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15.安全仪表功能回路设计及SIL验算方法.docx

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15.安全仪表功能回路设计及SIL验算方法.docx

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近些年石化行业频发重大安全事故,安监局发布的相关安全文件中均提到安全仪表系统(SIS)。《中国石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定(试行)》(中国石化安[2013]259号文):“各单位应将建设项目安全完整性等级(SIL)评估纳入建设项目设计管理,将在役装置SIL评估纳入日常安全生产管理”;:“各单位或设计单位应对建设项目以及在役装置所涉及的安全仪表功能(SIF)确定相应的SIL,保证安全仪表功能满足目标SIL要求”[1]。在SIS设计过程中, SIF回路中SIL的定级和验算是设计的重点和难点。
1 SIL定级
目前SIF回路的SIL的确定,主要依靠危险与可操作性分析(HAZOP)结合保护层分析(LOPA)的方法来实现。
HAZOP分析是在安全专业人员主导下,工艺、自控、设备专业人员以及操作人员共同构成的分析小组进行的一种分析方法。
HAZOP分析是采用标准化“引导词”对装置过程系统的中间变量设定“偏离”,沿“偏离”在系统中反向查找非正常“原因”,沿“偏离”在系统中正向查找不利“后果”,确定后果严重性等级[2]。HAZOP具体分析方法详见AQ/T3049—2013《危险与可操作性分析(HAZOP分析)应用导则》[3]。
当HAZOP分析确定后果严重性等级为高风险或很高风险时,需进一步进行LOPA分析,计算目前偏差导致的后果发生的频率,判断现有保护措施是否足够,建议措施是否能够有效地降低事故发生频率等。可通过增加SIF回路保护层,降低事故发生概率,从而得出SIF回路的SIL。LOPA具体分析方法详见AQ/T 3054—2015《保护层分析(LOPA)方法应用导则》[4]。
根据文献[4],引发偏差的初始事件,如控制回路失效、冷却水失效、控制阀误动作、常规人员操作失误、雷击等,偏差导致的事故发生概率f1i≤1×10-1,假设
后果发生的概率fci=n×10-3×1×10-2=n×10-5,年频率等级为10-4~10-5,此时根据表1可知,5级后果的风险等级为中风险;当引入SIL2(PFD=1×10-3)的SIF回路时,后果发生的概率fci=n×10-3×1×10-3=n×10-6,年频率等级范围为10-5~10-6,5级后果的风险是中风险;当引入SIL3(PFD=1×10-4)的SIF回路时,后果发生的概率fci=n×10-3×1×10-4=n×10-7,年频率等级范围为10-6~10-7,5级后果的风险是低风险。
上述SIL分析中选取了最严重的风险等级、最高的初始时间发生概率、最高的独立保护层失效概率,可以看出SIL1的保护层即可将风险降为中风险,中风险是可选择性的采取行动;当采用SIL3保护层时可将风险降为低风险,低风险
不需要采取行动。若风险等级小于5级或其他独立保护层的失效概率小于1×10-1时,采用SIL2保护层时可将风险降为低风险,低风险不需要采取行动。因此,SIS中,大部分SIF回路的SIL可定在1级;少数SIF回路的SIL可定在2级;极少数SIF回路的SIL定为3级。
2 IEC 61508 中SIL验算方法
IEC 61508[5]中的SIL验算方法适用于已取得SIL认证的仪表、控制逻辑器、执行元件等,常用的品牌型号产品认证参数见表2所列,其中,λsd为被检测到的安全故障率;λsu为未被检测到的安全故障率;λdd为被检测到的危险故障率;λdu为未被检测到的危险故障率;λs为安全失效故障率;λd为危险失效故障率(故障率的单位为Fit,1 Fit=1×10-9);DC为诊断覆盖率;SFF为安全失效分数。计算公式如下所示[6]:
式(1)中λsd,λsu,λdd,λdu可从仪表设备SIL认证证书中获取。根据GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》[7]:“通常石油化工工厂和装置的安全仪表系统工作于低要求操作模式”,故下文中的参数均是低要求操作模式下的认证参数。
通过式(1)的计算可得出安全失效分数,而表3和表4列出了硬件的SIL,其中A类仪表有浪涌保护器、液位开关、安全栅、电磁阀、阀体、执行机构、阀门定位器等,B类有安全型控制逻辑器、现场变送器等。
结合表2,表3和表4可以看出,通过SIL认证的温度变送器、压力变送器、流量计、液位计等B类子系统SFF多在90%~99%,符合SIL2
的要求,可以通过冗余配置达到SIL3。而A类子系统SFF在90%~99%已满足SIL3要求。
SIS投入运行后需进行周期性的离线维护,某些故障或失效只能通过离线的人工测试才能发现,例如变送器的膜盒损坏、引压管的堵塞、测量精度、阀门的腐蚀内漏、

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