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石油化工罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)（SIS）的設(shè)計及SIL驗證
發(fā)布時間：
2024-09-02 11:53
導(dǎo) 讀
石油化工罐區(qū)是儲罐集中存放的區(qū)域和場地，用來儲存原料、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)儲存介質(zhì)多為有毒、可燃介質(zhì)，危險化學(xué)品品種相對密集，導(dǎo)致危險化學(xué)品在儲罐區(qū)很容易超過《危險化學(xué)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(jiān)控。針對該問題，原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2011年和2014年先后發(fā)布了40號令和116號令，要求涉及“兩重點一重大”的在役生產(chǎn)裝置或化工企業(yè)和危險化學(xué)品儲存單位，要在全面開展過程危險分析基礎(chǔ)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(xiàn)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(yīng)配備獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。對于在役SIS要制訂相關(guān)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(qū)自動化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定罐區(qū)安全設(shè)計，需要采用SIS的場合，應(yīng)符合GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(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)計選型不當、冗余結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理、缺乏明確的檢驗測試周期、預(yù)防性維護策略針對性不強等問題導(dǎo)致SIS不能實現(xiàn)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(qū)SIS的設(shè)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(qū)為例進行SIL驗證，通過驗證結(jié)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(yōu)化方案，進而提出罐區(qū)SIS設(shè)計要求，為新建和改造罐區(qū)的SIS設(shè)計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)行機構(gòu)組成的、能夠行使一項或多項SIF的儀表系統(tǒng)。一套SIS中包括多個回路，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(jù)各個SIF回路的配置，以及檢驗測試等相關(guān)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)每個SIF回路的SIL等級由PFDavg和硬件結(jié)構(gòu)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(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級別。
計算如式（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）、安全失效分數(shù)（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(guī)定的A類和B類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束判斷標準。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
石化罐區(qū)SIS的設(shè)計必須嚴格按照危險與可操作性（HAZOP）分析結(jié)果及SIL分級報告，既要滿足原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)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(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定來進行儀表選型和配置。通常罐區(qū)儀表的設(shè)置應(yīng)考慮經(jīng)濟合理、技術(shù)成熟、維護及校驗方便或售后服務(wù)優(yōu)良等方面，結(jié)合介質(zhì)特性和項目投資情況進行綜合考慮。罐區(qū)SIS各SIF回路子系統(tǒng)的冗余配置，首先需要通過HAZOP分析結(jié)果，確定各罐組的SIF回路的SIL等級，根據(jù)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(qū)SIS設(shè)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(qū)應(yīng)設(shè)置獨立的SIS。丙烯儲罐采用球形全壓力式儲罐。根據(jù)丙烯罐區(qū)HAZOP分析結(jié)果及SIL分級報告，丙烯球罐持續(xù)進料造成液位高，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)閉進料閥，該SIF回路SIL等級為SIL2。根據(jù)SIL分級結(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臺液位計LZT-01，LZT-02，LZS-03，信號進入SIS參與“2oo3”液位高高聯(lián)鎖關(guān)閉罐根進料閥XZV-01。下面分別對SIS的各個子系統(tǒng)的選型設(shè)計進行介紹。
01傳感器子系統(tǒng)
罐區(qū)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(qū)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(guān)等方案。由于壓力球罐對開口數(shù)量有要求，應(yīng)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(guān)。
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(tǒng)、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(fā)出指令，伺服電機以一定的步幅帶動測量磁鼓轉(zhuǎn)動，隨之帶動浮子不斷地跟蹤液位的變化，同時計數(shù)器記錄了伺服電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)，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(yīng)隨儀表帶標定腔；根據(jù)防爆區(qū)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(qū)，信號和供電需要配置電涌防護器；伺服液位計應(yīng)配置罐旁指示表，作為液位測量現(xiàn)場監(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(zhì)油品、輕質(zhì)油品、烴類液體以及惡劣工況的儲罐液位連續(xù)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?qū)Рㄊ剑桓鶕?jù)防爆區(qū)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(qū)，信號和供電需要配置電涌防護器；雷達液位變送器應(yīng)配置罐旁指示表，作為液位測量現(xiàn)場監(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；雷達液位變送器滿足SIL2等級要求。
3）超聲波液位開關(guān)。外貼式超聲波液位開關(guān)，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(guān)其傳感器（探頭）產(chǎn)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(nèi)丙烯液位的高度。超聲波液位開關(guān)的安裝應(yīng)確定傳感器的測量方向在球內(nèi)沒有部件等障礙，并應(yīng)避開罐壁焊縫。丙烯球罐的超聲波液位開關(guān)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(tǒng)
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(shè)備。該系統(tǒng)的SIL等級為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出口管線上，當罐區(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高高液位時發(fā)生動作，能夠快速聯(lián)鎖切斷進料，以避免罐區(qū)事故的擴大或物料漫罐的發(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(guān)閉；帶防火罩，防火罩應(yīng)符合UL1709標準，能夠在1093℃下，抵抗烴類火災(zāi)30min；應(yīng)在火災(zāi)危險區(qū)外設(shè)置現(xiàn)場手動關(guān)閥按鈕或開關(guān)，用于危險情況時現(xiàn)場手動操作；閥門整體滿足SIL2等級要求。
罐區(qū)SIL驗證
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(yè)大修為4年1次，因此傳感器子系統(tǒng)檢測測試時間間隔TI1＝48個月，邏輯控制器子系統(tǒng)的檢測測試時間間隔TI2＝48個月，執(zhí)行器子系統(tǒng)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(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平臺中相應(yīng)元件對應(yīng)的通用失效率數(shù)據(jù)，PFDavg計算方法選用可靠性框圖。SIL驗證結(jié)果見表5所列。
通過驗證結(jié)果可以看出，目前設(shè)計的SIF01回路的PFDavg和SIL限制結(jié)構(gòu)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(tǒng)的驗證結(jié)果分析見表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，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(shè)該丙烯球罐處于設(shè)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(lián)鎖。下面將閥門冗余結(jié)構(gòu)改為“1oo2”進行驗證，其他可靠性數(shù)據(jù)不變，改進方案1驗證結(jié)果見表7所列，各子系統(tǒng)的驗證結(jié)果分析見表8所列。
從驗證結(jié)果可以看出，整個SIF回路的PFDavg和SIL限制結(jié)構(gòu)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(tǒng)的可靠性。
同時，從驗證結(jié)果分析可以看出，傳感器子系統(tǒng)部分對總回路的可靠性影響很小，常用液位“2oo3”冗余結(jié)構(gòu)配置過度設(shè)計，下面將液位高高聯(lián)鎖改為LZT-02和LZS-03采用“1oo2”冗余配置進行驗證。驗證結(jié)果見表9所列和表10所列。
從驗證結(jié)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(shè)計液位“2oo3”聯(lián)鎖過度設(shè)計，可以取消LZT01參與SIS聯(lián)鎖，但實際生產(chǎn)過程中還應(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(zhí)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(fā)誤關(guān)停。因此在整個系統(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)行機構(gòu)的SIL限制結(jié)構(gòu)約束從SIL1提升到SIL2。改進方案2驗證結(jié)果見表11所列，各子系統(tǒng)的驗證結(jié)果分析見表12所列。
從驗證結(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(zhí)行元件部分的TI3逐漸減小，計算發(fā)現(xiàn)TI3至少縮短為24個月，才能使SIF滿足目標SIL。驗證結(jié)果見表13所列，各子系統(tǒng)的驗證結(jié)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(shè)置冗余結(jié)構(gòu)就能使SIS滿足目標SIL，為了保證SIS系統(tǒng)的安全可靠性，必須在設(shè)計階段進行SIF回路各子系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計，并避免過度設(shè)計；同時，在安裝、調(diào)試、運行維護中應(yīng)嚴格執(zhí)行IEC 61511功能安全管理的相關(guān)規(guī)定，做好各個階段的功能安全評估工作。
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