提高SIS安全完整性等級的措施

孫金玲

(中石化石油工程設計有限公司 北京分院，北京 100200)

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提高SIS安全完整性等級的措施

孫金玲

(中石化石油工程設計有限公司 北京分院，北京 100200)

摘要：以某輸氣管道分輸站出站壓力高高聯鎖關斷出站緊急切斷閥(ESDV)為例，定量計算此回路的平均危險失效概率(PFDavg)，驗證整個回路的安全完整性等級(SIL)是否滿足設計要求。通過不同方案的SIL驗證，分析得出實際工程應用中在投資限制的條件下提高SIS安全完整性等級的措施。

關鍵詞：天然氣分輸站安全完整性等級安全儀表功能

石油天然氣為易燃易爆介質，若發生事故不僅危及人民生命安全、造成財產損失，而且可能對生態環境造成無法彌補的破壞，因而安全儀表系統(SIS)在石油天然氣行業使用越來越多，對其要求也越來越高。筆者以某輸氣管道項目為例對典型回路的安全完整性等級(SIL)進行量化分析，驗證其是否滿足設計的安全等級要求。

1安全儀表系統組成及安全完整性等級

根據IEC 61511—2003《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》[1]中的定義,安全儀表系統是由傳感器、邏輯控制器、執行器組成的,能夠行使一項或多項安全儀表功能SIF(safety instrumented function)的系統。

安全儀表系統的等級用SIL來表示，SIL4是安全完整性的最高等級，SIL1為最低等級。GB 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》[2]指出，通常石油化工和煤化工裝置的安全儀表系統工作于低要求操作模式，應采用低要求操作模式下檢驗測試時間間隔跨度上的平均危險失效概率(PFDavg)來計算和驗證安全儀表系統的SIL，其對應關系見表1所列，每個SIF(以下稱回路)的PFDavg應小于其SIL在表1中所對應的目標危險失效值。

表1　　　　在低要求操作模式下分配給1個E/E/PE

2系統FPDavg計算公式

安全儀表系統由多個回路組成，每個回路由測量儀表、邏輯控制器、最終元件和電源構成，每個回路的總PFDavg為四部分PFDavg之和[3-4]：

PFDavgSIS=∑PFDavgSi+∑PFDavgAi+

∑PFDavgLi+∑PFDavgPSi

(1)

式中：PFDavgSIS——SIS中指定回路的PFDavg；FPDavgS——指定回路中傳感器的PFDavg；PFDavgA——指定回路中最終執行元件的PFDavg；FPDavgL——邏輯控制器的PFDavg；PFDavgPS——電源的PFDavg；i——指定回路中每個組件的數量。

3PFDavg計算案例

以某輸氣管道項目典型分輸站出站部分工藝儀表流程為例，定量分析該回路的PFDavg。流程如圖1所示。

圖1　典型分輸站出站部分工藝儀表流程示意

根據SY/T 6966—2013《輸油氣管道工程安全儀表系統設計規范》[5]對于輸氣分輸站典型安全功能回路及SIL的要求，分輸出站的關斷安全完整性等級確定為SIL2。分輸出站關斷邏輯進緊急關斷系統(ESD)，ESD為故障安全性設計。假設此回路的功能測試時間間隔TI=1a[6]。

3.1壓力變送器的PFDavgS

現場使用的壓力變送器為EJA530A，廠家提供的為未經過安全認證的普通壓力變送器，假設壓力變送器的平均無故障時間MTBFDU=50a，壓力變送器采取“2oo3”結構，冗余的壓力變送器為同一家產品，所以具有同樣的故障率。根據式(2)和式(3)[6]計算得出壓力變送器的PFDavgS約為4.0×10-4。

PFDavgS=[(λDU)2·(TI)2]

(2)

(3)

式中：λDU——不能檢測出的危險失效率。

3.2執行單元(緊急切斷閥)的PFDavgA

執行單元的危險失效概率PFDavgA為球閥、執行機構與電磁閥的PFDavg之和。現場使用的閥門為某國產球閥，執行機構為Shafer的氣液聯動執行機構，其中執行機構具有SIL認證，PFDavg為2.37×10-4。假設電磁閥MTBFDU=50a，球閥MTBFDU=50a。由于各部分均為“1oo1”結構，根據式(4)[6]分別計算得出電磁閥和球閥的PFDavg，各部分相加得出執行單元PFDavgA約為2.02×10-2。

(4)

3.3邏輯控制器的PFDavg L

ESD系統為經過SIL2認證的AB Controllogix 1756系列安全PLC，其模擬量輸入模塊的PFDavg為1.01×10-4，數字量輸出模塊的PFDavg為9.92×10-5，CPU的PFDavg為2.24×10-4。由此可得出PFDavgL為4.242×10-4。

3.4電源的PFDavgPS

ESD系統為故障安全性設計，不需要考慮電源的PFDavg。

3.5回路SIL驗證

根據式(1)計算得出，此回路的PFDavgSIS為2.0824×10-2，安全等級為SIL1，不滿足回路SIL2要求。

4提高執行單元安全性的方案

從上述計算結果可以看出，回路不滿足SIL2的最主要的原因在執行單元。提高執行單元安全性有以下幾種方案。

4.1方案一

出站緊急關斷閥(ESDV)配套2個電磁閥，電磁閥為并聯，表決邏輯為“2oo2”，流程如圖2所示。

圖2　分輸出站工藝儀表流程示意(電磁閥并聯)

執行單元的PFDavgA在計算時應先將電磁閥按照式(5)[6]計算后再與閥門、執行機構的PFDavg相加。計算得出FPDavgA約為2.02×10-2，相應得出整個回路的PFDavgSIS為3.0824×10-2。由此可以看出，配套2個并聯的電磁閥不僅不會增加其安全性，反而會導致安全性降低。

PFDavg=λDU·TI

(5)

4.2方案二

出站ESDV配套2個電磁閥，電磁閥為串聯，表決邏輯為“1oo2”，流程如圖3所示。

圖3　分輸出站工藝儀表流程示意(電磁閥串聯)

根據式(6)[6]計算得出電磁閥的PFDavg為1.33×10-4，執行機構的PFDavg為2.37×10-4，閥門的PFDavg為1.0×10-2，由此得出PFDavgA為1.373×10-2，相應得出整個回路的PFDavgSIS為1.455×10-2。

(6)

安全等級和“1oo1”，“2oo2”相比有了較大提高，但仍然不滿足SIL2。

4.3方案三

出站配置2個ESDV，表決邏輯為“1oo2”，流程如圖4所示。

圖4　分輸出站工藝儀表流程示意(冗余ESDV)

根據式(6)計算得出PFDavgA為2.67×10-4，相應得出整個回路的PFDavgSIS為1.91×10-3，安全等級滿足SIL2。

4.4方案四

選擇故障率更低的經過SIL3認證的執行元件。如ASCO電磁閥32P-D的PFDavg為1.29×10-3，Cameron全焊接球閥B8系列的PFDavg為1.39×104。在現有的輸氣管線工藝流程前提下，計算得出PFDavgA為1.666×10-3，整個回路的PFDavgSIS為7.006×10-3，滿足SIL2要求。

4.5提高系統安全性的方法

從以上四個方案的計算可以看出，僅方案三和方案四的安全等級可以滿足SIL2要求，但無論是設置冗余的緊急切斷閥或者設置單緊急切斷閥，其球閥、執行機構、電磁閥等全部選擇具有SIL認證的產品，投資都會大幅增加。考慮到投資的經濟性，可通過縮短安全回路的檢測時間間隔TI至6個月，提高檢測覆蓋率，計算得出方案二的PFDavgSIS為4.252×10-3，滿足SIL2要求。由此可以看出： 提升設備的維護頻率就能夠提高整個系統的安全性。

5結束語

1) 計算時未考慮安全柵、繼電器、防電涌保護器等回路中的電器元件，實際項目的SIL驗證也需將其計算在內。電器元件越多，故障率越高。因此，在系統滿足安全的前提下應盡量減少安全柵、繼電器、防電涌保護器的使用，必須選用時應選擇具有SIL認證的產品。

2) 簡化公式是在不考慮共因失效因子β且平均故障修復時間MTTR很小的前提下的簡化計算，和實際的計算結果并不一定完全吻合。實際項目應用中應按照標準公式進行SIL驗證。

3) 其他常用的SIL驗證方法有故障樹、可靠性框圖、馬爾可夫模型，每種方法計算出的PFDavg值不會完全相同，但基本會處于同一數量級。

4) 由于SIL驗證方法各有不同，且在驗證時受制于驗證人員的個人能力和經驗，未經過認證的SIL驗證結果僅供參考。在實際項目運行中建議找經過TüV驗證的SIL驗證軟件和安全評估人員來進行SIL評估，當驗證結果不滿足設計要求時及時整改。

參考文獻:

[1]IEC.IEC 61511—2003 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector[S]. Geneva： IEC, 2003.

[2]黃步余,葉向東，范宗海，等.GB/T 50770—2013石油化工安全儀表系統設計規范[S]. 北京： 中國計劃出版社,2013.

[3]IEC.IEC 61508—2010 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems [S]. Geneva： IEC, 2010.

[4]馮曉聲，王莉，梅恪，等.GB/T 20438—2006電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全[S].北京： 中國標準出版社,2006.

[5]聶中文，鄧東花，王懷義，等.SY/T 6966—2013輸油氣管道工程安全儀表系統設計規范[S].北京： 石油工業出版社,2013.

[6]ISA.ISA-TR 84.00.02—2002 Safety Instrumented Functions (SIF)-Safety Integrity Level(SIL)Evaluation Techniques [S]. NC： ISA, 2002.

[7]宋燕.石油化工項目SIL評估在設計環節中的注意問題[J].石油化工自動化，2011,47(06)： 13-16.

[8]楊雅清.SIS執行元件的設計探討[J].石油化工自動化，2012,48(06)： 12-14.

[9]王東峰.安全儀表系統的回路設計探討[J].石油化工自動化，2014,50(04)： 10-15.

[10]宋雷，孫軍.SIL定量計算評估方法在BPCS中的應用[J].石油化工自動化，2014,50(06)： 20-22.

Countermeasures for Improving Safety Integrity Level of SIS

Sun Jinling

(Beijing Branch, Sinopec Petroleum Engineering Co. Ltd., Beijing, 100200, China)

Abstracts： With example of one ESDV shut off for outside station pressure alarm interlock in one gas distributing station of pipeline transportation, PFDavgis quantitatively calculated for the loop to verify whether safety integrity level in whole loop meets design requirement or not. Through verification with different SIL schemes, one countermeasure for improving SIL is approached for practical project application under limited budget.

Key words:natural gas; gas distributing station; safety integrity level; safe instrument function

作者簡介：孫金玲，女，2002年畢業于中國石油大學(華東)自動化專業，現就職于中石化石油工程設計有限公司北京分院，主要從事石油天然氣地面建設自控設計工作，任高級工程師。

中圖分類號：TE978

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0010-03

稿件收到日期： 2016-02-24，修改稿收到日期： 2016-04-06。