火氣系統功能有效性的績效評估方法

劉 宇,張海鋒,路 通

(中海石油技術檢測有限公司,天津 300452)

火氣系統功能有效性的績效評估方法

劉 宇,張海鋒,路 通

(中海石油技術檢測有限公司,天津 300452)

火氣系統作為減災保護層安全儀表系統，以抑制火災和氣體泄漏帶來的風險為目的，在石化現場發揮著重要的保護作用。風險抑制能力取決于火氣系統的功能有效性，受多方因素影響，如現場探測器的布置、系統自身配置、應急響應和滅火能力等。要實現對火氣系統功能有效性的績效評估，需要綜合多方因素進行分析。采用ISA-TR84.00.07推薦的事件樹風險分析模型，從探測覆蓋率、系統安全完整性及災難抑制措施有效性三個層面綜合分析、計算系統的功能有效性和風險抑制能力，從而實現定量評價。通過典型案例分析，對探測覆蓋率分析技術和安全完整性評估技術的基本理論和方法進行了梳理和介紹，并驗證了基于事件樹模型的火氣系統有效性評估理論的可操作性，證明了采用事件樹模型、結合探測覆蓋率和功能安全基礎理論，可以較好地實現火氣系統功能有效性的績效評估。

監測報警； 安全儀表系統； 安全完整性等級; 功能安全； SFF； HFT

0 引言

火災及氣體監測報警系統(fire and gas system，FGS)，簡稱火氣系統，是用于監控火災和可燃氣及毒氣泄漏事故，并具備報警和一定滅火功能的安全儀表系統?；饸庀到y屬于減災保護層安全儀表系統，與預防保護層安全儀表系統(如緊急停車系統)相比，影響火氣系統功能有效性的因素更為復雜。除FGS自身的安全完整性外，現場探測設備的數量、布局和安裝位置、輸出響應后消防、噴淋等災難抑制措施的有效性、人員應急響應能力等因素都對會火氣系統的整體有效性造成影響[1]。依據設計經驗，通常對火氣系統的功能有效性和風險削減能力作深層次分析，但這其實與安全儀表系統的設計和管理要求存在差距。

國家安監總局在“安監總管三〔2014〕116號文件——加強化工安全儀表系統管理的指導意見”中明確將火氣系統列入了安全儀表系統范疇，并要求加強對新建及在役“兩重點一重大”化工裝置和危險化學品儲存設施的安全儀表系統的風險評估管理。如何對火氣系統的功能有效性(風險削減水平)進行績效評估已成為系統設計及管理的重點課題。

1 FGS有效性評估模型

綜合分析火氣系統的原理和功能，火氣系統的功能有效性取決于三方面的因素：探測覆蓋率、系統安全完整性、災難抑制措施有效性[2]。

探測覆蓋率：在預設表決機制下，現場探測器探測覆蓋空間占火災/泄漏可能出現空間的比重，也可以理解為現場火災/泄漏事件被有效探測到的概率。

安全完整性：火氣系統有效執行某項安全儀表功能(safety instrumented function，SIF)的能力，通?？梢杂肧IF要求的平均失效概率或稱平均危險故障率(probability of failure on demand，PFDavg)，或安全完整性等級(safety integrity level，SIL)來表征。

災難抑制措施有效性：啟動終端減災設備，可有效減弱危害后果的概率，如阻止火災的蔓延和泄漏氣體的積累。減災措施需要以足夠迅速的方式進行啟動才能有效減弱事故的嚴重性。否則，減災措施可能會失效或不足，例如：

①滅火系統不足以控制火勢；

②隔離或泄壓太慢，未能阻止泄漏氣體的積累；

③通知和提醒設備啟動不夠迅速，人員逃離滯后；

④應急預案不足以正確指導人員撤離。

在ISA-TR84.00.07研究報告中，推薦采用事件樹模型來定量評估火氣系統的風險削減水平[2-3]。該模型以火災或氣體泄漏危險情景為起點，按照險情的發展趨勢，分析每一個因素對火氣系統正確執行功能(成功YES / 失敗NO)的影響，用定量分析的方式計算每一種可能性的發生概率。用事件概率與后果嚴重性的乘積來表征過程風險，可加權計算出由火氣系統失效所引入的風險因子(weighted average consequence，CWA)，其倒數1/CWA便可表征火氣系統的風險削減倍數。事件樹風險分析模型如圖1所示。

圖1 事件樹風險分析模型

在上述模型的基礎上，可按式(1)定量計算火氣過程風險(R)。R=CWA×Funmiltigated×PFD(IPL1)×PFD(IPL2)×…×PFD(IPLn)

(1)

式中： Funmitigated為火氣危險事件發生的頻率(次/年)；PFD(IPL)為針對此火氣危險事件其他獨立保護層的失效概率。將過程風險與用戶風險的標準進行比較，就可以判斷當前火氣系統的功能有效性及其他保護層措施是否滿足火氣風險的控制要求。

2 FGS探測覆蓋率分析技術

探測覆蓋率作為火氣系統的特征參數，直接影響系統的功能有效性。如果現場探測設備覆蓋率不足，硬件配置再高的火氣系統也未必能有效削減現場火氣風險。

表1引用了GeneralMonitors相關研究報告(SIL104)中的風險降低數據[4]，通過數據分析發現：在探測覆蓋率95%的條件下，硬件配置達到SIL3(PFDavg=9.9×10-4)的系統，實際的風險削減能力僅為5.09×10-2，相當于SIL1水平。由此可見，對于火氣系統而言，拋開探測覆蓋率而單純追求系統硬件的高可靠性是沒有意義的。

表1 風險降低數據(SIL104)

FGS探測覆蓋率分析，實際上就是定量評價火災/泄漏危險事件被有效探測到的概率。采用幾何投影技術，對被保護區域內現場探頭的探測覆蓋率進行定量分析。

ISA-TR84.00.07中給出了幾何覆蓋率和場景覆蓋率兩個概念，可通過圖2給出的海洋石油平臺單井口撬塊案例進行說明[2]。案例的幾何參數為長12.2 m、寬3.7 m、高3.7 m；撬塊中僅包含一套井口裝置，如圖2(a)中圓形位置；撬塊對角位置設置2臺火焰探測器，共同監測此該區域內火災事件。

根據火焰探測器自身探測范圍參數，在考慮空間遮擋的情況下，可核算出該區域內的探測覆蓋范圍，如圖2(a)所示。其中：區域一被2臺探測器覆蓋；區域二被1臺探測器覆蓋；區域三無探測器覆蓋。系統預設的表決機制為2ooN結構，即2臺探測器同時報警時輸出下一步響應，所以可以認為區域一為有效探測區域。計算區域一面積占總區域面積的比例，即為被保護空間內的幾何覆蓋率。經計算，本案例的FGS幾何覆蓋率為64.5%。

在幾何覆蓋率的基礎上，可進一步進行場景覆蓋率分析：在整個受保護區域內，僅井口位置存在因可燃物質泄漏引發火災的風險。通過定量風險分析，預測可能形成長2 m、直徑0.3 m的噴射火焰；火焰噴射方向隨機，假設有8個方向的可能，如圖2(b)所示。在這個危險場景下，計算探測器對可能出現火焰區域的探測覆蓋率就是FGS場景覆蓋率。經計算，在火焰可能出現的區域內，88%的區域被2臺探測器同時覆蓋，即本案例的FGS場景覆蓋率為88%。

圖2 FGS探測覆蓋率分析案例

在實際工程項目中，現場的環境更復雜，風險點也更多，簡化的二維理論模型分析不易實施，且偏差較大。通?？刹捎?D建模的方式，利用幾何投影技術相關工程軟件進行FGS探測覆蓋率的細化分析。在火氣系統設計、優化等環節， FGS探測覆蓋率分析技術都可發揮關鍵作用。

3 FGS安全完整性評估技術

火氣系統作為安全儀表系統的一個分支，系統的安全完整性可按相關功能安全標準進行定量評估[5]。

為了保證工藝裝置的生產安全，安全儀表系統必須具備與工藝過程相適應的SIL可靠度。評估安全完整性等級SIL的主要參數為PFDavg，按其從高到低依次分為1～4級。石化行業一般涉及的只有1～3級[6-7]。低要求模式下，SIL與PFDavg及目標風險降低能力(target risk reduction，TRR)的對應關系如表2所示。

表2 低要求模式下SIL、PFDavg、TRR對應關系

火氣系統每項SIF實際具備的SIL是由回路中各環節的失效概率所決定的[8]。IEC 61508/IEC 61511給出了系統平均失效概率計算和評估的指導方法，最常用的方法為可靠性框圖法、馬爾可夫模型法[8-9]。針對每個SIF的PFDavg計算步驟如下。

(1)畫出表示傳感器子系統(輸入)各部件、邏輯子系統各部件、最終元件子系統(輸出)各部件的塊圖，將每一個子系統描繪成MooN表決組結構。

(2)確定檢驗測試時間間隔(test interval，TI)；確定每次失效的平均恢復時間(mean time to restoration，MTTR)。

(3)對于每一個子系統的表決組，確定：

①表決結構(例如2oo3)；

②每個通道的診斷覆蓋率(diagnostic coverage，DC)(例如60%)；

③每個通道的失效率(每小時)λ(包括：λD、λS、λDD、λDU、λSD、λSU)；

④表決組中通道之間相互作用的共同原因失效的系數β。

(4)將確定的參數代入數學模型，計算每個子系統的失效概率PFDavg。PFDavg計算模型如圖3所示。

圖3 PFDawg計算模型示意圖

計算模型此處不作進一步詳述，具體方法可參考相關標準。

根據IEC 61508/IEC 61511，評估SIF的SIL時，不僅要考察SIF的PFDawg是否符合表2的要求，同時還需考評子系統的結構約束是否滿足表3的要求。對于結構約束的考評，主要針對安全失效分數(safe failure fraction，SFF)和硬件故障裕度(hardware fault tolerance，HFT)2個參數。

表3 SIS系統結構約束要求

表3中：A型子系統指結構簡單的常用設備，如閥門、繼電器、檢測開關等；B型子系統指結構復雜的、或者采用維處理器技術的設備，如可編程控制器、智能變送器等。

4 應用案例

以海上平臺典型甲板為案例，對火氣系統功能有效性評估流程和方法進行介紹。

分析對象基本信息：海洋平臺某甲板撬塊內部布置3個罐體，罐內為可燃物質，現場存在火災風險。甲板四周設置3臺火焰探測器，監測撬塊內火災事件。甲板撬塊FGS保護模型如圖4所示。

圖4 甲板撬塊FGS保護模型

火氣系統功能有效性評估流程如下。

①用戶的可接受風險分析。通過用戶的可接受風險分析，確定風險評價標準，作為火氣系統功能效性的評判準則。本案例預定的可接受風險為1×10-4/年，即用戶可容忍此撬塊發生火災災害的頻率為10 000年1次。

②火災初始風險分析?；馂某跏硷L險分析主要是綜合考慮被保護對象的溫度、壓力、組分及現場環境等因素，通過定量風險分析(quantitative risk analysis，QRA)、裝置失效分析、經驗假設、歷史比對等方法對火災可能出現的范圍及頻率進行定量評定，作為FGS功能有效性評估的輸入項。火災初始風險分析相關技術已超出本文范圍，此處不作細化。對本案例作簡化分析后，得出結論：火災風險區域為如圖4中的虛線區域，火災發生頻率Funmitigated=1.0×10-3次/年。

③FGS探測覆蓋率分析。根據現場火氣探頭的布置情況，采用3D投影技術計算探測覆蓋率，得出FGS探測覆蓋區域分布情況(h=1.5 m)如圖5所示。

圖5 FGS探測覆蓋區域分布圖(h=1.5 m)

計算得出火災風險區域內的FGS探測覆蓋率如表4所示。火氣系統設定的現場探頭表決制作為2ooN，故此案例的FGS探測覆蓋率為77.9%。

表4 FGS探測覆蓋率

④FGS安全完整性分析。本案例的SIF回路由現場探測器、邏輯控制器和終端執行器組成，現場探測器表決結構為2ooN，邏輯控制器為1oo2D冗余結構，輸出啟動消防電磁閥組為1oo2結構。SIL回路內各環節硬件的可靠性數據如表5所示。

表5 FGS回路的可靠性數據

FGS子系統失效概率計算表如表6所示。

表6 FGS子系統失效概率計算表

計算SIL回路整體的失效概率為：

FGS的硬件有效性為：1-0.84×10-3=99.916%。在失效概率層面，該FGS系統的硬件配置可達到SIL2的水平。

⑤FGS減災有效性分析。FGS系統正常啟動發出相應的輸出信號，后續的消防、噴淋、應急系統將進一步對火災進行撲救及抑制[10]。FGS減災有效性取決于減災措施的啟動速度和災難削減能力。對于此方面的分析，本文不作進一步詳述。假設本案例的減災有效性為0.95，即FGS正常啟動后，減災措施抑制災難發生及惡化的幾率為95%。

⑥FGS功能有效性績效評估。應用事件樹模型，評估火氣系統的功能有效性如圖6所示。

圖6 FGS功能有效性評估模型

此火災風險在無其他獨立保護層的情況下，當前的火氣過程風險為：

R=CWA×Funmitigated×PFD(IPL1)×PFD(IPL2×…×PFD(IPLn)=0.27×1.0×10-3×1×…×1=2.7×10-4/年

此數值超過了用戶的可容忍風險1×10-4/年，可判定當前配置下火氣系統的功能有效性尚無法滿足用戶的風險削減要求。

⑦改進與優化。當前火氣系統配置無法滿足風險控制要求，需進行改進與優化。分析系統的幾項指標可以發現：在當前系統的相關硬件安全完整性已達到較高水準(SIL2)的情況下，系統的探測覆蓋率僅為77.9%，還有進一步提升的空間。

設計兩套方案實現FGS探測覆蓋率提升：方案一，將現場探頭表決方式更改為1ooN(單探頭報警即響應輸出)，現場探測覆蓋率可增加至98.1%(數據見表4)；方案二，現場增加布置一個火焰探測器，改進的FGS保持模型如圖7所示。經計算，方案二的探測覆蓋率可增至97.2%。

圖7 改進的FGS保護模型(方案二)

FGS改進方案對比如表7所示。

表7 FGS改進方案對比

通過參數對比，兩個改進方案均能有效提高FGS現場探測覆蓋率，并使得火氣系統的整體功能有效性滿足現場風險的控制要求。但是，考慮到1ooN的探頭表決結構會增加系統的誤報警幾率，降低系統的可用性，對正常生產造成不良影響，故建議在條件允許的情況下，采用增加現場探測器的方式(方案二)進行系統優化。

5 結束語

火氣系統作為石化現場重要的安全保障系統，其功能有效性越來越受到重視。相比于預防保護層的安全儀表系統，影響火氣系統功能有效性的因素則更為復雜。

利用事件樹風險評估模型，可以從探測覆蓋率、系統安全完整性及災難抑制措施有效性三個層面，定量分析系統的風險抑制能力和功能有效性，實現對火氣系統功能有效性的績效評估。

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Performance Evaluation Method for Function Effectiveness of FGS

LIU Yu,ZHANG Haifeng,LU Tong

(CNOOC Technical Inspection Co.,Ltd.,Tianjin 300452，China)

As one of the safety instrument systems of the disaster mitigation and protection layer,with the goal of eliminating the risks of fire and gas leakage,the fire and gas system (FGS) plays an important protective role in petrochemical fields.Risk suppression capability depends on the functional effectiveness of FGS;it is affected by many factors,such as the layout of the detectors in the field,the configuration of the system,and the capability of emergency response and extinguishing,etc.To achieve the performance evaluation of functional effectiveness of FGS,it is necessary to comprehensively analyze multiple factors.The event tree risk analysis model recommended by ISA-TR84.00.07 can be used;the analysis includes three aspects,i.e.,the coverage of detection,the safety integrity,and the disaster mitigation measures,then the functional effectiveness of system and risk suppression capability are calculated,thus the quantitative evaluation is implemented. Through analyzing the practical cases,the basic theories and methods of the coverage analysis technology and safety integrity assessment technology are introduced and sorted,the operability of the assessment theory based on event tree model is verified.It is proved that event tree model combing with the basic theories of detector coverage and functional safety is effective for function effectiveness evaluation of FGS.

Monitoring and alarm; Safety instrumented system; Safety integrity level； Functional safety; SFF; HFT

劉宇(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油儀表系統檢測評估的研究和應用工作。E-mail:liuyu21@cnooc.com.cn。

TH701；TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704006

修改稿收到日期：2017-01-23