分析考慮了已有安全措施的作用下,仍存在的事故場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高、風(fēng)險(xiǎn)不能接受,且又無(wú)法通過其他手段降低風(fēng)險(xiǎn)時(shí),建議增加SIF來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)、直至剩余風(fēng)險(xiǎn)不高于可容許風(fēng)險(xiǎn),但沒有確定該SIF的SIL等級(jí)。在確定SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案前,首先需對(duì)HAZ0P分析提出的每個(gè)SIF進(jìn)行SIL等級(jí)的確定；然后再根據(jù)確定的SIL等級(jí)設(shè)計(jì)每個(gè)單元的SIS系統(tǒng)。6萬(wàn)噸裝置確定了幾個(gè)SIF分別為：1.氧化塔上塔超溫導(dǎo)致閃爆；2.氧化塔下塔超溫導(dǎo)致閃爆；3.氧化塔壓力偏高引起氧化塔超壓損壞、爆炸；4.萃取塔雙氧水分解、溫度劇升致使發(fā)生跑料、設(shè)備超壓、爆炸事故等。

本次SIL定級(jí)是基于HAZOP分析的結(jié)果,采用LOPA法。每個(gè)SIF的SIL等級(jí)采用LOPA方法進(jìn)行核算,該SIF按照以下步驟進(jìn)行SIL等級(jí)的確定：1)確定SIF；2)確定SIF所需保護(hù)的場(chǎng)景；3)確定所需保護(hù)的場(chǎng)景的后果、初始事件及其他獨(dú)立保護(hù)層；4)確定后果的可容許風(fēng)險(xiǎn)、初始事件發(fā)生頻率、其他獨(dú)立保護(hù)層的PFD；5)計(jì)算SIF的PFD=可容許風(fēng)險(xiǎn)/所有獨(dú)立保護(hù)層總的平均要求時(shí)失效概率(不包括SIF的PFD)；6)根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定SIL等級(jí)：①假如計(jì)算出的PFD大于1,則從控制風(fēng)險(xiǎn)的角度來(lái)說(shuō),可以不需要SIL等級(jí),但考慮到安全生產(chǎn)的要求,通常建議保留此SIF功能,但不做SIL等級(jí)要求(即定為SILA)；

②假如計(jì)算出的PFD小于1,則按照表確定該SIF的SIL等級(jí)。

部分輸出成果見下表：

序號(hào) 檢測(cè)儀表 聯(lián)鎖原因 執(zhí)行動(dòng)作 SIL等級(jí)1 溫度TZ1201氧化塔T201上塔溫度過高 聯(lián)鎖停車 SIL2 2 溫度TZ1202氧化塔T201下塔溫度過高 聯(lián)鎖停車 SIL 3 壓力PZI202、PZI203 氧化塔T201壓力過高 聯(lián)鎖停車 SIL1 4 溫度TZ1301 萃取塔T301溫度過高1.聯(lián)鎖停車2.打開塔底快開閥TV1301 SIL1

在完成SIL定級(jí)后,根據(jù)上表中每個(gè)SIF的SIL等級(jí)來(lái)設(shè)計(jì)SIS系統(tǒng),采用了和利時(shí)的安全儀表控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改造升級(jí)。

四、SIS系統(tǒng)可靠性介紹

本次改造的SIS安全儀表系統(tǒng)采用和利時(shí)的HiaGuard系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了自帶診斷的三取二架構(gòu)(2oo3D),已通過TüV萊茵公司認(rèn)證。安全儀表系統(tǒng)的控制邏輯組態(tài)軟件,即和利時(shí)公司專門為工業(yè)安全儀表系統(tǒng)而自主研發(fā)的工業(yè)控制策略組態(tài)軟件,滿足IEC61508對(duì)T3工具要求并通過了TUV萊茵SIL3認(rèn)證。

中心控制室和各現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室所用的電源規(guī)格為220VAC,50Hz不間斷電源(UPS),電壓允許波動(dòng)范圍為AC180V-240V。SIS系統(tǒng)采用雙路供電方式(1+1冗余),在任何一路失電的情況,系統(tǒng)卡件都能正常工作,功能不受影響。

該系統(tǒng)的控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu),具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和完備的自診斷功能。三重化的控制器物理上相互獨(dú)立,可有效避免共因失效造成的危險(xiǎn)失效?？刂破髦械腟RAM和內(nèi)存具備掉電數(shù)據(jù)保持功能,可連續(xù)保持6個(gè)月數(shù)據(jù)不丟失,便于停車維護(hù)。

安全回路中各組件的檢驗(yàn)測(cè)試間隔均為1年,傳感器的PFDavg-S=4E-04；執(zhí)行器的PFDavg-A=5E-04,HiaGuard的PFDavg-HiaGuard=5E-05(以上數(shù)據(jù)均為例子)。則整個(gè)安全回路的

該值在10-4至10-3范圍之內(nèi),因此該安全回路滿足SIL3安全功能的要求

采用《HiaGuard PFD參數(shù)計(jì)算表》計(jì)算HiaGuard的PFDavg如圖所示。當(dāng)MRT選取8h、T設(shè)置為4years、環(huán)境溫度選取60℃時(shí),若安全回路組態(tài)情形為1路常閉DI信號(hào)和1路應(yīng)用于SIS的DO信號(hào)(控制器的模塊數(shù)固定為3,系統(tǒng)電源和現(xiàn)場(chǎng)電源的模塊數(shù)固定為2),HiaGuard的PFDavg為5.56138E-05。

五、結(jié)論

隨著國(guó)家對(duì)高危工藝的加強(qiáng)監(jiān)管,不論是在新建項(xiàng)目中,還是針對(duì)現(xiàn)役裝置的安全儀表系統(tǒng)改造,其安全儀表系統(tǒng)的設(shè)置都十分有研究的必要。本次技術(shù)改造利用SIS安全儀表系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)化工裝置的聯(lián)鎖控制與安全監(jiān)控,既能夠保證化工廠生產(chǎn)的安全性,又能夠有力地提升化工企業(yè)的自動(dòng)化控制水平,促進(jìn)化工行業(yè)的長(zhǎng)效發(fā)展。