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★張振秀（中國(guó)石油哈爾濱石化公司，黑龍江哈爾濱150056）

★董偉東（北京安穩(wěn)優(yōu)自動(dòng)化技術(shù)有限公司，北京102200）

摘要：隨著生產(chǎn)安全的重視程度不斷提升，安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，石化裝置中安全儀表功能的安全完整等級(jí)分析評(píng)估技術(shù)應(yīng)用已逐步推廣。本文簡(jiǎn)述了安全儀表系統(tǒng)全生命周期管理和安全完整性等級(jí)分析評(píng)估的技術(shù)路線，并以石化裝置常見的精餾塔為例，完整剖析了安全完整性等級(jí)分析評(píng)估的方法實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：安全儀表；安全完整性等級(jí)；保護(hù)層分析；安全完整性等級(jí)分析

1 安全儀表全生命周期管理

生產(chǎn)過程的安全進(jìn)行，都依賴于一套完善的管理系統(tǒng)。對(duì)于安全儀表系統(tǒng)，采用特定的安全儀表全生命周期管理能確保達(dá)到其功能安全所必要的全部步驟，并且可證明已按適當(dāng)?shù)拇涡蛲瓿闪诉@些步驟。安全儀表系統(tǒng)的功能安全評(píng)估是以IEC 61508/IEC 61511標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)的，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)介紹了安全功能管理的全過程，在GB/T-21109中所提及的安全儀表全生命周期管理可分為三個(gè)階段^[1]：

（1）風(fēng)險(xiǎn)分析

（2）設(shè)計(jì)和工程實(shí)施

（3）操作和維護(hù)

其中，風(fēng)險(xiǎn)分析階段包含工藝過程危險(xiǎn)定性分析、安全儀表功能（Safety Instrumented Function，SIF）識(shí)別、安全完整性（Safety Integrity Level，SIL）等級(jí)確定，以及安全儀表規(guī)格書（Safety Requirement Specification）編制。

1.1 安全儀表系統(tǒng)（SIS）與安全儀表功能（SIF）

安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System,SIS）也稱為安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（Safety Interlocks）、緊急停車系統(tǒng)（Emergency Shutdown System,Emergency Shutdown Device, ESD）等。它是由傳感器、邏輯控制器和最終控制元件組成，當(dāng)系統(tǒng)預(yù)定的過程條件或狀態(tài)出現(xiàn)背離時(shí)，可將過程置于安全的狀態(tài)，或者將危險(xiǎn)以及損失降低到最小，保證設(shè)備、財(cái)產(chǎn)、人員以及環(huán)境的安全。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于SIF的概念，IEC 61511將其定義為：由SIS執(zhí)行的、具有特定安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level，SIL）的安全功能，是從功能的角度去定義的。安全儀表功能既包括安全儀表保護(hù)功能，也包括安全儀表控制功能。SIF的最根本特征是“應(yīng)對(duì)特定的危險(xiǎn)事件”并實(shí)現(xiàn)必要的風(fēng)險(xiǎn)降低。SIF是在過程危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析中辨識(shí)出來(lái)的，并根據(jù)必要的風(fēng)險(xiǎn)降低要求，確定其SIL要求，因此，SIF是進(jìn)行SIL評(píng)估的基礎(chǔ)。

1.2 安全完整性等級(jí)SIL

安全完整性反映了SIS執(zhí)行SIF時(shí)，在規(guī)定的狀態(tài)和時(shí)間周期內(nèi)，圓滿完成SIF的績(jī)效能力和可靠性水平。IEC 61508將SIL定義為四個(gè)等級(jí)，即SIL1到SIL4。IEC 61511作為IEC 61508在過程工業(yè)領(lǐng)域的分支標(biāo)準(zhǔn)，保持了SIL1到SIL4的四個(gè)等級(jí)劃分，不過，除了極罕見的特殊應(yīng)用，在過程工業(yè)一般的應(yīng)用場(chǎng)合，SIL3是其最高級(jí)。表1給出了每一個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的概率區(qū)間，采用低要求操作模式（PFDaverage）和高要求操作模式（PFDperhour）兩種。

表1 安全完整性等級(jí)要求(SIL)

安全完整性等級(jí)貫穿于安全儀表系統(tǒng)生命周期的始終，不僅是安全性能的度量標(biāo)準(zhǔn)，還是安全生命周期中的主線，將各個(gè)階段聯(lián)系起來(lái)，使得安全儀表系統(tǒng)整體在安全生命周期這個(gè)大框架下的所有活動(dòng)能夠具有良好的一致性。

1.3 定期檢測(cè)與維護(hù)

對(duì)于安全儀表的檢測(cè)維修，國(guó)內(nèi)外的化工廠存在諸多差異。自1996年美國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)頒布ANSI/ISA-S84.01以來(lái)，西方各國(guó)的安全儀表系統(tǒng)及維護(hù)管理有了大幅發(fā)展。各工廠內(nèi)儀表失效率數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)配套系統(tǒng)相對(duì)完善，儀表工程師可以將每個(gè)儀表的檢修周期進(jìn)行進(jìn)一步的精確，有效提高了安全儀表系統(tǒng)的可靠性。國(guó)內(nèi)的石化企業(yè)儀表測(cè)試維修大部分在裝置大檢修時(shí)進(jìn)行且維護(hù)水平一般，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行儀表及閥門的可靠性必然會(huì)有所下降，裝置的誤停車率也會(huì)增加。為解決此類問題，首先應(yīng)當(dāng)結(jié)合企業(yè)自身生產(chǎn)一線數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，建立符合企業(yè)自身的失效率數(shù)據(jù)庫(kù)；其次應(yīng)當(dāng)對(duì)化工廠工藝及儀表人員進(jìn)行安全儀表專業(yè)培訓(xùn)，將功能安全的理論應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)及管理當(dāng)中。

2 SIL分析評(píng)估

安全儀表系統(tǒng)SIS（Safety Instrumented System）在GB/T-21109中的定義為用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)安全儀表功能SIF（Safety Instrumented Function）的儀表系統(tǒng)，即當(dāng)危險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)，安全儀表系統(tǒng)可將生產(chǎn)裝置通過預(yù)設(shè)的安全儀表功能導(dǎo)入既定的安全狀態(tài)，從而保證人員生命、環(huán)境及財(cái)產(chǎn)安全。因其具有高可靠性、高靈敏度的特點(diǎn)，在人們陸續(xù)的生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛使。功能安全評(píng)估的目的在于確定過程安全所需的安全儀表功能，并確定其相關(guān)性能（SIL等級(jí)）。GB/T-21109中列出了半定量方法、安全層矩陣法、保護(hù)層層分析（LOPA）等方法。國(guó)內(nèi)功能安全評(píng)估目前以保護(hù)層分析（LOPA）和安全層矩陣法兩種分析方法為主，保護(hù)層分析法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)初始事件（IE）的討論較為詳細(xì)，適合復(fù)雜場(chǎng)景的SIL定級(jí)，安全矩陣法對(duì)后果討論的較多，適合初始事件較少的場(chǎng)景。

以保護(hù)層分析法為例功能安全評(píng)估的步驟如下：

（1）確定工作范圍及目標(biāo)；

（2）根據(jù)國(guó)家或地方標(biāo)準(zhǔn)制定可接受風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)；

（3）根據(jù)儀表安全功能或設(shè)計(jì)目的，篩選待評(píng)估場(chǎng)景及后果；

（4）確定初始事件（IE）確定發(fā)生頻率；

（5）識(shí)別獨(dú)立保護(hù)層（IPL），并確定各保護(hù)層平均失效概率（PFD）；

（6）計(jì)算場(chǎng)景頻率，確定風(fēng)險(xiǎn)降低因子；

（7）確定目標(biāo)SIL等級(jí)要求并提出建議措施。

2.1 初始事件（IE）的確定

初始事件的選擇直接關(guān)系到最終的SIL等級(jí)，初始事件可分為三大類：外部事件、設(shè)備失效、人的失效，在確定初始事件時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合各裝置實(shí)際情況。即使不同地區(qū)的相同裝置，其初始事件選擇和頻率也會(huì)有差異。對(duì)于一些復(fù)雜的原因，應(yīng)當(dāng)將其拆分成數(shù)個(gè)離散的失效事件作為初始事件，例如循環(huán)水中斷，可能是由循環(huán)水泵故障、控制回路失效等引起的，不同的初始事件對(duì)應(yīng)不同的獨(dú)立保護(hù)層。

2.2 獨(dú)立保護(hù)層（IPL）的識(shí)別

LOPA已經(jīng)成為確定安全儀表完整性水平十分成熟的一種方法，依據(jù)初始原因?qū)?yīng)后果的原則展開分析，其核心任務(wù)就是識(shí)別場(chǎng)景中的獨(dú)立保護(hù)層IPL（Independent Protection Layer），獨(dú)立保護(hù)層的選取和判定需要遵循以下幾個(gè)原則：

專一性：只被設(shè)計(jì)用來(lái)防止或減輕一個(gè)潛在的危險(xiǎn)事件的后果，由于多種原因都可能導(dǎo)致同一危險(xiǎn)事件，因此，多個(gè)事件情景都可由一個(gè)IPL來(lái)啟動(dòng)動(dòng)作。

獨(dú)立性：IPL應(yīng)獨(dú)立于初始事件的發(fā)生及其后果；應(yīng)獨(dú)立于同一危險(xiǎn)場(chǎng)景中的其他獨(dú)立保護(hù)層。

有效性：應(yīng)能檢測(cè)到響應(yīng)的條件；在有效的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)；在可用的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)有足夠的能力采取所要求的行動(dòng)；應(yīng)滿足所選擇的PFD的要求。

可審核性：應(yīng)有可用的信息、文檔和程序可查，以說明保護(hù)層的設(shè)計(jì)、檢查、維護(hù)、測(cè)試和運(yùn)行活動(dòng)能夠使保護(hù)層達(dá)到獨(dú)立保護(hù)層的要求。

獨(dú)立保護(hù)層可以是一個(gè)裝置或系統(tǒng)，無(wú)論初始事件或其他的保護(hù)層是否動(dòng)作，都應(yīng)有效地阻止嚴(yán)重后果的發(fā)生。獨(dú)立保護(hù)層的有效性根據(jù)保護(hù)層平均失效概率（PFDavg）進(jìn)行量化，PFD介于0到1之間，數(shù)值越小失效率就越低，保護(hù)能力就越強(qiáng)。

2.3 安全完整性等級(jí)驗(yàn)算

安全完整性驗(yàn)證是對(duì)已經(jīng)確定等級(jí)的安全儀表功能是否能達(dá)到所需的SIL等級(jí)進(jìn)行理論計(jì)算。常用的SIL驗(yàn)證方法包括簡(jiǎn)化方程式法、馬爾科夫矩陣法和故障樹分析法。驗(yàn)證結(jié)果包括但不限于平均失效概率（PFDavg）和平均誤停車時(shí)間間隔（MTTFs）。

3 石化裝置SIL分析評(píng)估示例

以圖2所示精餾塔為例，該精餾塔原預(yù)設(shè)聯(lián)鎖塔底液位低低關(guān)塔底出料閥并停外送泵，以此為風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，進(jìn)行SIL分析評(píng)估。

圖2 精餾塔流程圖

首先，對(duì)塔底液位低低聯(lián)鎖進(jìn)行SIL定級(jí)分析：

（1）確定設(shè)計(jì)目的：該聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)目的為防止外送泵抽空損壞，物料泄漏及潛在的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

（2）確定事故初始事件及發(fā)生頻率：塔底液位控制失效，0.1次/年。

（3）識(shí)別獨(dú)立保護(hù)層：離心泵雙端面密封設(shè)計(jì)，可降低離心泵抽空損壞后物料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，0.1。精餾塔塔底液位低報(bào)警，0.1。以巡檢頻率為參考的人員占空比，0.25。

根據(jù)GB 36894危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故造成1人死亡，可接受的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)為10-5/年。經(jīng)過計(jì)算，該場(chǎng)景所需聯(lián)鎖等級(jí)為SIL 1。

通過馬爾科夫矩陣，以行業(yè)內(nèi)通用數(shù)據(jù)進(jìn)行SIL驗(yàn)證。

對(duì)精餾塔底液位低低進(jìn)行SIL驗(yàn)證，精餾塔液位傳感器為1oo1，SIL2認(rèn)證；邏輯控制器采用Tricon系統(tǒng)，SIL3；出料泵入口切斷閥，無(wú)SIL認(rèn)證。

經(jīng)建模計(jì)算可得該SIF回路的平均失效概率PFDavg為1.26*10-2，平均誤停車時(shí)間間隔MTTFs為72.71年可滿足該場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)需求。

4 總結(jié)

經(jīng)過十多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)已有長(zhǎng)足進(jìn)步，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)日趨完善，但是仍和西方國(guó)家存在一定的差距。為了彌補(bǔ)這些差距，首先可以借鑒西方先進(jìn)的安全管理經(jīng)驗(yàn)，提高安全儀表系統(tǒng)的管理水平；其次應(yīng)當(dāng)從自身出發(fā)，在配備符合要求的安全儀表系統(tǒng)的前提下，建立健全失效率數(shù)據(jù)庫(kù)，提高儀表維護(hù)水平；并在此基礎(chǔ)上按時(shí)進(jìn)行功能安全評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取相應(yīng)措施進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)、增強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)意識(shí)，促進(jìn)企業(yè)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介：

張振秀（1970-），男，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于中國(guó)石油哈爾濱石化公司，研究方向是石油化工工藝過程與安全。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年11月刊