安全完整等級回路（SIL）計算實例分析

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司,青海格爾木 816000)

0 概述

安全完整性等級（SIL）是安全儀表系統(tǒng)（SIS）中的重要組成部分，在國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508和IEC 61511中有詳細(xì)的規(guī)定，目前國內(nèi)大型石油化工裝置中關(guān)于安全儀表的相關(guān)論述很多，包括如何進(jìn)行HAZOP分析等。但對于安全完整性等級（SIL）的確定后如何指導(dǎo)對項目的安全完整等級進(jìn)行驗證，如何收集相關(guān)參數(shù)等論述的比較少。現(xiàn)在越來越多的專利商提出現(xiàn)場開車時必須要SIL回路報告。本文就介紹安全完整性等級的具體過程出發(fā)，結(jié)合實例分析如何進(jìn)行安全完整性的驗算，為以后類似項目專利商的驗收和日后的技術(shù)改造等提供技術(shù)參考。

1 安全完整性（SIL）驗算基礎(chǔ)（圖1）

圖1 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

安全儀表系統(tǒng)的平均失效概率計算公式如下：

PFDSYS=PFDPOWER+PFDS+PFDL+PFDFE

其中：PFDSYS—安全儀表系統(tǒng)在要求時的平均失效概率；

PFDPOWER—安全儀表的供電電源的平均失效概率；

PFDS—傳感器子系統(tǒng)在要求時的平均失效概率；

PFDL—邏輯控制子系統(tǒng)在要求時的平均失效概率；

PFDFE—最終執(zhí)行元件子系統(tǒng)在要求時的平均失效概率；

因為天然氣制乙炔裝置的設(shè)計為正常帶電，因此，可以不考慮電源的PFD，PFDPOWER為0。

1.1 安全完整等級（SIL）與PFD的關(guān)系

根據(jù)IEC 61508中關(guān)于SIL與PFD的關(guān)系見表1。

表1 低要求模式

1.2 安全完整等級（SIL）PFD計算

在IEC 61508中對1oo1、1oo2、2oo3的計算公式描述如下：

1.3 安全回路公共故障系數(shù)β的計算

根據(jù)以上的表格以及上海自動化研究所經(jīng)驗，確定天然氣制乙炔裝置的公共故障系數(shù)β：相同通道組成的冗余結(jié)構(gòu)β值（共同失效因子）為10%，不同通道組成的冗余結(jié)構(gòu)β值為5%。

2 安全完整性等級（SIL）的PFD實例計算

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

該安全儀表系統(tǒng)安全儀表功能（SIF）編號為GEN-01,當(dāng)反應(yīng)爐沒有火焰時執(zhí)行安全功能，詳見表2。

工藝描述：當(dāng)反應(yīng)爐出口氧氣含量AZT03R100X-01大于HHH值，觸發(fā)聯(lián)鎖。同時關(guān)閉氧氣進(jìn)料閥FZV03H090X-03，XZV03H090X-04。打開放空閥XZV03H090X-05。當(dāng)反應(yīng)爐溫度變化速率TZT03R100X-02A，TZT03R100X-07A檢測值高于4℃/S二取一表決。觸發(fā)聯(lián)鎖，同時關(guān)閉氧氣進(jìn)料閥FZV03H090X-03，XZV03H090X-04。打開放空閥XZV03H090X-05。

表2 當(dāng)反應(yīng)爐沒有火焰時的安全儀表功能表

2.2 系統(tǒng)配置表（見表3）

表3 系統(tǒng)配置表

2.3 評估結(jié)果及結(jié)論

（1）計算依據(jù)的條件。1）平均修理時間MTTR：變送器為8小時，閥門為24小時；2）檢驗測試時間T1：1年；3）相同通道組成的冗余結(jié)構(gòu)β值（共同失效因子）為10%，不同通道組成的冗余結(jié)構(gòu)β值為5%。

（2）工作模式為低要求操作模式。

（3）傳感器子系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)約束條件：SIL4。

要求時平均失效概率PFDav：

PFDavsensor=7.2118×10-5

（4）邏輯單元子系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)約束條件：SIL3。

要求時平均失效概率PFDav：

PFDavlogic=6.22×10-6

（5）最終元件子系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)約束條件：SIL3。

要求時平均失效概率PFDav：

PFDavfinal=5.773×10-5

（6）GEN-01安全儀表系統(tǒng)的安全功能在要求時的平均失效概率：

PFDavsys=PFDavsensor+PFDavlogic+PFDavfinal=1.361×10-4

由于1.361×10-4<1.0×10-3，所以滿足工藝要求的SIL3等級。

3 結(jié)語

安全無小事，在石油化工自動化設(shè)計中，一定要注重安全儀表的設(shè)計，定期對裝置進(jìn)行檢修，對安全完整性等級進(jìn)行計算，從而保證現(xiàn)場施工乃至其他環(huán)節(jié)的安全問題。