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石油化工罐區安全儀表系統（SIS）的設計及SIL驗證
發(fā)布時(shí)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(chǎng)地，用來(lái)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，導致危險化學(xué)品在儲罐區很容易超過(guò)《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(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險分析和安全監控。針對該問(wèn)題，原國家安全生產(chǎn)監督管理總局于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(diǎn)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(kāi)展過(guò)程危險分析基礎上，通過(guò)風(fēng)險分析確定安全儀表功能及其風(fēng)險降低要求，并盡快評估現有安全儀表功能（SIF）是否滿(mǎn)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(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《石油化工罐區自動(dòng)化系統設計規范》規定罐區安全設計，需要采用SIS的場(chǎng)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(wèn)題導致SIS不能實(shí)現其高可靠性和高可用性。今天的文章就針對這些問(wèn)題，重點(diǎn)討論石化罐區SIS的設計、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，以丙烯罐區為例進(jìn)行SIL驗證，通過(guò)驗證結果，針對不滿(mǎn)足目標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(gè)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(gè)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(shí)平均失效概率（PFDavg）進(jìn)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(dòng)作停車(chē)率進(jìn)行了計算，分析其對系統可用性的影響。
4）對不滿(mǎn)足SIF目標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測試周期（TI）。安全儀表系統每個(gè)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(gè)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)和B類(lèi)安全相關(guān)子系統的結構約束判斷標準。一般傳感器、電磁閥為A類(lèi)安全相關(guān)子系統；邏輯控制器為B類(lèi)安全相關(guān)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(mǎn)足原國家安全生產(chǎn)監督管理總局發(fā)布的第40號令和116號令，又要滿(mǎn)足GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統設計規范》的規定來(lái)進(jìn)行儀表選型和配置。通常罐區儀表的設置應考慮經(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，結合介質(zhì)特性和項目投資情況進(jìn)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(guò)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(jìn)行罐區SIS設計。
丙烯屬于甲A類(lèi)液體，涉及“兩重點(diǎn)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(jìn)料造成液位高，導致丙烯罐超壓損壞泄漏、滿(mǎn)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(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SIS的各個(gè)子系統的選型設計進(jìn)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(diǎn)。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(kāi)關(guān)等方案。由于壓力球罐對開(kāi)口數量有要求，應盡量減少開(kāi)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(kāi)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、測量磁鼓、測量浮子以及鋼絲組成，通過(guò)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(dòng)測量磁鼓轉動(dòng)，隨之帶動(dòng)浮子不斷地跟蹤液位的變化，同時(shí)計數器記錄了伺服電機的轉動(dòng)步數，并自動(dòng)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(chǎng)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(mǎn)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(lèi)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(xiàn)形式宜選用平面天線(xiàn)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(chǎng)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(mǎn)足SIL2等級要求。
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(kāi)關(guān)的安裝應確定傳感器的測量方向在球內沒(méi)有部件等障礙，并應避開(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(mǎn)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(jìn)出口管線(xiàn)上，當罐區內發(fā)生火災、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，以避免罐區事故的擴大或物料漫罐的發(fā)生。XZV-01為T(mén)SO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(diǎn)250℃，易熔塞熔化，閥門(mén)關(guān)閉；帶防火罩，防火罩應符合UL1709標準，能夠在1093℃下，抵抗烴類(lèi)火災30min；應在火災危險區外設置現場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閥按鈕或開(kāi)關(guān)，用于危險情況時(shí)現場(chǎng)手動(dòng)操作；閥門(mén)整體滿(mǎn)足SIL2等級要求。
罐區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(jiàn)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(jìn)行SIL驗證。
一般石化企業(yè)大修為4年1次，因此傳感器子系統檢測測試時(shí)間間隔TI1＝48個(gè)月，邏輯控制器子系統的檢測測試時(shí)間間隔TI2＝48個(gè)月，執行器子系統的檢測測試時(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(jiàn)表5所列。
通過(guò)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(mǎn)足目標SIL2等級要求，下面對SIF01進(jìn)行敏感性分析，提出合理化建議，使得SIF01回路滿(mǎn)足SIL2等級要求。SIF01各子系統的驗證結果分析見(jiàn)表6所列。
從以上結果可以看出，閥門(mén)的PFDavg占PFDSYS比重最高，約98.8%，是系統中最薄弱的環(huán)節。為提升回路的SIL等級，可優(yōu)先降低閥門(mén)的PFDavg：比如在成本允許的條件下采用“1oo2”冗余配置閥門(mén)；縮短閥門(mén)的檢測測試時(shí)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(mén)來(lái)大幅降低閥門(mén)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(mén)XZV-02與XZV-01進(jìn)行“1oo2”聯(lián)鎖。下面將閥門(mén)冗余結構改為“1oo2”進(jìn)行驗證，其他可靠性數據不變，改進(jìn)方案1驗證結果見(jiàn)表7所列，各子系統的驗證結果分析見(jiàn)表8所列。
從驗證結果可以看出，整個(gè)SIF回路的PFDavg和SIL限制結構約束均滿(mǎn)足SIL2等級要求，驗證通過(guò)。因此，提高閥門(mén)冗余配置可以大幅度提高系統的可靠性。
同時(shí)，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(guò)度設計，下面將液位高高聯(lián)鎖改為L(cháng)ZT-02和LZS-03采用“1oo2”冗余配置進(jìn)行驗證。驗證結果見(jiàn)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(mǎn)足目標SIL，原設計液位“2oo3”聯(lián)鎖過(guò)度設計，可以取消LZT01參與SIS聯(lián)鎖，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(mén)計劃采用冗余配置，但閥門(mén)和配管對安裝空間的要求無(wú)法滿(mǎn)足，且成本投入無(wú)法被接收的情況下，閥門(mén)由電磁閥、執行器和閥共同組成，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(xiàn)圈燒毀，并引發(fā)誤關(guān)停。因此在整個(gè)系統中，電磁閥可能是最關(guān)鍵的儀表設備，可以采用“1oo2”冗余配置的電磁閥來(lái)提高閥門(mén)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(jìn)方案2驗證結果見(jiàn)表11所列，各子系統的驗證結果分析見(jiàn)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(mǎn)足目標SIL2要求。那么，可以通過(guò)縮短閥門(mén)的TI3進(jìn)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(fā)現TI3至少縮短為24個(gè)月，才能使SIF滿(mǎn)足目標SIL。驗證結果見(jiàn)表13所列，各子系統的驗證結果分析見(jiàn)表14所列。
通過(guò)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(mǎn)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(jìn)行SIF回路各子系統的冗余結構合理化設計，并避免過(guò)度設計；同時(shí)，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(guān)規定，做好各個(gè)階段的功能安全評估工作。
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