高壓竄低壓改造中的保護(hù)層策略研究

李龍

(1. 化學(xué)品安全全國重點實驗室,山東 青島 266100;2. 中石化安全工程研究院有限公司,山東 青島 266100;3. 中石化國家石化項目風(fēng)險評估技術(shù)中心有限公司,山東 青島 266100)

近年來,國內(nèi)外石化裝置發(fā)生多次高壓竄低壓事故,各企業(yè)逐步開始對裝置中的高壓竄低壓風(fēng)險進(jìn)行排查,并針對有竄壓風(fēng)險的事故場景進(jìn)行相關(guān)改造。

由于部分裝置技術(shù)人員或設(shè)計人員對獨立保護(hù)層(IPL)概念了解不透徹,盲目地增加安全儀表系統(tǒng)(SIS)或緊急切斷閥,但未分析計算改造后的剩余風(fēng)險,可能造成改造后的裝置仍無法降低竄壓風(fēng)險。同時,對于在役裝置,高壓設(shè)備或管線改造帶來的風(fēng)險,現(xiàn)場空間布置等問題都造成改造的難度增大。在選擇改造方案時,應(yīng)根據(jù)實際情況,選擇改造難度較低以及改造帶來的風(fēng)險較低的方案。

保護(hù)層分析(LOPA)方法作為一種簡化的半定量風(fēng)險評估方法,可以有效地幫助分析人員識別危險場景中各個保護(hù)層的有效性,并計算場景的事故風(fēng)險。

在石化裝置竄壓改造中,采用LOPA分析可以有效地辨識不同場景下的風(fēng)險削減,進(jìn)而根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合理有效的改進(jìn)措施。

1 LOPA分析簡介

LOPA分析是使用初始事件頻率,后果嚴(yán)重程度和IPL,失效頻率的數(shù)量級大小來近似表征場景的風(fēng)險。

IPL是能夠阻止風(fēng)險場景向不良后果繼續(xù)發(fā)展的一種設(shè)備、系統(tǒng)或行動,并且獨立于初始事件或場景中其他保護(hù)層的行動。IPL應(yīng)具有獨立性、有效性與可審查性。

辨識IPL是LOPA分析工作中重要的一個環(huán)節(jié),對于風(fēng)險分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有著很大的影響。如采用非獨立保護(hù)層,因存在多個保護(hù)措施之間共因失效的可能,因此導(dǎo)致評估的剩余風(fēng)險過于樂觀,無法有效識別風(fēng)險。

2 獨立性與共因失效

IPL的獨立性是指初始事件或其他IPL不會對特定的IPL產(chǎn)生相互影響而降低保護(hù)層完成功能的能力。絕對的獨立一般很難實現(xiàn),如共用公用工程、相同的維護(hù)人員、相同的校驗設(shè)備等,因此一般初始事件與IPL或2個IPL間共用的元件等失效率足夠低時,可以認(rèn)為是滿足獨立性要求的。

共因失效是指由1個或多個事件引起1個多通道系統(tǒng)中的2個或多個分離通道失效,從而導(dǎo)致系統(tǒng)失效的一種失效。

部分裝置或場景未完全按獨立性原則進(jìn)行設(shè)計,此時如何確定各IPL的風(fēng)險降低倍數(shù),在不同的風(fēng)險評估單位存在較大的分歧。因此,對共因失效事件的分析研究就有著重要的意義。

3 高壓竄低壓案例分析

當(dāng)上游容器存在高壓氣相時,一旦容器液位空,將導(dǎo)致下游低壓設(shè)備及管線超壓損壞,可燃或有毒物料泄漏至環(huán)境,造成人員傷亡事故,因此在石化行業(yè)中對于高壓竄低壓工況十分關(guān)注,近年來很多裝置也先后對存在高壓竄低壓風(fēng)險的場景進(jìn)行了整改。

對于竄壓的風(fēng)險場景分析,應(yīng)綜合考慮上游設(shè)備壓力與下游設(shè)備壓力對比情況,上下游設(shè)備超壓后果對照見表1所列。表1中,p1為上游設(shè)備操作壓力,p2為上游設(shè)備設(shè)計壓力,p3為下游設(shè)備操作壓力,p4為下游設(shè)備設(shè)計壓力。如果竄壓風(fēng)險設(shè)備附近存在人員聚集場所,如外操間、現(xiàn)場控制室等,則建議進(jìn)一步開展定量風(fēng)險評價(QRA)分析確定外部安全防護(hù)距離。

表1 上下游設(shè)備超壓后果對照

部分企業(yè)在未對竄壓危險場景進(jìn)行風(fēng)險分析的情況下,盲目地依據(jù)相關(guān)文件增加了獨立的切斷閥或安全儀表功能(SIF)回路,如液位低低聯(lián)鎖。但根據(jù)IPL的定義,改造后由于儀表共用問題,無法進(jìn)一步降低危險場景的剩余風(fēng)險。

分別針對竄壓改造中常見的儀表設(shè)置進(jìn)行分析,對比各案例中保護(hù)層的風(fēng)險降低,并提出改進(jìn)方案。

3.1 案例1

高壓設(shè)備未設(shè)SIS聯(lián)鎖的液位調(diào)節(jié)回路流程,如圖1所示,當(dāng)上游高壓設(shè)備V101設(shè)有雙液位計,未設(shè)SIS聯(lián)鎖,V101液位由液位調(diào)節(jié)回路LIC02控制。

圖1 高壓設(shè)備未設(shè)SIS聯(lián)鎖的液位調(diào)節(jié)回路

3.2 案例2

采用“1oo1”聯(lián)鎖邏輯的液位調(diào)節(jié)回路如圖2所示,當(dāng)V101設(shè)有雙液位計和SIS聯(lián)鎖,SIS聯(lián)鎖邏輯采用“1oo1”,V101液位由液位調(diào)節(jié)回路LIC02控制。

圖2 采用“1oo1”聯(lián)鎖邏輯的液位調(diào)節(jié)回路示意

3.3 案例3

采用“2oo2”聯(lián)鎖邏輯的液位調(diào)節(jié)回路,如圖3所示,當(dāng)V101設(shè)有雙液位計和SIS聯(lián)鎖,SIS聯(lián)鎖邏輯采用“2oo2”,V101液位由液位調(diào)節(jié)回路LIC02控制。

圖3 采用“2oo2”聯(lián)鎖邏輯的液位調(diào)節(jié)回路示意

3.4 案例4

采用“2oo3”聯(lián)鎖邏輯的液位調(diào)節(jié)回路如圖4所示,當(dāng)V101設(shè)有3臺液位計并設(shè)有SIS聯(lián)鎖,SIS聯(lián)鎖邏輯采用“2oo3”,V101液位由液位調(diào)節(jié)回路LIC02控制。

圖4 采用“2oo3”聯(lián)鎖邏輯的液位調(diào)節(jié)回路示意

3.5 案例分析

采用LOPA分析方法,基于IPL的獨立性、有效性與可審計性,針對V101液位低造成高壓竄低壓的危險事件,不考慮下游低壓設(shè)備V102的相關(guān)保護(hù)措施,SIS保護(hù)層按SIL1考慮,要求時危險失效概率(PFD)按0.05進(jìn)行計算,上述案例設(shè)置基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)與SIS保護(hù)層,總失效概率計算結(jié)果見表2所列。

表2 BPCS/SIS獨立保護(hù)層及失效概率

從表2可知,當(dāng)采用案例3方式進(jìn)行設(shè)置時,SIS聯(lián)鎖“2oo2”會導(dǎo)致液位計LT02失效造成SIS聯(lián)鎖與BPCS控制回路同時失效的風(fēng)險,當(dāng)SIS聯(lián)鎖的SIL等級較低時,LOPA分析保護(hù)層優(yōu)先考慮BPCS報警與BPCS調(diào)節(jié)回路。當(dāng)SIS聯(lián)鎖的SIL等級達(dá)到SIL2及以上時,則可優(yōu)先考慮按SIS聯(lián)鎖的失效概率作為該場景下的總失效概率。

對比案例1與案例3可發(fā)現(xiàn),在增加了緊急切斷閥與SIS聯(lián)鎖的前提下,案例3的總失效概率并沒有顯著提高,在SIS聯(lián)鎖采用“2oo2”的冗余結(jié)構(gòu)下,由于共因失效造成BPCS相關(guān)保護(hù)層無法按獨立保護(hù)層進(jìn)行考慮并降低風(fēng)險。因此,在高壓竄低壓改造中并不建議采用該方案。

方案2與方案4對比方案1,其總失效概率都進(jìn)一步的降低,并且在總失效概率要求進(jìn)一步提高時,可通過增加SIS聯(lián)鎖回路的SIL等級來實現(xiàn)。因此,在高壓竄低壓改造中,建議增設(shè)與現(xiàn)有BPCS保護(hù)層獨立的SIF回路或傳感元件冗余結(jié)構(gòu),如“1oo2”或“2oo3”的SIF回路。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合LOPA分析方法,針對多個常見的高壓竄低壓改造案例進(jìn)行分析,對比4個案例中IPL的設(shè)置,并計算危險場景下的保護(hù)層總失效概率,為石化裝置竄壓風(fēng)險改造提供了理論依據(jù),有效地幫助石化裝置選擇更加可靠的改進(jìn)方案。