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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(fēng)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(fēng)險分析確定安全儀表功能及其風(fēng)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(biāo)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(dāng)、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(fēng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(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

 

石化罐區(qū)SIS的設(shè)計必須嚴(yán)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(biāo)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(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(biāo)準(zhǔn),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(biāo)SIL見表4所列。下面利用中國石化風(fēng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(yán)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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