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石油化工罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)（SIS）的設(shè)計(jì)及SIL驗(yàn)證

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2024-09-02 11:53

導(dǎo) 讀

石油化工罐區(qū)是儲(chǔ)罐集中存放的區(qū)域和場(chǎng)地，用來(lái)儲(chǔ)存原料、中間產(chǎn)品和成品，是石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置的重要組成部分。由于石油化工罐區(qū)儲(chǔ)存介質(zhì)多為有毒、可燃介質(zhì)，危險(xiǎn)化學(xué)品品種相對(duì)密集，導(dǎo)致危險(xiǎn)化學(xué)品在儲(chǔ)罐區(qū)很容易超過(guò)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》所列出的臨界值，成為重大危險(xiǎn)源，需要重點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和安全監(jiān)控。針對(duì)該問(wèn)題，原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2011年和2014年先后發(fā)布了40號(hào)令和116號(hào)令，要求涉及“兩重點(diǎn)一重大”的在役生產(chǎn)裝置或化工企業(yè)和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存單位，要在全面開(kāi)展過(guò)程危險(xiǎn)分析基礎(chǔ)上，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析確定安全儀表功能及其風(fēng)險(xiǎn)降低要求，并盡快評(píng)估現(xiàn)有安全儀表功能（SIF）是否滿足目標(biāo)安全完整性等級(jí)（SIL）。明確涉毒的一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源應(yīng)配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。對(duì)于在役SIS要制訂相關(guān)維護(hù)方案和整改計(jì)劃，并于2019年底前完成SIS的評(píng)估和完善工作。SH/T 3184-2017《石油化工罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定罐區(qū)安全設(shè)計(jì)，需要采用SIS的場(chǎng)合，應(yīng)符合GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

這些規(guī)定都明確了設(shè)置SIS是保障石化罐區(qū)安全性的有效措施。然而，罐區(qū)SIS的設(shè)計(jì)選型不當(dāng)、冗余結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理、缺乏明確的檢驗(yàn)測(cè)試周期、預(yù)防性維護(hù)策略針對(duì)性不強(qiáng)等問(wèn)題導(dǎo)致SIS不能實(shí)現(xiàn)其高可靠性和高可用性。今天的文章就針對(duì)這些問(wèn)題，重點(diǎn)討論石化罐區(qū)SIS的設(shè)計(jì)、選型及SIL驗(yàn)證，并利用中國(guó)石化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估管理評(píng)估平臺(tái)PHAMS，以丙烯罐區(qū)為例進(jìn)行SIL驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證結(jié)果，針對(duì)不滿足目標(biāo)SIL的SIF回路進(jìn)行敏感性分析，提出改進(jìn)優(yōu)化方案，進(jìn)而提出罐區(qū)SIS設(shè)計(jì)要求，為新建和改造罐區(qū)的SIS設(shè)計(jì)和管理要求提供借鑒。

安全儀表系統(tǒng)

按照IEC 61511中的定義，SIS是由傳感器、邏輯控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的、能夠行使一項(xiàng)或多項(xiàng)SIF的儀表系統(tǒng)。一套SIS中包括多個(gè)回路，任何SIF回路均由傳感器子系統(tǒng)、邏輯控制器子系統(tǒng)和執(zhí)行器子系統(tǒng)組成。

安全儀表系統(tǒng)的SIL驗(yàn)證

SIS的SIL驗(yàn)證工作主要驗(yàn)算SIF回路能否達(dá)到SIL分級(jí)報(bào)告中確定的目標(biāo)SIL等級(jí)的要求。SIS的SIL驗(yàn)證工作主要如下：

1）根據(jù)各個(gè)SIF回路的配置，以及檢驗(yàn)測(cè)試等相關(guān)因素，對(duì)各SIF回路的要求時(shí)平均失效概率（PFDavg）進(jìn)行了驗(yàn)算。

2）評(píng)估各SIF回路的硬件結(jié)構(gòu)約束。

3）對(duì)SIF回路的誤動(dòng)作停車率進(jìn)行了計(jì)算，分析其對(duì)系統(tǒng)可用性的影響。

4）對(duì)不滿足SIF目標(biāo)SIL要求的回路進(jìn)行敏感性分析，提出改進(jìn)優(yōu)化方案。

5）確定每一條回路的檢驗(yàn)測(cè)試周期（TI）。安全儀表系統(tǒng)每個(gè)SIF回路的SIL等級(jí)由PFDavg和硬件結(jié)構(gòu)約束共同制約。

SIS中每一個(gè)SIF的PFDavg計(jì)算是將該SIF分解為傳感器、邏輯控制器、執(zhí)行器等子系統(tǒng)，然后將各子系統(tǒng)的PFDavg相加，根據(jù)表1判斷其結(jié)果滿足的相應(yīng)SIL級(jí)別。

計(jì)算如式（1）所示：

硬件結(jié)構(gòu)約束的安全完整性由儀表類型（邏輯控制器、傳感器、最終元件）、安全失效分?jǐn)?shù)（SFF）和硬件故障裕度（HFT）共同決定。其中SFF計(jì)算如式（2）所示：

表2，3分別給出了IEC 61508規(guī)定的A類和B類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束判斷標(biāo)準(zhǔn)。一般傳感器、電磁閥為A類安全相關(guān)子系統(tǒng)；邏輯控制器為B類安全相關(guān)子系統(tǒng)。

罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石化罐區(qū)SIS的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析結(jié)果及SIL分級(jí)報(bào)告，既要滿足原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的第40號(hào)令和116號(hào)令，又要滿足GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定來(lái)進(jìn)行儀表選型和配置。通常罐區(qū)儀表的設(shè)置應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)成熟、維護(hù)及校驗(yàn)方便或售后服務(wù)優(yōu)良等方面，結(jié)合介質(zhì)特性和項(xiàng)目投資情況進(jìn)行綜合考慮。罐區(qū)SIS各SIF回路子系統(tǒng)的冗余配置，首先需要通過(guò)HAZOP分析結(jié)果，確定各罐組的SIF回路的SIL等級(jí)，根據(jù)SIL等級(jí)確定儲(chǔ)罐儀表的配置。

下面以丙烯球罐為例，進(jìn)行罐區(qū)SIS設(shè)計(jì)。

丙烯屬于甲A類液體，涉及“兩重點(diǎn)一重大”，因此，丙烯球罐罐區(qū)應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的SIS。丙烯儲(chǔ)罐采用球形全壓力式儲(chǔ)罐。根據(jù)丙烯罐區(qū)HAZOP分析結(jié)果及SIL分級(jí)報(bào)告，丙烯球罐持續(xù)進(jìn)料造成液位高，導(dǎo)致丙烯罐超壓損壞泄漏、滿罐溢出，造成丙烯泄漏，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸。要求在SIS中設(shè)置SIF回路：液位高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥，該SIF回路SIL等級(jí)為SIL2。根據(jù)SIL分級(jí)結(jié)果，并根據(jù)GB/T50770-2013規(guī)定，確定丙烯球罐儀表的設(shè)置，如圖1所示。

常規(guī)丙烯球罐共設(shè)置3臺(tái)液位計(jì)LZT-01，LZT-02，LZS-03，信號(hào)進(jìn)入SIS參與“2oo3”液位高高聯(lián)鎖關(guān)閉罐根進(jìn)料閥XZV-01。下面分別對(duì)SIS的各個(gè)子系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

01傳感器子系統(tǒng)

罐區(qū)的液位測(cè)量具有測(cè)量范圍寬，測(cè)量精度要求高等特點(diǎn)。目前，在罐區(qū)液位測(cè)量中，主要采用伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、液位開(kāi)關(guān)等方案。由于壓力球罐對(duì)開(kāi)口數(shù)量有要求，應(yīng)盡量減少開(kāi)口，因此，丙烯球罐的LZT-01選用伺服液位計(jì)、LZT-02選用雷達(dá)液位變送器、LZS-03選用外貼式超聲波液位開(kāi)關(guān)。

1）伺服液位計(jì)。伺服液位計(jì)是基于浮力平衡原理工作的，由高精度傳感器、伺服電機(jī)系統(tǒng)、測(cè)量磁鼓、測(cè)量浮子以及鋼絲組成，通過(guò)測(cè)量浮子所受浮力的增減所引起的鋼絲拉力的變化，由控制器發(fā)出指令，伺服電機(jī)以一定的步幅帶動(dòng)測(cè)量磁鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)浮子不斷地跟蹤液位的變化，同時(shí)計(jì)數(shù)器記錄了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，并自動(dòng)地計(jì)算出測(cè)量浮子的位移量，即液位的變化量。丙烯球罐的伺服液位計(jì)應(yīng)隨儀表帶標(biāo)定腔；根據(jù)防爆區(qū)域劃分圖，防爆等級(jí)為Exd IICT4；選用220V（AC）外供電型；該丙烯球罐在高雷區(qū)，信號(hào)和供電需要配置電涌防護(hù)器；伺服液位計(jì)應(yīng)配置罐旁指示表，作為液位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視儀表；安全要求配導(dǎo)波管并設(shè)置維修切斷全通徑球閥；伺服液位計(jì)滿足SIL2等級(jí)要求。

2）雷達(dá)液位變送器。雷達(dá)液位變送器適用于重質(zhì)油品、輕質(zhì)油品、烴類液體以及惡劣工況的儲(chǔ)罐液位連續(xù)測(cè)量。丙烯球罐的雷達(dá)液位變送器天線形式宜選用平面天線或?qū)Рㄊ剑桓鶕?jù)防爆區(qū)域劃分圖，防爆等級(jí)為Exd IICT4；選用24V（DC）或220V（AC）外供電型；該丙烯球罐在高雷區(qū)，信號(hào)和供電需要配置電涌防護(hù)器；雷達(dá)液位變送器應(yīng)配置罐旁指示表，作為液位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視儀表；安全要求配導(dǎo)波管并設(shè)置維修切斷全通徑球閥；雷達(dá)液位變送器滿足SIL2等級(jí)要求。

3）超聲波液位開(kāi)關(guān)。外貼式超聲波液位開(kāi)關(guān)，適用于丙烯球罐，可以減少壓力球罐的開(kāi)口。外貼式超聲波液位開(kāi)關(guān)其傳感器（探頭）產(chǎn)生的高頻超聲波脈沖可穿過(guò)球罐壁，該脈沖會(huì)在球罐壁和丙烯液體中傳播，還會(huì)被反射回來(lái)。通過(guò)對(duì)這種反射特性的檢測(cè)和計(jì)算，可以檢測(cè)出球罐內(nèi)丙烯液位的高度。超聲波液位開(kāi)關(guān)的安裝應(yīng)確定傳感器的測(cè)量方向在球內(nèi)沒(méi)有部件等障礙，并應(yīng)避開(kāi)罐壁焊縫。丙烯球罐的超聲波液位開(kāi)關(guān)防爆等級(jí)為Exd IICT4；選用24V（DC）外供電型；信號(hào)和供電需要配置電涌防護(hù)器；滿足SIL2等級(jí)要求。

02邏輯控制器子系統(tǒng)

SIS控制器采用獨(dú)立的控制單元，是符合IEC 61508/61511要求且得到安全等級(jí)認(rèn)證的設(shè)備。該系統(tǒng)的SIL等級(jí)為SIL3。

03執(zhí)行器子系統(tǒng)

丙烯球罐罐根閥XZV01安裝在丙烯球罐的進(jìn)出口管線上，當(dāng)罐區(qū)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、管道泄漏等事故或丙烯球罐液位超過(guò)高高液位時(shí)發(fā)生動(dòng)作，能夠快速聯(lián)鎖切斷進(jìn)料，以避免罐區(qū)事故的擴(kuò)大或物料漫罐的發(fā)生。XZV-01為TSO型緊急切斷球閥，用于雙向流，應(yīng)選用雙向密封型閥內(nèi)件；泄漏等級(jí)為CLASS V（TSO）；防爆等級(jí)Exd IICT4；防護(hù)等級(jí)IP65；帶易熔塞，熔點(diǎn)250℃，易熔塞熔化，閥門關(guān)閉；帶防火罩，防火罩應(yīng)符合UL1709標(biāo)準(zhǔn)，能夠在1093℃下，抵抗烴類火災(zāi)30min；應(yīng)在火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)外設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閥按鈕或開(kāi)關(guān)，用于危險(xiǎn)情況時(shí)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作；閥門整體滿足SIL2等級(jí)要求。

罐區(qū)SIL驗(yàn)證

丙烯球罐液位高高聯(lián)鎖SIF回路如圖2所示。

該SIF回路的功能描述及目標(biāo)SIL見(jiàn)表4所列。下面利用中國(guó)石化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估管理評(píng)估平臺(tái)PHAMS對(duì)該SIF回路進(jìn)行SIL驗(yàn)證。

一般石化企業(yè)大修為4年1次，因此傳感器子系統(tǒng)檢測(cè)測(cè)試時(shí)間間隔TI1＝48個(gè)月，邏輯控制器子系統(tǒng)的檢測(cè)測(cè)試時(shí)間間隔TI2＝48個(gè)月，執(zhí)行器子系統(tǒng)的檢測(cè)測(cè)試時(shí)間間隔TI3＝48個(gè)月；丙烯球罐SIF01回路組件MTTR＝8h；傳感器使用壽命為10a、邏輯控制器使用壽命為15a、執(zhí)行元件使用壽命為10a。SIF01回路子系統(tǒng)各元件的失效率數(shù)據(jù)選用PHAMS平臺(tái)中相應(yīng)元件對(duì)應(yīng)的通用失效率數(shù)據(jù)，PFDavg計(jì)算方法選用可靠性框圖。SIL驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表5所列。

通過(guò)驗(yàn)證結(jié)果可以看出，目前設(shè)計(jì)的SIF01回路的PFDavg和SIL限制結(jié)構(gòu)約束均不滿足目標(biāo)SIL2等級(jí)要求，下面對(duì)SIF01進(jìn)行敏感性分析，提出合理化建議，使得SIF01回路滿足SIL2等級(jí)要求。SIF01各子系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果分析見(jiàn)表6所列。

從以上結(jié)果可以看出，閥門的PFDavg占PFDSYS比重最高，約98.8%，是系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。為提升回路的SIL等級(jí)，可優(yōu)先降低閥門的PFDavg：比如在成本允許的條件下采用“1oo2”冗余配置閥門；縮短閥門的檢測(cè)測(cè)試時(shí)間；也可以采用帶有整體功能安全認(rèn)證及具備部分行程測(cè)試（PST）功能的閥門來(lái)大幅降低閥門的PFDavg。

假設(shè)該丙烯球罐處于設(shè)計(jì)前期階段，在成本和工藝操作條件允許情況下，增加1臺(tái)閥門XZV-02與XZV-01進(jìn)行“1oo2”聯(lián)鎖。下面將閥門冗余結(jié)構(gòu)改為“1oo2”進(jìn)行驗(yàn)證，其他可靠性數(shù)據(jù)不變，改進(jìn)方案1驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表7所列，各子系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果分析見(jiàn)表8所列。

從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，整個(gè)SIF回路的PFDavg和SIL限制結(jié)構(gòu)約束均滿足SIL2等級(jí)要求，驗(yàn)證通過(guò)。因此，提高閥門冗余配置可以大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。

同時(shí)，從驗(yàn)證結(jié)果分析可以看出，傳感器子系統(tǒng)部分對(duì)總回路的可靠性影響很小，常用液位“2oo3”冗余結(jié)構(gòu)配置過(guò)度設(shè)計(jì)，下面將液位高高聯(lián)鎖改為L(zhǎng)ZT-02和LZS-03采用“1oo2”冗余配置進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表9所列和表10所列。

從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，傳感器部分冗余配置降級(jí)后的SIF回路仍滿足目標(biāo)SIL，原設(shè)計(jì)液位“2oo3”聯(lián)鎖過(guò)度設(shè)計(jì)，可以取消LZT01參與SIS聯(lián)鎖，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還應(yīng)考慮可用性，“2oo3”還是比較合適的。

假設(shè)該丙烯球罐為在役裝置改造階段，如果閥門計(jì)劃采用冗余配置，但閥門和配管對(duì)安裝空間的要求無(wú)法滿足，且成本投入無(wú)法被接收的情況下，閥門由電磁閥、執(zhí)行器和閥共同組成，一般來(lái)說(shuō)，電磁閥的可靠性是較低的，常見(jiàn)的失效是線圈燒毀，并引發(fā)誤關(guān)停。因此在整個(gè)系統(tǒng)中，電磁閥可能是最關(guān)鍵的儀表設(shè)備，可以采用“1oo2”冗余配置的電磁閥來(lái)提高閥門的可靠性。采用冗余配置的電磁閥可以將原有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的SIL限制結(jié)構(gòu)約束從SIL1提升到SIL2。改進(jìn)方案2驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表11所列，各子系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果分析見(jiàn)表12所列。

從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，雖然采用雙電磁閥“1oo2”冗余結(jié)構(gòu)配置將總回路的SIL限制結(jié)構(gòu)約束提升到SIL2，但計(jì)算的PFDavg仍不滿足目標(biāo)SIL2要求。那么，可以通過(guò)縮短閥門的TI3進(jìn)行重新配置和計(jì)算，運(yùn)用PHAMS平臺(tái)將執(zhí)行元件部分的TI3逐漸減小，計(jì)算發(fā)現(xiàn)TI3至少縮短為24個(gè)月，才能使SIF滿足目標(biāo)SIL。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表13所列，各子系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果分析見(jiàn)表14所列。

通過(guò)以上SIL驗(yàn)證分析可以看出，并不是設(shè)置冗余結(jié)構(gòu)就能使SIS滿足目標(biāo)SIL，為了保證SIS系統(tǒng)的安全可靠性，必須在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行SIF回路各子系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計(jì)，并避免過(guò)度設(shè)計(jì)；同時(shí)，在安裝、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行IEC 61511功能安全管理的相關(guān)規(guī)定，做好各個(gè)階段的功能安全評(píng)估工作。

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