石油化工罐區安全儀表系統（SIS）的設計及SIL驗證
發布時間：
2024-09-02 11:53
導 讀
石油化工罐區是儲罐集中存放的區域和場地，用來儲存原料、中間產品和成品，是石油化工企業生產裝置的重要組成部分。由于石油化工罐區儲存介質多為有毒、可燃介質，危險化學品品種相對密集，導致危險化學品在儲罐區很容易超過《危險化學品重大危險源辨識》所列出的臨界值，成為重大危險源，需要重點進行風險分析和安全監控。針對該問題，原國家安全生產監督管理總局于2011年和2014年先后發布了40號令和116號令，要求涉及“兩重點一重大”的在役生產裝置或化工企業和危險化學品儲存單位，要在全面開展過程危險分析基礎上，通過風險分析確定安全儀表功能及其風險降低要求，并盡快評估現有安全儀表功能（SIF）是否滿足目標安全完整性等級（SIL）。明確涉毒的一級、二級重大危險源應配備獨立的安全儀表系統（SIS）。對于在役SIS要制訂相關維護方案和整改計劃，并于2019年底前完成SIS的評估和完善工作。SH/T 3184-2017《石油化工罐區自動化系統設計規范》規定罐區安全設計，需要采用SIS的場合，應符合GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統設計規范》的規定。
這些規定都明確了設置SIS是保障石化罐區安全性的有效措施。然而，罐區SIS的設計選型不當、冗余結構設置不合理、缺乏明確的檢驗測試周期、預防性維護策略針對性不強等問題導致SIS不能實現其高可靠性和高可用性。今天的文章就針對這些問題，重點討論石化罐區SIS的設計、選型及SIL驗證，并利用中國石化風險評估管理評估平臺PHAMS，以丙烯罐區為例進行SIL驗證，通過驗證結果，針對不滿足目標SIL的SIF回路進行敏感性分析，提出改進優化方案，進而提出罐區SIS設計要求，為新建和改造罐區的SIS設計和管理要求提供借鑒。
安全儀表系統
按照IEC 61511中的定義，SIS是由傳感器、邏輯控制器及執行機構組成的、能夠行使一項或多項SIF的儀表系統。一套SIS中包括多個回路，任何SIF回路均由傳感器子系統、邏輯控制器子系統和執行器子系統組成。
安全儀表系統的SIL驗證
SIS的SIL驗證工作主要驗算SIF回路能否達到SIL分級報告中確定的目標SIL等級的要求。SIS的SIL驗證工作主要如下：
1）根據各個SIF回路的配置，以及檢驗測試等相關因素，對各SIF回路的要求時平均失效概率（PFDavg）進行了驗算。
2）評估各SIF回路的硬件結構約束。
3）對SIF回路的誤動作停車率進行了計算，分析其對系統可用性的影響。
4）對不滿足SIF目標SIL要求的回路進行敏感性分析，提出改進優化方案。
5）確定每一條回路的檢驗測試周期（TI）。安全儀表系統每個SIF回路的SIL等級由PFDavg和硬件結構約束共同制約。
SIS中每一個SIF的PFDavg計算是將該SIF分解為傳感器、邏輯控制器、執行器等子系統，然后將各子系統的PFDavg相加，根據表1判斷其結果滿足的相應SIL級別。
計算如式（1）所示：
硬件結構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）、安全失效分數（SFF）和硬件故障裕度（HFT）共同決定。其中SFF計算如式（2）所示：
表2，3分別給出了IEC 61508規定的A類和B類安全相關子系統的結構約束判斷標準。一般傳感器、電磁閥為A類安全相關子系統；邏輯控制器為B類安全相關子系統。
罐區安全儀表系統設計
石化罐區SIS的設計必須嚴格按照危險與可操作性（HAZOP）分析結果及SIL分級報告，既要滿足原國家安全生產監督管理總局發布的第40號令和116號令，又要滿足GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統設計規范》的規定來進行儀表選型和配置。通常罐區儀表的設置應考慮經濟合理、技術成熟、維護及校驗方便或售后服務優良等方面，結合介質特性和項目投資情況進行綜合考慮。罐區SIS各SIF回路子系統的冗余配置，首先需要通過HAZOP分析結果，確定各罐組的SIF回路的SIL等級，根據SIL等級確定儲罐儀表的配置。
下面以丙烯球罐為例，進行罐區SIS設計。
丙烯屬于甲A類液體，涉及“兩重點一重大”，因此，丙烯球罐罐區應設置獨立的SIS。丙烯儲罐采用球形全壓力式儲罐。根據丙烯罐區HAZOP分析結果及SIL分級報告，丙烯球罐持續進料造成液位高，導致丙烯罐超壓損壞泄漏、滿罐溢出，造成丙烯泄漏，遇點火源發生爆炸。要求在SIS中設置SIF回路：液位高高聯鎖關閉進料閥，該SIF回路SIL等級為SIL2。根據SIL分級結果，并根據GB/T50770-2013規定，確定丙烯球罐儀表的設置，如圖1所示。
常規丙烯球罐共設置3臺液位計LZT-01，LZT-02，LZS-03，信號進入SIS參與“2oo3”液位高高聯鎖關閉罐根進料閥XZV-01。下面分別對SIS的各個子系統的選型設計進行介紹。
01傳感器子系統
罐區的液位測量具有測量范圍寬，測量精度要求高等特點。目前，在罐區液位測量中，主要采用伺服液位計、雷達液位計、磁致伸縮液位計、液位開關等方案。由于壓力球罐對開口數量有要求，應盡量減少開口，因此，丙烯球罐的LZT-01選用伺服液位計、LZT-02選用雷達液位變送器、LZS-03選用外貼式超聲波液位開關。
1）伺服液位計。伺服液位計是基于浮力平衡原理工作的，由高精度傳感器、伺服電機系統、測量磁鼓、測量浮子以及鋼絲組成，通過測量浮子所受浮力的增減所引起的鋼絲拉力的變化，由控制器發出指令，伺服電機以一定的步幅帶動測量磁鼓轉動，隨之帶動浮子不斷地跟蹤液位的變化，同時計數器記錄了伺服電機的轉動步數，并自動地計算出測量浮子的位移量，即液位的變化量。丙烯球罐的伺服液位計應隨儀表帶標定腔；根據防爆區域劃分圖，防爆等級為Exd IICT4；選用220V（AC）外供電型；該丙烯球罐在高雷區，信號和供電需要配置電涌防護器；伺服液位計應配置罐旁指示表，作為液位測量現場監視儀表；安全要求配導波管并設置維修切斷全通徑球閥；伺服液位計滿足SIL2等級要求。
2）雷達液位變送器。雷達液位變送器適用于重質油品、輕質油品、烴類液體以及惡劣工況的儲罐液位連續測量。丙烯球罐的雷達液位變送器天線形式宜選用平面天線或導波式；根據防爆區域劃分圖，防爆等級為Exd IICT4；選用24V（DC）或220V（AC）外供電型；該丙烯球罐在高雷區，信號和供電需要配置電涌防護器；雷達液位變送器應配置罐旁指示表，作為液位測量現場監視儀表；安全要求配導波管并設置維修切斷全通徑球閥；雷達液位變送器滿足SIL2等級要求。
3）超聲波液位開關。外貼式超聲波液位開關，適用于丙烯球罐，可以減少壓力球罐的開口。外貼式超聲波液位開關其傳感器（探頭）產生的高頻超聲波脈沖可穿過球罐壁，該脈沖會在球罐壁和丙烯液體中傳播，還會被反射回來。通過對這種反射特性的檢測和計算，可以檢測出球罐內丙烯液位的高度。超聲波液位開關的安裝應確定傳感器的測量方向在球內沒有部件等障礙，并應避開罐壁焊縫。丙烯球罐的超聲波液位開關防爆等級為Exd IICT4；選用24V（DC）外供電型；信號和供電需要配置電涌防護器；滿足SIL2等級要求。
02邏輯控制器子系統
SIS控制器采用獨立的控制單元，是符合IEC 61508/61511要求且得到安全等級認證的設備。該系統的SIL等級為SIL3。
03執行器子系統
丙烯球罐罐根閥XZV01安裝在丙烯球罐的進出口管線上，當罐區內發生火災、管道泄漏等事故或丙烯球罐液位超過高高液位時發生動作，能夠快速聯鎖切斷進料，以避免罐區事故的擴大或物料漫罐的發生。XZV-01為TSO型緊急切斷球閥，用于雙向流，應選用雙向密封型閥內件；泄漏等級為CLASS V（TSO）；防爆等級Exd IICT4；防護等級IP65；帶易熔塞，熔點250℃，易熔塞熔化，閥門關閉；帶防火罩，防火罩應符合UL1709標準，能夠在1093℃下，抵抗烴類火災30min；應在火災危險區外設置現場手動關閥按鈕或開關，用于危險情況時現場手動操作；閥門整體滿足SIL2等級要求。
罐區SIL驗證
丙烯球罐液位高高聯鎖SIF回路如圖2所示。
該SIF回路的功能描述及目標SIL見表4所列。下面利用中國石化風險評估管理評估平臺PHAMS對該SIF回路進行SIL驗證。
一般石化企業大修為4年1次，因此傳感器子系統檢測測試時間間隔TI1＝48個月，邏輯控制器子系統的檢測測試時間間隔TI2＝48個月，執行器子系統的檢測測試時間間隔TI3＝48個月；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、執行元件使用壽命為10a。SIF01回路子系統各元件的失效率數據選用PHAMS平臺中相應元件對應的通用失效率數據，PFDavg計算方法選用可靠性框圖。SIL驗證結果見表5所列。
通過驗證結果可以看出，目前設計的SIF01回路的PFDavg和SIL限制結構約束均不滿足目標SIL2等級要求，下面對SIF01進行敏感性分析，提出合理化建議，使得SIF01回路滿足SIL2等級要求。SIF01各子系統的驗證結果分析見表6所列。
從以上結果可以看出，閥門的PFDavg占PFDSYS比重最高，約98.8%，是系統中最薄弱的環節。為提升回路的SIL等級，可優先降低閥門的PFDavg：比如在成本允許的條件下采用“1oo2”冗余配置閥門；縮短閥門的檢測測試時間；也可以采用帶有整體功能安全認證及具備部分行程測試（PST）功能的閥門來大幅降低閥門的PFDavg。
假設該丙烯球罐處于設計前期階段，在成本和工藝操作條件允許情況下，增加1臺閥門XZV-02與XZV-01進行“1oo2”聯鎖。下面將閥門冗余結構改為“1oo2”進行驗證，其他可靠性數據不變，改進方案1驗證結果見表7所列，各子系統的驗證結果分析見表8所列。
從驗證結果可以看出，整個SIF回路的PFDavg和SIL限制結構約束均滿足SIL2等級要求，驗證通過。因此，提高閥門冗余配置可以大幅度提高系統的可靠性。
同時，從驗證結果分析可以看出，傳感器子系統部分對總回路的可靠性影響很小，常用液位“2oo3”冗余結構配置過度設計，下面將液位高高聯鎖改為LZT-02和LZS-03采用“1oo2”冗余配置進行驗證。驗證結果見表9所列和表10所列。
從驗證結果可以看出，傳感器部分冗余配置降級后的SIF回路仍滿足目標SIL，原設計液位“2oo3”聯鎖過度設計，可以取消LZT01參與SIS聯鎖，但實際生產過程中還應考慮可用性，“2oo3”還是比較合適的。
假設該丙烯球罐為在役裝置改造階段，如果閥門計劃采用冗余配置，但閥門和配管對安裝空間的要求無法滿足，且成本投入無法被接收的情況下，閥門由電磁閥、執行器和閥共同組成，一般來說，電磁閥的可靠性是較低的，常見的失效是線圈燒毀，并引發誤關停。因此在整個系統中，電磁閥可能是最關鍵的儀表設備，可以采用“1oo2”冗余配置的電磁閥來提高閥門的可靠性。采用冗余配置的電磁閥可以將原有執行機構的SIL限制結構約束從SIL1提升到SIL2。改進方案2驗證結果見表11所列，各子系統的驗證結果分析見表12所列。
從驗證結果可以看出，雖然采用雙電磁閥“1oo2”冗余結構配置將總回路的SIL限制結構約束提升到SIL2，但計算的PFDavg仍不滿足目標SIL2要求。那么，可以通過縮短閥門的TI3進行重新配置和計算，運用PHAMS平臺將執行元件部分的TI3逐漸減小，計算發現TI3至少縮短為24個月，才能使SIF滿足目標SIL。驗證結果見表13所列，各子系統的驗證結果分析見表14所列。
通過以上SIL驗證分析可以看出，并不是設置冗余結構就能使SIS滿足目標SIL，為了保證SIS系統的安全可靠性，必須在設計階段進行SIF回路各子系統的冗余結構合理化設計，并避免過度設計；同時，在安裝、調試、運行維護中應嚴格執行IEC 61511功能安全管理的相關規定，做好各個階段的功能安全評估工作。
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