基于LOPA分析的成品油庫的SIL定級(jí)應(yīng)用

高鵬飛

國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司石家莊輸油氣分公司 河北 石家莊 050000

隨著我國化工裝置、危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施規(guī)模大型化、生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平逐步提高，加強(qiáng)和規(guī)范安全儀表系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)和管理十分迫切和必要。2014年，國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)指導(dǎo)意見（116號(hào)文），涉及“兩重點(diǎn)一重大”在役裝置或設(shè)施咋化工企業(yè)和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存單位，要在全面開展過程危險(xiǎn)分析（如危險(xiǎn)與可操作性分析的）的基礎(chǔ)上，通過風(fēng)險(xiǎn)分析功能及其風(fēng)險(xiǎn)降低要求，并盡快評(píng)估現(xiàn)有安全儀表功能是否滿足風(fēng)險(xiǎn)降低的要求。SIL定級(jí)是在建系統(tǒng)、在役裝置是否需要設(shè)置SIS系統(tǒng)的依據(jù)。自2017年以來，為了降低風(fēng)險(xiǎn)和提高本質(zhì)安全，化工行業(yè)在SIL定級(jí)上做了大量的工作。馬勇梧等人開展了輸氣站場(chǎng)的安全儀表系統(tǒng)的評(píng)估和驗(yàn)證。李毅等人將HAZOP分析和LOPA分析應(yīng)用于海上平臺(tái)安全儀表系統(tǒng)評(píng)估。

化工安全儀表系統(tǒng)包括安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)和有毒有害氣體及火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。安全儀表系統(tǒng)獨(dú)立與過程控制系統(tǒng)。化工安全儀表系統(tǒng)一旦生產(chǎn)裝置或者設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時(shí)，能夠瞬間準(zhǔn)確動(dòng)作，使生產(chǎn)過程安全停止運(yùn)行或自動(dòng)導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)。

安全儀表系統(tǒng)包括檢測(cè)單元、邏輯處理器和執(zhí)行單元。本次研究在研究對(duì)象的HAZOP分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行SIL定級(jí)。

1 分析對(duì)象

本文研究對(duì)象為坐落于華北平原的成品油庫的一級(jí)石油庫，儲(chǔ)存汽柴油，屬于兩重點(diǎn)一重大企業(yè)。油庫于1992年建立，位于城市郊外。重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品為汽油、柴油。根據(jù)GB18218-2018《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》和《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（原安監(jiān)總局令〔2011〕第 40 號(hào)、〔2015〕第 79 號(hào)修改）的有關(guān)規(guī)定和辨識(shí)可知，該油庫參照重大危險(xiǎn)源企業(yè)進(jìn)行管理。該油庫設(shè)置了基本過程控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、消防自動(dòng)化系統(tǒng)、火氣報(bào)警系統(tǒng)以及安全儀表系統(tǒng)。

2 HAZOP 分析

HAZOP 分析是一種用于辨識(shí)設(shè)計(jì)缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結(jié)構(gòu)化分析方法，方法的本質(zhì)就是通過一系列的會(huì)議對(duì)工藝圖紙和操作規(guī)程進(jìn)行分析。在這個(gè)過程中，由各專業(yè)人員組成的分析小組在HAZOP分析主席的引導(dǎo)下，按規(guī)定的方式展開頭腦風(fēng)暴，系統(tǒng)地研究每一個(gè)分析節(jié)點(diǎn)，分析偏離設(shè)計(jì)工藝條件的偏差所導(dǎo)致的危害和可操作性問題，并針對(duì)問題提出應(yīng)改進(jìn)的管理措施、應(yīng)提高的工程措施等，達(dá)到有效的保障油庫安全生產(chǎn)的目的。

根據(jù)該油庫的工藝流程圖、操作規(guī)程以及工藝管理人員的描述將該油庫工藝流程劃分為7個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為進(jìn)油流程、出油流程、倒罐流程、全站系統(tǒng)等7個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用壓力、溫度、液位、流量等4個(gè)參數(shù)，設(shè)置低、高、大、小等4個(gè)引導(dǎo)詞，對(duì)各節(jié)點(diǎn)中可能出現(xiàn)的偏差進(jìn)行辨識(shí)。借助表1安全評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，利用事故的后果嚴(yán)重級(jí)和事故性可能性在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中判定事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，本次分析重點(diǎn)是較大風(fēng)險(xiǎn)液位高偏差。分析偏差導(dǎo)致的事故最嚴(yán)重后果作為LOPA分析的一個(gè)基礎(chǔ)。

表1 安全評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表2 HAZOP分析結(jié)果

經(jīng)分析造成液位高偏差的原因包括人員誤操作導(dǎo)致高液位收油、液位計(jì)失效、人員誤操作導(dǎo)致收油切罐不及時(shí)、閥門內(nèi)漏或關(guān)閉不嚴(yán)造成油罐間連通四種初始事件。根據(jù)核實(shí)造成該后果的初始事件是否在油庫或者該公司范圍內(nèi)出現(xiàn)過，如果曾經(jīng)，可根據(jù)實(shí)際情況出具統(tǒng)計(jì)頻率；如果沒有出現(xiàn)過，則根據(jù)集團(tuán)及或者行業(yè)級(jí)別數(shù)據(jù)，確定概率。

保護(hù)措施是指可以獨(dú)立的行使安全保護(hù)功能而不受其他保護(hù)措施失效影響的安全的保護(hù)措施。針對(duì)油庫液位高該偏差的保護(hù)措施包括以下內(nèi)容：安全儀表系統(tǒng)系統(tǒng)；基本控制、火氣報(bào)警系統(tǒng)；安全儀表系統(tǒng)；操作人員的干預(yù)；公眾緊急響應(yīng)；工廠緊急響應(yīng)等。現(xiàn)有保護(hù)措施見表3。根據(jù)溢罐、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失、潛在的火災(zāi)爆炸。

表3 液位高對(duì)應(yīng)的現(xiàn)有保護(hù)措施

2.1 HAZOP 分析和LOPA 分析的關(guān)系

根據(jù)企業(yè)自制定的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣，從人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、停工影響、環(huán)境影響和聲譽(yù)影響等幾方面確定初始風(fēng)險(xiǎn)（沒有任何保護(hù)措施）與剩余風(fēng)險(xiǎn)（現(xiàn)有保護(hù)措施下的殘余風(fēng)險(xiǎn)）。針對(duì)剩余風(fēng)險(xiǎn)中仍為中風(fēng)險(xiǎn)及以上的偏差，應(yīng)增加保護(hù)措施（如SIF回路），并進(jìn)一步開展LOPA分析。

LOPA分析中有一部分內(nèi)容來源于HAZOP分析報(bào)告，其中偏差對(duì)應(yīng)LOPA分析的偏差，引起偏差大的原因?qū)?yīng)初始事件，現(xiàn)有保護(hù)措施對(duì)應(yīng)“保護(hù)層”。此外，還需要根據(jù)保護(hù)層的屬性（有效性、獨(dú)立性和可審查性）確定HAZOP分析中的保護(hù)層是否為獨(dú)立保護(hù)層。

2.2 保護(hù)層分析

保護(hù)層分是在是在定性危害分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)估保護(hù)層的有效性，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策的系統(tǒng)方案，其主要目的時(shí)確定是否由足夠的保護(hù)層使過程風(fēng)險(xiǎn)滿足企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)。LOPA分析是一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，通常使用初始時(shí)間頻率、后果嚴(yán)重程度和獨(dú)立保護(hù)層（IPL）的數(shù)量級(jí)大小來近似表征場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)。使用LOPA分析來確定在沒有安全儀表系統(tǒng)的情況下，距離企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)可接受水平的風(fēng)險(xiǎn)缺口。

當(dāng)采用保護(hù)層分析法SIL定級(jí)時(shí)，需要使用企業(yè)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的可容忍度和場(chǎng)景發(fā)生頻率兩個(gè)概念。其中風(fēng)險(xiǎn)的可容忍度由風(fēng)險(xiǎn)矩陣中查表，，該場(chǎng)景的發(fā)生頻率指得是，在不考慮SIL系統(tǒng)作為獨(dú)立保護(hù)層的情況下場(chǎng)景發(fā)生的頻率：

對(duì)保護(hù)層要求時(shí)失效概率（PFD）

（1）確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)可接受水平

針對(duì)該企業(yè)的人員、安全、財(cái)產(chǎn)、生產(chǎn)及環(huán)境建立一項(xiàng)目標(biāo)可容忍頻率，其中。根據(jù)HAZOP分析結(jié)果，在前面的HAZOP分析，針對(duì)偏差液位高產(chǎn)生最嚴(yán)重的后果對(duì)應(yīng)的后果嚴(yán)重程度是3級(jí)。目標(biāo)頻率，見表4。

表4 企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)可接受水平（目標(biāo)頻率）

（2）確定初始事件概率

其中基本工藝控制系統(tǒng)控制回路失效概率為1×10-1,墊片和填料大漏失效概率1×10-1，良好培訓(xùn)、心理健康和精神良好的操作工不遵守正常程序失效概率1×10-1。其中液位計(jì)在基本工藝控制系統(tǒng)中進(jìn)行組態(tài)和現(xiàn)實(shí)，IE1-IE4初始事件的概率分別為1×10-1、1×10-1、1×10-1、1×10-1。

（3）獨(dú)立保護(hù)層和保護(hù)層失效概率

獨(dú)立保護(hù)層：從現(xiàn)有HAZOP分析的現(xiàn)有安全措施中提取保護(hù)層，滿足條件的為獨(dú)立保護(hù)層，類似于培訓(xùn)取證、程序、正常的測(cè)試和監(jiān)測(cè)、維護(hù)、通信、標(biāo)識(shí)、火災(zāi)保護(hù)不作為獨(dú)立的保護(hù)層。通過表1，表2所得出的HAZOP分析結(jié)果，可以作為獨(dú)立保護(hù)層的包括基本工藝控制系統(tǒng)，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，關(guān)鍵報(bào)警和人員響應(yīng)和防火堤，其失效概率分別為5×10-1、1×10-1、5×10-1、1×10-2。

考慮到人員誤操作導(dǎo)致收油切罐不及時(shí)（IE1）、人員誤操作導(dǎo)致高液位收油（IE2）為關(guān)鍵報(bào)警及人員響應(yīng)失效，該保護(hù)層失效。

條件事件點(diǎn)火概率、人員暴露概率、致死率分別為5×10-2、1、1。

將風(fēng)險(xiǎn)降低目標(biāo)的最小值（2×10-2）作為該場(chǎng)景的的選取要求時(shí)失效概率(PFD)，表5為安全完整性等級(jí)與PFD、RRF二者的關(guān)系表。根據(jù)關(guān)系表液位高該場(chǎng)景下需要增加SIL≥1的安全儀表回路。

表5 安全整性等級(jí)與要求時(shí)失效概率、目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)降低因素關(guān)系表

4 結(jié)束語

根據(jù)要求完成了該油庫的SIL定級(jí)，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，選取分析結(jié)果為較大風(fēng)險(xiǎn)中的液位高偏差，針對(duì)該場(chǎng)景展開SIL定級(jí)，分析后果類別與嚴(yán)重性確立企業(yè)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受發(fā)生概率，識(shí)別了初始事件和獨(dú)立保護(hù)層，該油庫需要設(shè)立SIL等級(jí)大于等于1的安全儀表回路來滿足風(fēng)險(xiǎn)降低的要求。

在分析過程中，但是由于缺乏實(shí)踐的數(shù)據(jù)積累，對(duì)于各個(gè)系統(tǒng)的失效概率偏重經(jīng)驗(yàn)和建議，雖然考慮到了設(shè)備的使用年限導(dǎo)致的設(shè)備老化問題，但是失效概率的給出缺乏一定的數(shù)據(jù)積累基礎(chǔ)。在分析獨(dú)立保護(hù)層的過程中，通過分析，發(fā)現(xiàn)增加安全儀表功能回路并不是唯一一個(gè)降低風(fēng)險(xiǎn)的因子。比如建議在操作規(guī)程中增設(shè)報(bào)警人員響應(yīng)事件并定期進(jìn)行演練，可以提高人員的應(yīng)急響應(yīng)能力，從而降低報(bào)警和人員響應(yīng)這一個(gè)獨(dú)立保護(hù)層的失效概率，定期開展設(shè)備設(shè)施維護(hù)，提高設(shè)備設(shè)施的功能安全性，降低設(shè)備的失效概率。

LOPA分析的半定量分析，加入了固定的量的成分，數(shù)據(jù)還需要在設(shè)備全生命周期的管理中如實(shí)積累，建立全行業(yè)、全類型、分區(qū)域的設(shè)備設(shè)施失效概率庫。同樣，增加了安全儀表系統(tǒng)的企業(yè)不僅要加強(qiáng)安全儀表系統(tǒng)的管理，對(duì)于其他獨(dú)立保護(hù)層的管理也需要加強(qiáng)，切不可顧此失彼。