安全完整性等级SIL应用研究与实践

1、安全完整性等级 S I L 应用研究与实践袁树海 宋 彬 李范书 夏太武(中国石油西南油气田公司天然气研究院 摘 要 介绍了 S I L 评 估 依据 、 作用 、 方法及应用案例 。 根 据 新 老 项 目 需 求 不 同 简 述 了 S I L 评估的不同目的和作用 ; 结合工程实践提出了 S I L 评估的必要性 ; 引用相关标准论述了构建 S I S 系 统的合理性与有效性 ; 列举实际工程案例阐述了 S I L 评估的基本应用方法 ; 最后阐明了 S I L 评估 应用的发展趋势 。关键词 仪表 控制 安全 风险 S I S S I L HA Z O PD O I :10. 3969

2、/j . i s s n . 1007-3426. 2012. 01. 026 随着自动化仪表技术的出现 , 特别是以半导体 技术为基础的工业自动化仪表的 发展 , 为流程性工 业装置自动控制带来了革命性的变化 。 但由于初期 产品性能可靠性等诸多原因 , 导 致 其在工业应用中 产生了很多负面影响 。 尽管 如 此 , 工业自动化仪表 控制显著提高产品性能和人工控制无法替代的积极 作用还是为人所接受 , 同时对 于不断提高自动化控 制系统可靠性的研究与探索也在不断进行 。 作为工 业自动化控制领域的一个系统分 支 , 即安全仪表系 统 (S a f e t y I n s t r u m e

3、 n t S y s t e m-S I S 随 之 产 生 , 并 在大型工业装置或复杂工艺 流程上 得 以推广 应用 。 S I S 在流程装 置 上 配 置 得 是 否 妥 当 , 是 否 能 有 效 发 挥安全 保 障 作 用 , 一 直 为 用 户 质 疑 和 关 注 。 1998年 , 国际电工 技 术 委 员 会 (I E C 针 对 自 动 化 仪 表 产 品开发应用提出了 I E C 61508-1998(G B 20438-2006 电气 /电子 /可编程电子安全相关系统 的 功 能 安全 标 准 1; 2003年 提 出 了 I E C 61511-2003 (G B 2

4、1109-2007 过 程 工 业 领 域 安 全 仪 表 系 统 的 功能安全 标准 2, 其中对框架 、 定义 、 系统 、 硬件和 软件 , 以及 安 全 完 整 性 等 级 (S a f e t y I n t e g r i t y L e v e l -S I L 提出了更为明确的要求 。按照 I E C 61511标准规定 , 将 S I L 分为 4级 , 即 S I L 1、 S I L 2、 S I L 3、 S I L 4, 其中 S I L 4等级最高 。 S I L 是描述安全 仪 表 系 统 功 能 可 靠 性 的 一 种 表 征 , S I L 等级越高 , 安全

5、仪表系统失效的风险概率越低 , 同时意味着构成的安全仪表系统投资越高 。1S I L 评估作用由于构成控制系统涉及的软硬件部件较多 , 无 论标称多么可靠的控制系 统 , 都不可能 做 到 万无一 失 , 因此根据需要对某些 重 要 或敏感点 位 的 控制回 路增加保护层级 , 降低失效概率便成为必然要求 。 实际生产 过 程 中 S I L 不 是 任 由 设 计 者 或 使 用 者随意确定的 。 针对各控制对象的联锁保护方案采 用哪一等级的 S I L 是正确的 、 合 适 的 , 需 要工艺 、 设 备 、 自控 、 安全工程师以及 操作人员 、 管 理 人 员参与 确定 。 首先根据标

6、准针对控制对象进行多重因素评 估 , 根据工艺流程 、 工况条 件进行综 合 分 析 , 由 此确 定失效或事故后果造成的损失或危害可以接受的程 度 ; 最后确定 合 适 的 S I L 等 级 , 也 就 是 确 定 安 全 仪 表系统构成的繁简程度 , 最终由自控工程师去实现 , 使安全仪表 系 统 的 S I L 等 级 与 受 保 护 对 象 需 求 的 必要性相适 应 。 采 用 的 S I L 等 级 既 不 偏 低 也 不 偏 高 , 做到投资物有所值 、 恰到好处 。2S I L 评估方法一般 S I L 评估首先是 针对某工 程 对 象 , 在 危害 与可操 作 性 分 析

7、(H a z a r d a n d O p e r a b i l i t y S t u d y -HA Z O P 已经识别的局部风险对象或环节基础上 , 应用 S I L 对其作进一步量化分析评 估 ; 然 后 确定是 7 0 1 石 油 与 天 然 气 化 工 第 41卷 第 1期 C H E M I C A L E N G I N E E R I N G O F O I L &G A S否有必要配置具有相适应的 S I L 控 制方案 , 若有必 要继续评估已有 S I L 等级或设计需求 S I L 等级 , 据 此构建可以 达 到 需 求 S I L 等 级 的 安 全

8、 仪 表 系 统 或 安全联 锁 控 制 方 案 。 实 际 工 程 需 求 , 如 果 未 进 行 HA Z O P 分析 , 直接采用 S I L 评估也是可行的 , 但必 须建立在对工艺流程某些重要或敏感点位充分熟悉 或辨识基础上 。2. 1新项目的 S I L 评估新建工程项目 , 特别是工艺流程复杂 , 工艺介质 为高压 、 易燃易爆 、 腐蚀 、 有毒等工况 , 构成的控制方 案相对复杂 , 对安全 性 要求 也 比 较高 。 为了弥补设 计缺陷 , 通过 第 三 方 采 用 S I L 评 估 方 法 , 对 整 个 工 艺流程进行系统分析审查 , 其中 , 包括对安全仪表系 统

9、分析审查 , 确 定 S I L 采 用 是 否 妥 当 。 由 此 , 可 以 使设计方案得以修正和完善 , 尽可能消除隐患 , 避免 项目实施过程不必要的返工 、 拖延工期和浪费投资 。 2. 2老项目的 S I L 评估老项目经过一定周期运行 , 安全仪表系统相关 部件老化 、 使用寿命缩短 , 随之可靠性下降 , 失效概 率增 加 、 风 险 相 对 变 高 , 对 应 的 S I L 等 级 也 变 低 。 如何确定当前状况下的实际 S I L 等 级 , 仅靠相关专 业工程师们的知识能力来确定是 很困难的 , 此时有 必要借助专业 S I L 评估机构 , 通 过 获取当前工况条

10、件和各类必要数据 , 应用 定 量 计 算 方法并附加综合 因素评估计 算 , 得 出 当 前 S I L 等 级 , 辅 以 人 工 分 析 判断 , 确定是否进行 必 要的 提 高 S I L 改造 。 如果确 定需要改造 , 再通过 定 量计 算 方 法 确定改造哪些环 节可以使系统的安全性恢复到需求水平 。通过 S I L 评估方法 , 可以 科学地评估安全仪表 系统的可靠性 , 科学地制 定 维 护 检 验周期或改造方 案 , 最大限度地保障 工 艺装 置 在 检 修周期内的安全 运行 。3S I L 评估应用 4-5本文仅以某天然气处理厂工艺流程中部分有代 表性联锁控 制 回 路

11、的 S I L 评 估 结 果 与 改 造 方 案 为 例 , 阐 述 S I L 评 估 方 法 的 应 用 。 按 照 标 准 S Y /T 10045-2003 工 业 生 产 过 程 中 安 全 仪 表 系 统 的 应 用 中 “ 装置若发生事故 , 对装置和产品有较大影响 ,并有可能造成环境污染和人员伤亡 , 经济损失较大 ” 的工况 3, 要求安全完整性级别设计达到 S I L 2级 。 根据评估得知 , 某天然气 处 理 厂工艺流 程 中 类似工 况安全完整 性 级 别 实 际 没 有 达 到 S I L 2级 标 准 , 安 全保障措施程度不够 。 建议参照下文提出方案通过 技

12、术改造提高 S I L 级别 。 文中提到 的 技 改方案 , 基 本上是利用现有仪表设备 资源 , 在投资 较 少 的情况 下 , 通过局部软硬件技术 改 造 使必要的 联 锁 控制回 路从原设计 S I L 1或 低 于 S I L 1级 水 平 提 高 到 S I L 2级 , 从而可以增强装置操作运行的安全性 。以下介绍 一 燃 料 气 系 统 压 力 联 锁 控 制 S I L 改 造案例 。 改造前燃料气系统压力联锁控制回路参见 图 1。 燃 料 气 源 来 自 9. 4M P a 高 压 干 气 , 经 P V-4301阀 自 动 调 节 减 压 至 3. 0M P a , 作

13、为 中 压 燃 料 气 , 其中自动调节减压控制回路设联锁控制 。 当在 自动调节失控状态下 , 联锁控制阀 S D V-4301切断 高压干气 , 避免高压干气串至 3. 0M P a 中压燃料气 系统 。 设计压力变送器 P T-4301信号 为 调 节 、 联 锁控制共用 。根据图 1分 析 , 同 时 根 据 S Y /T 10045-2003标准中第 7. 4. 2. 2条 “ 用于 S I S 的传感 器 应 和用于 基础过程控制系统 (B P C S 的 传感器分 开 ” 的要 求 , 该系统 联 锁 控 制 回 路 硬 件 设 计 不 满 足 S I L 1级 水 平 。 受控

14、工艺介质为高压干气 , 从 9. 4M P a 操作压 力下通过 P V-4301调 节 阀 限 流 降 压 至 3. 0M P a (设计压力 4. 0M P a , 然后进入中压燃料气罐 , 工艺 介质最高压降达 6. 4M P a 。从 工 艺 操 作 安 全 方 面 考 虑 , 不 允 许 9. 4M P a 高81安全完整性等级 S I L 应用研究与实践 2012压干气失控泄 入 设 计 压 力 为 4. 0M P a 的 中 压 燃 料 气系统 , 否则有造成 该系统 设 备 管 线等爆裂的潜在 危险 。 因此 , 有必要 提 高工 艺 流 程 安全仪表系统的 S I L 级别

15、。根据现有仪表设备配置 , 进行如下改造可使安 全级别从原 设 计 S I L 1级 提 高 到 S I L 2级 。 改 造 前 提是 P V-4301调节阀采用气开式高压单座气动调 节阀 。改造后的燃料气系统压力联锁控制回路参见图 2。 联锁控制回路传感器 P T-*单独配置 ; P V-4301调节阀膜头气路增设电磁阀 , 使其具备双重作 用 。 正常工作时 P V-4301调节功能不变 , 如果电 磁阀受控动作 , P V-4301膜头气源被切断 , 调节阀 自动复位至关闭状态 , 作为 S D V-4301的冗余联锁 阀 。 联锁状态下 S D V-4301、 P V-4301同 时

16、 作 为 切断阀 , 隔离高压与中压燃料气通道 , 对中压和低压 系统增加了保护层 , 从而 可 以 提 高 局部工艺流程联 锁控制回路的安全性 。保证 改 造 方 案 达 到 S I L 2的 前 提 是 , 文 中 涉 及 的安全仪表系统设备必须获 得权威机构的 S I L 2等 级认证 , 如 T U V 认证 。4结 论S I L 评估结果 : 可以定量给出受保护 对象需 求的安全完整性等级 ; 可以定量描述原设计或已 有保护措施的安全完整性等级 ; 可以判定原设计 或已有保护措施是否过当 、 是否欠缺 , 并给出技术改 造建议及建议方案 ; 提出构成安全仪表系统相关设备的维护检验周期

17、 , 使 工 艺 流程装置 在 整 个生命 周期内的安全性得到最大限度的保障 。S I L 评 估 是 HA Z O P 分 析 的 深 化 , 也 是 对 HA Z O P 定性分 析 的 一 种 补 充 。 因 此 , 一 个 工 程 项 目 设 计 方 案 的 最 终 形 成 , 中 间 过 程 除 需 进 行 HA Z O P 分析外 , 还 应根据工 程 项 目 设计方案 中 是 否存在特别关键或危险环 节 , 确定是否 有 必 要进行 安全完整性等级 S I L 评估 。目前 , 重大工程项目涉及的 S I S , 相关设备采购 时已经开始 提 出 S I L 要 求 。 相 关

18、设 备 供 应 商 已 经 开 始 根 据 业 主 需 求 , 生 产 不 同 S I L 等 级 (S I L 1、 S I L 2、 S I L 3 要求的控制系统和仪表设备 。基于 S I L 的评估作用 , 除 针对必要 的 工 程对象 可以独立开展评估应用外 , 还 可以进一 步 考 虑其拓 展应用范围 :一是基于风险的检验 (R i s k B a s e d I n -s p e c t i o n R B I 、 以 可 靠 性 为 中 心 的 维 修 (R e l i a -b i l i t y c e n t e r d e M a i n t e n a n c e R

19、 C M 组 合 开 展 资 产完整性评估工作 , 根据 评 估 结论提出 资 产 完整性 管理策 略 ; 二 是 与 HA Z O P 分 析 结 合 应 用 , 针 对 工 程对象特别关键或危险环节进行定性与定量结合评 估 , 根据评估结论提出改 进 措 施或适宜 的 安 全有效 控制方案 。参 考 文 献1全国工业过程测量和控 制 标 准 化 技 术 委 员 会 . G B 20438-2006电气 /电子 /可编程电子安全相关系统的功能安全 S . 2006-07 -25.2全国工业过程测量和控 制 标 准 化 技 术 委 员 会 . G B 21109-2007过程工业领域安全仪表系

20、统的功能安全 S . 2007-12-18. 3海洋石油工程专业标准化技术委员会 . S Y /T 10045-2003工 业 生产过程中安全仪表系统的应用 S . 2003-03-18.4中国石化集团公司工程 建 设 管 理 部 . S H /T 3018-2003石 油 化 工安全仪表系统设计规范 S . 2004-03-10.5杨蓓 , 刘一笑 . 风险和可操作性研究与安全仪表安全度 等级的 确 定 J . 石油化工自动化 , 2006, 5:檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 1-3作 者 简 介袁树海 :男 , 1960年生 , 本科学士 , 高级工程师 。 主要从事油气

21、 田地面工程自控 、 电气设 计 , HA Z O P 、 S I L 工 程 应 用 研 究 , 技 术 咨 询 及课题研究工作 。 地址 :(610213 四 川 成 都 华 阳 天 研 路 218号 。 电 话 :(028 85604564檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 。收稿日期 :2011-10-26; 编辑 :钟国利 9 0 1 石 油 与 天 然 气 化 工 第 41卷 第 1期 C H E M I C A L E N G I N E E R I N G O F O I L &G A Sl i n e s .K e y w o r d s :s o u r

22、 n a t u r a l g a s , g a t h e r i n g a n d t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e s , f a i l u r e , i n t e g r i t y m a n a g e m e n t E x p e r i m e n t a l s t u d y o f s u s p e n d e d s o l i d s t r e a t m e n t i n t h e o i l f i e l d s e w a g e b a s e d o n p o r o u s s

23、 i n t e r i n g m e t a l s P u M e i l i n g 1, L i u X u h u i 2(1. I n s t i t u t e o f O i l P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , S i n o p e c J i a n gh a n O i l F i e l d , W u h a n 430025, H u b e i , C h i n a ; 2. S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , S h a n

24、 g h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , S h a n gh a i 201418, C h i n a . C H E M I C A L E N G I -N E E R I N G O F O I L &G A S , V O L . 41, N O . 1, p p10210, 2012(I S S N 1007-3426, I N C H I N E S E A b s t r a c t :I n v i e w o f t h e c u r r e n t t r e a t i n g s t a t

25、u s o f t h e o i l f i e l d s e w a g e c o n t a i n i n g s u s p e n d e d s o l i d s (S S , t h e S S i n t h e o i l -f i e l d s e w a g e o f J i a n g h a n o i l f i e l d o f C h i n a p e t r o c h e m i c a l w a s e x t r a c t e d , t h e p a r a m e t e r s i n c l u d i n g t h e

26、p a r t i c l e s i z e s a n d c o n t e n t s a r e t e s t e d . A s e t o f t e s t e q u i p m e n t i s b u i l t u p a n d t h e p o r o u s s i n t e r i n g m e t a l s a r e a d o p t e d a s t h e f i l t e r m a t e r i a l . T h e p e r f o r m -a n c e o f s e w a g e a f t e r f i l t

27、 r a t i n g t h e p o r o u s s i n t e r i n g m e t a l u n d e r t h e g r a v i t y i s t e s t e d , t h e e f f e c t o f t h e s i n t e r i n g p o r o u s m e t a l a s t h e f i l t e r m a t e r i a l i n t h e s u s p e n d e d s o l i d s t r e a t i n g i s v e r i f i e d . T h e r e

28、 s u l t s s h o w t h a t t h e r e a r e a g r e a t d e a l o f b l o c k s a n d f i l t e r c a k e s a f t e r t h e s e w a g e p e r m e a t i n g t h e p o r o u s s i n t e r i n g m e t a l , t h e f i l t e r i n g e f f e c t i s g o o d , w h i c h p r o v i d e s m e t h o d s a n d e

29、 x p e r i -m e n t a l b a s i s f o r t h e t r e a t m e n t o f t h e s u s p e n d e d s o l i d s i n o i l f i e l d s e w a ge . K e yw o r d s :o i l f i e l d s e w a g e , s u s p e n d e d s o l i d s , p o r o u s m e t a l T r e a t m e n t o f d r i l l i n g f l u i d c o n t a m i n

30、 a t i o n b y c a r b o n a t e a n d b i c a r b o n a t e i n d e e p d r i l l i n g L i u Y o u y u n 1,2(1. C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g i n C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m , D o n g y i n g 257001, S h a n d o n g , C h i -n a ; 2. S h e n g l

31、i P e t r o l e u m A d m i n i s t r a t i o n , D o n g y i n g 257001, S h a n d o n g , C h i n a . C H E M I C A L E N G I N E E R I N G O F O I L &G A S , V O L . 41, N O . 1, p p104106, 2012(I S S N 1007-3426, I N C H I N E S E A b s t r a c t :T h e p e r f o r m a n c e f e a t u r e s

32、o f d r i l l i n g f l u i d c o n t a m i n a t e d b y c a r b o n a t e a n d b i c a r b o n a t e i n d e e p w e l l d r i l l i n g w e r e d e s c r i b e d a n d t h e t r e a t m e n t m e t h o d t o d i f f e r e n t c o n t a m i n a t i o n l e v e l w a s p r o p o s e d . I n v i e

33、w o f e a s y c o l l a p s e s h a l e a t t h e l o w e r p a r t o f t h e M e s o z o i c s t r a t a , m u d s t o n e a n d c o a l -b e a r i n g s t r a t a l i n e s , s i m p l y i n c r e a s i n g t h e p H v a l u e a n d u s i n g C a O c a n ' t s a t i s f y t h e n e e d o f d o

34、 w n h o l e , t h e a p p l i c a t i o n o f s i l i c a t e t r e a t m e n t w a s p r o p o s e d . T h e l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s a n d f i e l d a p p l i c a t i o n s h a v e p r o v e d t h a t t h e u s e o f s i l i c a t e c a n n o t o n l y d e a l w i t h p o l l u t

35、 i o n o f c a r b o n a t e a n d b i c a r b o n a t e , b u t a l s o p l a y a n e f f e c t i v e r o l e i n p r e v e n t i n g c o l l a p s e , w h i c h e n s u r e t h a t d r i l l i n g f l u i d h a s a g o o d a b i l i t y o f r h e o l o g y b e h a v i o r a n d a n t i -c o l l a

36、p s e . K e y w o r d s :c a r b o n a t e , b i c a r b o n a t e , d r i l l i n g f l u i d c o n t a m i n a t i o n , s i l i c a t e , h o l e s t a b i l i t y A p p l i c a t i o n r e s e a r c h a n d p r a c t i c e o f s a f e t y i n t e g r i t y l e v e l Y u a n S h u h a i , S o n g

37、 B i n , L i F a n s h u , e t a l (R e s e a r c h I n s t i t u t e o f N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y o f P e t r o C h i n a S o u t h w e s t O i l a n d G a s f i e l d C o m p a n y , C h e n g d u 610213, S i c h u a n , C h i n a . C H E M I C A L E N G I N E E R I N G O F O I L &a

38、mp;G A S , V O L . 41, N O . 1, p p107109, 2012(I S S N 1007-3426, I N C H I N E S E A b s t r a c t :S a f e t y I n t e g r i t y L e v e l (S I L a s s e s s m e n t b a s i s , f u n c t i o n , m e t h o d a n d a p p l i c a t i o n c a s e s a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r . A

39、 c c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t n e e d s o f n e w l y b u i l t a n d c o n s t r u c t e d p r o j e c t s , d i f f e r e n t p u r p o s e s a n d f u n c t i o n s o f S I L a s s e s s -m e n t a r e d e s c r i b e d . T h e n , n e c e s s i t y o f S I L a s s e s s m e n t i

40、s p u t f o r w a r d c o m b i n i n g w i t h t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e , a n d t h e r a t i o n -a l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s o f c o n s t r u c t i n g S I S a r e e x p o u n d e d r e f e r e n c i n g t o r e l a t e d s t a n d a r d s . T h e n e x t , t h e

41、 b a s i c a p p l i c a t i o n m e t h -o d o f S I L a s s e s s m e n t i s d i s c u s s e d w i t h p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g c a s e s . A t l a s t , t h e a p p l i c a t i o n t r e n d o f S I L e v a l u a t i o n i s e x p o u n -d e d .K e yw o r d s :i n s t r u m e n t

42、, c o n t r o l , s a f e t y , r i s k , S I S , S I L , HA Z O P A p p l i c a t i o n o f p r e l i m i n a r y h a z a r d a n a l y s i s i n n a t u r a l g a s b o o s t i n g p r o j e c t Y a n g Q i n 1, X u Q i 2, T a n g W e i 1, e t a l (1. S a f e t y , E n v i r o n m e n t a l P r o

43、t e c t i o n a n d T e c h n i c a l S u p e r v i s i o n I n s t i t u t e o f P e t r o C h i -n a S o u t h w e s t O i l a n d G a s f i e l d C o m p a n y ; 2. S o u t h e r n S i c h u a n G a s D i s t r i c t o f P e t r o C h i n a S o u t h w e s t O i l a n d G a s f i e l d C o m pa -

44、n y . C H E M I C A L E N G I N E E R I N G O F O I L &G A S , V O L . 41, N O . 1, p p 110113, 2012(I S S N 1007-3426, I N C H I -N E S E A b s t r a c t :I n t h i s p a p e r , t h e m a j o r h a z a r d s a n d t h e r e l e v a n t c a u s e s f o r t h e p i s t o n t y p e n a t u r a l

45、g a s c o m pr e s s o r a r e f i r s t a n a l y z e d t o j u d g e t h e h a z a r d l e v e l a n d t o p u t f o r w a r d t h e h a z a r d r e d u c t i o n a n d c o n t r o l m e a s u r e s , a n d t h e n p r e l i m i n a r y h a z a r d a -n a l y s i s (P HA a s a n a d v a n c e d h a z a r d r e d u c t i o n a n d c o n t r o l m e a