基于安全儀表系統的安全完整性等級評估技術應用

吳冬玲

(上海石油化工股份有限公司 公用事業部，上海 200540)

基于很多典型的事故案例分析,表明了絕大多數事故的發生都與安全儀表系統(SIS)的設置有關，盡管大多數的石油化工裝置均安裝了一系列安全相關的儀表，當針對SIS設置的唯一性、合理性、有效性等條件出現問題時，SIS將失去作用，從而會造成災難性事故的發生。因此，在石油化工企業中開展針對安全儀表功能(SIF)的安全完整性等級(SIL)評估工作，從而合理并有效地設置SIS，保障石油化工裝置的安全運行，已經逐漸成為目前迫切需要解決的問題。

1　SIL評估技術

SIS是保證正常生產和人身、設備安全的必不可少的措施，如今已逐步發展成為工業自動化的一個重要組成部分。整個系統主要包括現場傳感器、邏輯運算器和最終執行元件，可以檢測生產過程中出現的或者潛伏的危險，并及時發出警告信息或直接執行相應的預定程序，從而有效地防止事故的發生，降低了事故帶來的危害及其影響。

SIL是功能安全等級的一種劃分，由每小時發生的危險失效概率來區分。按照IEC 61511的規定，SIL劃分為4級，即SIL1～SIL4。SIF的SIL應該達到哪個等級，應由具體的風險分析確定，即通過分析風險后果嚴重程度、風險暴露時間和頻率、不能避開風險的概率、不期望事件發生概率這4個因素綜合得出。級別越高，要求其危險失效概率越低。

由于石油化工裝置長周期運行及生產能耗的特殊性，設備及系統的故障極易引發一系列環境破壞、事故爆炸和人員傷亡等災難，故基于SIL評估的結果，針對性地根據預期損害來選擇配備相應設備的安全有效性極為重要。

2　應用實例

2.1　裝置簡介

某聚乙烯裝置引進日本三菱油化公司超高壓管式法專利技術，于1992年4月投產運行，設計能力為80 kt/a，能生產17個品種的產品，主要用于制造農膜、輕膜、電纜料以及其他諸多塑料制品。該裝置具有高溫、高壓、高流速的特點，SIS必須具有高靈敏、高精度和自動聯鎖的特性，包括緊急程序A/B/C，分別設置在壓縮和聚合工藝過程中，系統中的壓力、溫度一旦發生異常時，將根據預設程序動作。

2.2　評估原因分析

該聚乙烯裝置的SIS改造后運行已超過7 a，聯鎖回路是否安穩運行對裝置的可靠性和安全影響極其重大，如果聯鎖系統設計不當，一種后果是該跳車時不跳，造成拒動作；另一種后果則是不該跳車時跳車，造成誤動作。拒動作會造成嚴重甚至災難性的后果，而誤動作的直接后果就是裝置的非計劃停車，從而造成生產企業巨額的經濟損失。因此，對SIF進行SIL評估，對于減小事故或避免緊急事故的發生具有重要意義。

2.3　評估過程

評估步驟如圖1所示，主要包括以下6部分。

1) 確定評估對象。SIL評估對象，可以是1臺單獨的設備、1臺機械，或裝置的某個生產部分，甚至是整個裝置，該裝置的SIL評估包含了7個子系統。

圖1　SIL評估程序示意

2) 過程危險與風險分析。在進行定量安全評估過程中，重點針對的是聯鎖系統失效后的嚴重性，如聯鎖失效所容易導致的人員傷亡、重大財產經濟損失及嚴重的環境影響。主要涉及該裝置運行及其相關控制設備中存在的危險及危險事件，可能導致危險事件的聯鎖控制順序，聯鎖系統內與特定危險事件相關聯的風險及降低風險的要求。同時，針對危險的識別主要涉及該裝置的物料屬性，聯鎖程序的運行及維護，裝置開車、停車、維護等異常操作下對SIS的影響，人工誤操作對SIS可能導致的影響，SIS安裝過程的復雜性與規范性所帶來的影響，危險識別后進行保護的過程中可能帶來的其他相關影響。

3) 可接受風險的標定。在完成該裝置的SIL是否能夠滿足相應的安全要求及檢測聯鎖功能的誤跳車概率的SIL評估目標之前，必須建立相應的可接受風險的標準，從而確定何種風險應該達到的SIL等級。

4) SIF的選定。SIL定量安全評估的實際對象則為SIF，1個SIF針對1個危險工況，預防1個危險后果，每個SIF針對的危險情況是不同的，其所執行的相應聯鎖動作亦不同。在評估過程中，主要選定適用于特定風險保護，且在SIS中應該執行的，但又無法實現最低SIL要求的功能。

5) SIF的失效后果及失效概率計算。主要根據聯鎖設備的使用場所、使用方法、使用環境及維護方法等，結合一定的災害模型及事故樹或過程，對設備的平均危險失效概率及聯鎖系統運行的誤跳車進行相應計算，得出SIF可能失效的概率及失效后可能發生的某些后果。

6) SIF的SIL等級評估及改進措施。即根據此次評估過程及結果分析，按照相應的可接受風險標準，判斷SIF是否滿足了一定的安全要求，并對無法滿足安全要求的SIF提出合理可行的改進措施，對誤跳車概率過大的SIF提出相應的改進方案，最終得出該裝置每個SIF的SIL等級。

3　評估內容

該裝置的主要生產流程由壓縮單元、聚合反應單元、高/中/低壓循環單元、擠出造粒單元及風送單元組成，因而評估范圍共涉及7個裝置： 前段壓縮機，后段壓縮機，主流預熱器及側流交換器，反應器，高/低壓制品分離器，脫氣混合槽，高壓油壓閥及管路。

1) 前段壓縮機。前段壓縮機共分為5段，從低壓循環系統來的乙烯原料經過前段壓縮機的前二段升壓，其中90%的原料同來自乙烯廠的新鮮乙烯一起進入第三段，從第二段出來的剩余10%的原料作為返回氣體送回乙烯廠。前段壓縮機的后三段有2條獨立的相同流量的氣體通道，將新鮮乙烯低壓循環氣、引發劑空氣和調整劑丙烯壓向后端壓縮機。

2) 后段壓縮機。從前段壓縮機和高壓循環氣系統來的組分分成主流和側流兩部分，在后段壓縮機經過二級壓縮，主流進入第一反應器，側流經過側流熱交換器進入第二反應器。

3) 主流預熱器及側流交換器。主流氣體在第一預熱器A中用500 kPa蒸汽加熱到130 ℃，然后在第一預熱器B中用中壓蒸汽再加熱到約175 ℃，達到聚合引發反應的溫度；側流氣體則調節到100～150 ℃，在混合點與未反應的氣體及聚合物混合后溫度達175～195 ℃，一起進入第二反應器。

4) 反應器。反應系統由第一預熱器、第一反應器、第二反應器、第三反應器及側流熱交換器組成，聚合壓力的控制由反應器出口的1個減壓閥承擔，經第一反應器、第二反應器和第三反應器的三段反應，使進氣的22%～27%轉化為聚合物。

5) 高壓制品分離器。從后冷卻器出來的聚合物和其他的混合物進入高壓制品分離器，分離出氣體和聚合物，氣體作為高壓循環氣從分離器頂部出來，進入高壓循環氣第一冷卻器，聚合物則從高壓制品分離器底部經產品管線進入低壓制品分離器。其中，高壓制品分離器料位由產品閥和高壓制品分離器伽瑪射線液位計控制。

6) 脫氣混合槽。一次造粒后的產品經過湊齊、混合送到產品儲槽，而其他系列產品則經過二次造粒后進入產品儲槽，最后送產品包裝。在中央粉塵收集系統中，儲槽內的壓力經常變化。

7) 高壓油壓閥及管路。液壓油裝置主要用于保障在裝置生產運行過程中高壓閥的正常工作。

4　異常因素評估

經過對系統所涉及的工藝單元及運行設備的危險性分析，發現在裝置運行過程中各類聯鎖單元均存在一定的異常因素，如傳感器斷電、線圈損壞、電磁閥損壞、電磁干擾等設備故障引起的可檢測性故障和不可檢測性故障，而這些因素極有可能在一定程度上造成一些運行風險，并影響裝置的安全、穩定生產，見表1所列。

5　評估結果分析

1) 經過針對該裝置SIS涉及的工藝單元及應用設備進行了危險與可操作性分析，對SIS所保護對象的危險性進行分析和系統應用的充分必要性進行分析，提出了SIS的改進建議及措施；同時依據合理可行的原則，結合具體情況提出了該裝置SIL等級要求。

2) 通過對該裝置評估范圍內的7個聯鎖子系統進行定量的分析計算，提出了一系列改進措施。風險分布情況及統計結果顯示出前段壓縮機、脫氣混合槽等對安全影響較大的設備或系統，存在一定的安全改進空間。

3) 針對該裝置評估范圍內7個聯鎖子系統中聯鎖回路的誤跳車進行分析和評估，發現約57%的聯鎖回路存在誤跳車或可進行誤跳車改進的情況。其中反應器的誤跳車問題比較突出，機組、高低壓制品分離器、脫氣混合槽、高壓油壓閥及管路系統等都存在值得警告的誤跳車問題。

4) 依據此次評估結果，計算聯鎖安全與誤跳車的預期改進效益及改進后的SIL，均能滿足企業生產的風險要求。聯鎖改進前后的安全及誤跳車情況對比見表2所列。

表1　裝置異常因素

表2　改進前后的安全及誤跳車情況

通過以上的評估分析，對于現有裝置的運行條件而言，可以為現有維護方法的確立提供相應的理論依據，可以降低維護實施過程中不必要的成本浪費，更可以為裝置今后的運行改造提供一定的設計依據。

6　結束語

聯鎖回路安全和誤跳車分析是石油化工行業

新興的安全保障機制，SIL技術的定量安全評估為裝置的聯鎖回路優化改進起到了重要的指導作用，合理并有效地設置安全的儀表設備與系統的應用，可以實現儀表設備與系統的功能安全，對于提升企業的安全水平及提高企業的經濟效益具有重要的促進作用，更加能夠有效地保障石油化工裝置生產運行的整體安全性。

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