甲醇裝置安全儀表系統(tǒng)的SIL等級(jí)評(píng)估

段長(zhǎng)坊 張旺

【摘 要】隨著信息化的發(fā)展，化工裝置自動(dòng)化程度越來(lái)越高，儀表功能安全評(píng)估也隨之成為企業(yè)安全評(píng)估的熱點(diǎn)。論文根據(jù)IEC 61511、IEC 61508相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原蘭州藍(lán)星化工20萬(wàn)噸/年甲醇裝置的安全儀表系統(tǒng)（SIS）的SIL等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的結(jié)果都符合安全完整性等級(jí)要求。論文通過(guò)對(duì)甲醇裝置安全儀表系統(tǒng)的SIL等級(jí)評(píng)估，進(jìn)一步提高聯(lián)鎖系統(tǒng)的合理性與安全性，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

【Abstract】With the development of information technology， chemical plant automation degree is higher and higher， instrument function safety assessment also will become the hot spot of enterprise safety assessment. This article is based on IEC 61511， IEC 61508 standards， the original Lanzhou Blue Star Chemical 200000 tons/year safety instrumented equipment （SIS） SIL instrumentation system to assess， the result of the assessment meets the safety integrity level requirements. This article passes the SIL rating of the methanol plant safety instrumented system， to further improve the rationality and safety interlock system， to provide a reliable guarantee for the system safe and stable operation.

【關(guān)鍵詞】甲醇裝置；安全儀表系統(tǒng)；SIL等級(jí)評(píng)估；聯(lián)鎖系統(tǒng)；安全評(píng)估

【Keywords】methanol plant；safety instrumentation system；SIL grade evaluation；interlocking system；assess safety

【中圖分類號(hào)】TQ086 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）02-0133-02

1 引言

最近幾年，我國(guó)新建了許多大型的甲醇裝置，例如：中海油東方市的80萬(wàn)噸/年海上天然氣制甲醇項(xiàng)目、重慶的80萬(wàn)噸/年天然氣制甲醇項(xiàng)目等。甲醇作為基礎(chǔ)化工原料，在我國(guó)工業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。隨著工業(yè)化的發(fā)展，甲醇裝置逐漸大型化已成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。隨著甲醇生產(chǎn)裝置不斷大型化，對(duì)裝置的自動(dòng)化程度要求也越來(lái)越高，其安全儀表系統(tǒng)對(duì)安全的重要程度也越來(lái)越顯著。所以，按照IEC 61511、IEC 61508對(duì)甲醇裝置的SIS進(jìn)行安全完整性的等級(jí)SIL評(píng)估變得更加重要[1]。本文通過(guò)對(duì)甲醇裝置安全儀表系統(tǒng)的SIL等級(jí)評(píng)估實(shí)施過(guò)程以及效果進(jìn)行介紹，分析了評(píng)估技術(shù)方面有關(guān)的難點(diǎn)，并對(duì)SIL評(píng)估工作當(dāng)中的特點(diǎn)等進(jìn)行了深入探討。

2 SIL評(píng)估技術(shù)和流程

SIS系統(tǒng)直接影響著裝置的可靠性和安全運(yùn)行。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在現(xiàn)有石油化工裝置當(dāng)中，安全聯(lián)鎖缺乏的占了10%左右，安全聯(lián)鎖過(guò)度的占了50%左右，聯(lián)鎖合理的僅僅占了40%左右。目前，在工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，聯(lián)鎖系統(tǒng)SIL等級(jí)的定量評(píng)估工作已經(jīng)開(kāi)展。

SIL主要描述的是SIS安全性能的指標(biāo)。在一定的時(shí)間和條件下，SIS能夠很好地執(zhí)行其安全功能。SIS功能的安全技術(shù)利用受控單元對(duì)危險(xiǎn)以及后果進(jìn)行分析，以此確定正確的安全功能。然后，選擇出合適的目標(biāo)SIL，設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)SIL的安全聯(lián)鎖功能。利用SIS功能的安全水平進(jìn)行測(cè)試以及評(píng)估工作，將受控過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)降低到一個(gè)能夠接受的水平上來(lái)。

3 甲醇裝置的安全儀表系統(tǒng)評(píng)估

這個(gè)項(xiàng)目中主要需要完成下面幾個(gè)方面的內(nèi)容：

①對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)以及文獻(xiàn)資料進(jìn)行收集和歸納。研究國(guó)內(nèi)外各種SIS安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)以及方法等，特別是對(duì)IEC 61511背景以及內(nèi)容進(jìn)行了解，充分理解并且掌握這些標(biāo)準(zhǔn)以及資料。②對(duì)裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別以及分析計(jì)算。通過(guò)國(guó)際通用的安全閥風(fēng)險(xiǎn)分析方法為基礎(chǔ)，按照裝置的實(shí)際狀況，對(duì)其進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[2]。③對(duì)聯(lián)鎖回路SIL等級(jí)進(jìn)行計(jì)算。按照IEC 61511以及有關(guān)材料，對(duì)選定的聯(lián)鎖回路，根據(jù)恰當(dāng)?shù)脑u(píng)定計(jì)算方法，定量計(jì)算出聯(lián)鎖回路的SIL以及誤動(dòng)作跳車的概率。④對(duì)安全聯(lián)鎖回路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。按照能夠接受的風(fēng)險(xiǎn)概率以及經(jīng)濟(jì)損失標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)甲醇裝置安全聯(lián)鎖回路進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估其是不是滿足要求。對(duì)不達(dá)標(biāo)的回路，提出切實(shí)可行的控制回路優(yōu)化或者替換設(shè)備，并且重新對(duì)SIL等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，以此實(shí)現(xiàn)安全有效的聯(lián)鎖回路。

4 SIL評(píng)估技術(shù)分析

按照甲醇裝置設(shè)計(jì)階段對(duì)SIS功能的安全評(píng)估狀況，需要對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)控制、SIF識(shí)別、SIS和DCS共用問(wèn)題、安全聯(lián)鎖邏輯結(jié)構(gòu)選擇以及獨(dú)立的保護(hù)層設(shè)置問(wèn)題等進(jìn)行分析[3]。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣和控制

通常情況下，甲醇裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)矩陣是根據(jù)企業(yè)事故管理規(guī)定所制定的。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)、賠償制度等進(jìn)行編制，分別認(rèn)定環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)等。通常情況下，專利商給的安全聯(lián)鎖SIL要求是在風(fēng)險(xiǎn)控制策略基礎(chǔ)上，并沒(méi)有考慮裝置建造場(chǎng)地的實(shí)際狀況，通過(guò)人員傷亡控制進(jìn)行舉例，各國(guó)對(duì)各行業(yè)傷亡情況的控制都不一樣，如果利用歐盟標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)矩陣控制，往往讓整個(gè)裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)的SIL高于實(shí)際需求。

4.2 SIF識(shí)別

SIF是指具有某個(gè)特定SIL的， 用以達(dá)到功能安全的安全功能。它不僅是一個(gè)儀表安全保護(hù)功能，同時(shí)也是儀表安全控制功能。按照IEC 61511，為了實(shí)現(xiàn)功能安全，SIF是所需最少的儀表，一般情況下其組成部分為：邏輯求解器、傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個(gè)SIF都有自己的SIL，所以，每一個(gè)SIF需要針對(duì)一個(gè)特定的危險(xiǎn)狀況，防止特定危險(xiǎn)后果。而一個(gè)SIS可以由許多個(gè)安全功能構(gòu)成，針對(duì)不同的危險(xiǎn)狀況，各安全功能也不同，執(zhí)行的動(dòng)作也不一樣，所以，在比較復(fù)雜的聯(lián)鎖系統(tǒng)當(dāng)中，聯(lián)鎖功能識(shí)別變得更加重要。

我們以甲醇裝置中的粗甲醇閃蒸罐的液位高為例子，當(dāng)傳感器檢測(cè)到粗甲醇中間罐液位高比較高的時(shí)候，要切斷閃蒸氣通向燃料系統(tǒng)的閥門以及閃蒸罐內(nèi)的噴淋水閥門和閃蒸氣通向火炬系統(tǒng)閥門。按照SIF的含義，三個(gè)閥門失效的后果不同。當(dāng)閃蒸罐液體進(jìn)入到燃料系統(tǒng)以及火炬系統(tǒng)當(dāng)中將會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的后果。噴淋水閥門關(guān)閉明顯不是一個(gè)必要的動(dòng)作。當(dāng)通向燃料系統(tǒng)以及火炬系統(tǒng)閥門正常關(guān)閉的時(shí)候，盡管噴淋水閥門不能及時(shí)進(jìn)行切斷，也不會(huì)使嚴(yán)重后果出現(xiàn)。因此，單從一個(gè)SIF分析，將這三個(gè)閥門定為同一個(gè)SIF是不科學(xué)的。所以，在SIL等級(jí)評(píng)估過(guò)程當(dāng)中，需要對(duì)每一個(gè)執(zhí)行動(dòng)作進(jìn)行充分分析，以此來(lái)對(duì)各個(gè)SIF進(jìn)行確定。

4.3 DCS和SIS共用問(wèn)題

當(dāng)前，在SIS設(shè)計(jì)中，存在和DCS一體化的問(wèn)題。按照IEC 61508，SIS需要和DCS相互獨(dú)立。如果它們不能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立，DCS作為聯(lián)鎖最高能夠達(dá)到的等級(jí)僅僅為SIL1。DCS主要強(qiáng)調(diào)的是過(guò)程調(diào)節(jié)，但是聯(lián)鎖強(qiáng)調(diào)的主要是比較隱性的工作。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器出現(xiàn)故障的時(shí)候，往往通過(guò)其他量來(lái)進(jìn)行反映。但是當(dāng)聯(lián)鎖用的設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候，通常不能夠用其他量來(lái)反映，一直到聯(lián)鎖動(dòng)作的出現(xiàn)。兩者對(duì)設(shè)備可靠性存在的差異比較大。

4.4 安全聯(lián)鎖邏輯結(jié)構(gòu)的選擇

在安全聯(lián)鎖方面，常用的邏輯結(jié)構(gòu)有：1oo1，1oo2，2oo2，2oo3。在IEC 61508-2內(nèi)，也對(duì)設(shè)備硬件冗余的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。我們從功能安全方面來(lái)分析，1oo2比1oo1的SIL要高，但是可操作性行比較差。2oo3和1oo1相比較，不但SIL要高，而且可操作性也比較強(qiáng)。2oo3和1oo2相比較，盡管SIL比1oo2要稍微低些，但是操作的可靠性要高于1oo2。

除此之外，不一樣的邏輯結(jié)構(gòu)在投資成本上也不一樣。按照過(guò)去SIL等級(jí)評(píng)估經(jīng)驗(yàn)，通常情況下，1oo1結(jié)構(gòu)的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)在SIL1左右。1oo2結(jié)構(gòu)的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)SIL2左右。要讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到SIL3，需要進(jìn)行周期性的測(cè)試。當(dāng)這種測(cè)試是在線測(cè)試的時(shí)候，那么就要求閥門安裝智能限位器。通常比較大直徑的緊急切斷閥門的價(jià)格要貴。這種帶有智能限位器的閥門價(jià)格要比普通閥門貴三倍。所以，SIL需求提高了，將會(huì)大大提高裝置的建設(shè)成本。

科學(xué)選用安全聯(lián)鎖邏輯結(jié)構(gòu)，要求SIS系統(tǒng)在滿足SIL要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)該盡可能減少裝置建設(shè)的成本以及誤跳車等，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性等。

5 結(jié)語(yǔ)

功能安全評(píng)估已經(jīng)成為石油化工行業(yè)SIL水平提高的一個(gè)重要手段[4]，它是圍繞功能安全評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)成為推動(dòng)功能安全評(píng)估的一個(gè)重要途徑。在我國(guó)石油化工行業(yè)中，SIS的應(yīng)用還存在一些誤區(qū)，怎樣利用科學(xué)的評(píng)估和手段對(duì)裝置SIS進(jìn)行功能安全分析，提高聯(lián)鎖系統(tǒng)安全性和合理性仍然是急需解決的問(wèn)題。

本文通過(guò)分析對(duì)甲醇裝置SIS進(jìn)行SIL定量評(píng)估過(guò)程和成果，討論了SIL評(píng)估技術(shù)當(dāng)中需要注意的事項(xiàng)，對(duì)蘭州藍(lán)星化工20萬(wàn)噸/年甲醇裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)的SIL等級(jí)評(píng)估經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為今后實(shí)施SIS的SIL等級(jí)評(píng)估工作提供了一定借鑒作用。

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