石化装置安全度等级与安全仪表系统的设计

作者简介:王秋红(1973)),女,吉林吉林人,1996年毕业于吉林工学院生产过程自动化专业,获学士学位,现工作在中国石油集团工程设计有限公司东北分公司自控室,一直从事自控专业工程设计工作,任高级工程师,注册系统工程师(ASE)。

石化装置安全度等级与安全仪表系统的设计

王秋红,孙 旭

(中国石油集团工程设计有限公司东北分公司自控室,吉林吉林 132002)

摘要:在石化装置中,安全仪表系统的设计至关重要,危害和可操作性研究为安全仪表系统的设置提供了坚实的基础。

重点介绍了安全度等级的确定和安全仪表系统的设计原则,对系统安全仪表进行严格、合理的配置。

关键词:SIL;危害和可操作性研究;冗余;安全仪表系统

中图分类号:TP202+.1;T P277 文献标识码:B 文章编号:10077324(2008)01000803

The Design of Safety Integrity Level and Safety Instrumented System in Petrochemical Plants

Wang Qiuhong,Sun Xu

(China Petr oleum Eng.Co.Ltd.No rth -East Co.,Jilin,132002,China)

Abstract:It is very im portant fo r desig n of a safety instr um ent sy stem in petrochem ical plants.H AZOP

(H azard and Operability Study )pro vides the strong foundation for configuration of the safety instr um ent system (SIS ).Determination o f the safety integrity level (SIL)and deig n pr inciple of the safety instr um ented system (SIS)is described.T he co nfiguration of SIS shall be rational.Keywords:SIL;H AZOP;redundancy;SIS 1 引 言

以一个典型的化工装置为例,它为安全所设置的层层保护包括:工艺过程设计;基本调节,过程报警及操作员监视;紧急报警,操作员监视并且手动干预;安全仪表系统SIS;物理保护(爆破膜,安全阀);工厂紧急响应;所在社区紧急响应等。由此可见,从第2层到第4层的保护都是由仪表及其控制系统来实现的。尤其仪表系统的最后一层保护)))SIS 更是至关重要。目前许多装置的设计中增加了工厂危害和可操作性研究H AZOP 和仪表保护功能研究IPF Study,其中包括仪表安全度等级SIL 确定。这使得仪表安全保护系统的设计更加科学与完善,有助于避免在设计中发生安全性能达不到要求或采取过多安全保护的现象。2 安全仪表系统及安全度的定义

[1]

SIS 也称仪表联锁系统或紧急停车系统,在事故和故障状态下(包括装置事故和控制系统本身发生的故障),或若无措施,装置的危险性加剧时,将对装置作出相应反应。因而,该系统的设计必须能够产生正确的输出以防止或减轻危险。SIS 本身必须是故障安全型(Fail to Safe)的系统,其硬件和软件的可靠性都要求很高。

SIS 由传感器、逻辑运算器、最终执行元件及相应软件等组成。通过传感器对过程变量进行检

测,这些检测信号根据安全联锁的要求在逻辑运算器中进行处理,一旦过程变量达到预定条件,则将

输出正确的信号到最终执行元件,使被控制过程转入安全状态。从而达到使装置能够安全停车并处于安全模式,避免灾难发生及对环境造成恶劣影响,保护人身安全的目的。

SIL 是用来描述安全仪表系统安全综合评价的等级,指在规定的条件及时间内,安全系统成功实现所要求的安全功能的概率。SIL 越高,安全系统实现所要求的安全功能失败的可能性就越低。

目前国际上常用的有关安全系统的标准如文献[2~5]。

IEC61508标准根据安全系统满足安全要求的程度将安全系统分为4个等级即SIL1~4,SIL1最低,SIL4等级最高。德国的T B V 标准将安全等级分为8个等级即AK1~A K8,AK1最低,AK8最高。AN SI/ISA 84.01将安全系统分为3个等级即SIL1~SIL3,SIL1最低,SIL3最高。表1是

工程设计及标准

石 油 化 工 自 动 化,2008,1B 8AU TOM AT ION IN PET RO -CHE M ICAL INDUST RY

表1IEC61508的SIL与其他标准的安全等级的对照表T B V(A K)A N SI/ISA84.01IEC61508

A K1

A K2,AK3SIL1SIL1

A K4SIL2SIL2

A K5,AK6SIL3SIL3

A K7,AK8SIL4

注:IEC61508定义的SIL4适用于核工业。

3安全度等级的确定

SIS属于工业安全控制技术,SIL的划分与HAZOP(危险与可操作性分析)的研究结果有着密切的联系,H AZOP的研究结果为SIS的设置提供坚实的基础。SIL评级前应先进行H AZOP研究,它是以系统工程为基础的一种可用于定性分析或定量评价系统化的危险性评价方法,用于解决危险识别与安全操作两方面的问题,探明生产装置和工艺过程中的危险及其原因,寻求必要对策。通过从工艺流程、状态及参数、操作顺序、安全措施等方面着手,分析生产运行过程中工艺状态参数的变动,操作控制中可能出现的偏差,以及这些变动与偏差对系统的影响及可能导致的后果,找出出现变动和偏差的原因,明确装置或系统内及生产过程中存在的主要危险、危害因素,找出装置在工艺设计、设备运行、操作以及安全措施等方面存在的不足,并针对变动与偏差的后果提出应采取的措施,为装置的安全运行与安全隐患整改提供指导。HAZOP研究对装置所有的报警和联锁都进行相应的SIL评级。经过SIL 评级后,可以确定哪些报警需要提高等级到安全联锁,哪些安全联锁有可能降低等级到报警,哪些报警有可能被取消。

SIL的确定是比较复杂的,需要由一支多方面的、专业的、熟练的技术队伍对装置的各种危险性及关键风险等进行分析计算,最后才能确定系统应采用的SIL。在IEC61508规范中,推荐的SIL的确定方法有定量法、风险图定性法、危险事件严重性矩阵图定性法等。可以根据不同的情况采用不同的方法。定性法是根据应用经验通过查各种图表的方式来确定SIL。定量法则通过分析获得各种数据,最终用这些数据计算出SIL。

按照IEC61508/61511规范或DIN V19250规范,SIL主要根据以下4个参数进行确定。C:描述事故结果的程度;F:工作人员出现在危险区域的频度;P:故障得到保护的可能性;W:危险发生的可能性。具体的描述见表2,H AZOP分析与确定SIL的原理如图1所示。

表2装置危险参数的描述及级别

危险参数级别描述

C C1轻度受伤

C2严重的永久性伤害或1人死亡

C32人以上死亡

C4灾难性结果

F F1极少频度到频繁

F2频繁到连续出现

P P1有限的可能性

P2几乎不可能

W W1非常低(<1次/10年)

W2低(<1次/年)

W3相对高(>1次/年)

图1H AZOP分析与确定安全度等级的原理

4SIS的设计

系统的SIL确定后,根据装置的具体特点、危险性及危害性等因素来确定安全PLC的结构(二重化,三重化,四重化等),现场仪表的设置原则。同时根据各方面的需求来确定SIS的设计是以可靠性还是以可用性为主。

可靠性是指在规定的时间内间隔发生故障的概率。可用性是指系统可以使用工作时间的概率。SIS的可用性和可靠性看起来似乎是矛盾的,其实关键是以哪个方面为主的问题。从工厂所有者的角度看,只要SIS能够满足设计要求就可以,在此基础上可用性是系统最主要指标,高的可用性减少了装置无谓的停车,提高生产效率。从维护的角度来看,SIS发生任何故障时,系统就需要维修,就存在系统失效导致装置停车的危险,系统的低故障率是强调的重点。

4.1PLC的结构

常用PLC的结构有下列几种方式,均采用故

9

第1期王秋红等.石化装置安全度等级与安全仪表系统的设计障时性能递减的工作方式。

1oo1(非冗余),1oo1D(非冗余带自诊断功能), 1oo2(冗余),1oo2D(冗余带自诊断功能),2oo3(三重化结构TMR),2oo4(四重化结构QMR)。根据SIL 确定选用仪表逻辑运算器如表3所列。

表3安全仪表系统的逻辑运算器结构选择

逻辑单元结构IEC61508

SIL

T B V

(AK)

DIN V19250

1oo11AK2,AK31,2

1oo1D2AK43,4

1oo22AK43,4

1oo2D3AK5,AK65,6

2oo33AK5,AK65,6

2oo43AK5,AK65,6

SIS必须获得满足IEC要求的SIL认证,并确保采用系统的每块卡板亦有相应的等级证书。为了使故障影响最小化,同一联锁单元或相关设备联锁点尽可能分配在同一卡板上。

4.2SIS检测元件

根据仪表安全度等级确定传感器的设置原则,为减少检测元件自身的故障率,SIS的检测元件应选用高性能高质量的产品,特别是智能产品必须具备安全等级认证并符合SIL的要求。

对于SIL2以上,SIS应采取或冗余配置的检测元件。传感器的冗余配置能够极大地降低系统的故障率,提高系统的可用性。

对于双重冗余,当重点考虑系统的安全性时,冗余传感器信号在PLC内应采用/或0的逻辑运算,即任一检测元件达到安全临界条件时均启动安全保护程序;当重点考虑系统的可用性时,冗余传感器信号在PLC内应采用/与0的逻辑运算,即两个检测元件同时达到安全临界条件时启动保护程序。

当系统的安全性和可用性均需要保障时采用三重冗余,配置3套完全相同的检测元件,只有当检测元件中有2个达到安全临界条件时才能启动安全保护程序。

4.3SIS执行元件

对于SIL2以上,SIS采用冗余的阀门,如采用单一的阀门,配套的电磁阀宜冗余配置。对于执行元件(如电磁阀,智能阀门定位器)应采用高可靠执行元件,且选用符合SIL并取得相关的认证。

在SIS中,SIL3的等级是最高的,通常需要三重传感器,三重(3选2)或2选1的逻辑控制器,或3台阀门串联,或2台阀门串联合并partia-l str oke 测试,或者不常用的ful-l stroke测试。

5结束语

随着安全意识的加强和国内H SE管理的不断深入,正确合理地SIS对于石油化工装置起着举足轻重的作用。SIS的配置,并不是可靠性越高越好,要寻求的是一种最优配置。SIL3的需求量应该非常少,在很多情况下,SIL2通常是最为常见的应用。安全技术的发展,正在促使技术人员采用更全面、更合理的安全技术措施,将风险减至最小,合理配置经济实用的系统。

参考文献:

1SH/T30182003,石油化工安全仪表系统设计规范

2IEC61508,Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems

3IEC61511,Functional safety:S afety instrumented systems for the process indus try s ector

4ANSI/ISA84.01,Application of s afety instru mented systems for the process indu stries

5DIN V19250,Prog ramm able safety sys tem

西门子亮相首届国际安全生产及

安全监控技术与装备展览会

2007年11月20~22日,西门子参加了由机械工业仪器仪表综合技术经济研究所主办的首届国际安全生产及安全监控技术与装备展览会。该展会在北京国际展览馆进行了为期三天的展览。

该展会是国内安全技术与装备领域最为专业的展会之一,西门子以面积达115平方米的大型展台,通过专为安防领域定制的产品与演示设备向参观者充分展示了我们对人、环境、财产的保护,并提供专业的产品与解决方案。本次西门子参展围绕着安全集成)智能化无缝集成安全技术这一主题,主要着重于两方面的内容:即工厂自动化及过程自动化中的安全集成化。西门子的参展再次体现了其以人为本,注重安全生产的理念。来访的观众群体更为专业,包括业内的国内外专家,学者以及共同致力于安防领域的同行。

西门子(中国)有限公司

10石油化工自动化2008年