15安全仪表功能回路设计及SIL验算方法

1、CH=nZHUwww.Ghfiibu- 近些年石化行业频发重大安全事故，安监局发布的相关安全文件中均提到安全仪表系统 （SIS）。中国石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定（试行）（中国石化安 2013 259号文）1.3条要求：“各单位应将建设项目安全完整性等级（SIL）评估纳入建 设项目设计管理，将在役装置SIL评估纳入日常安全生产管理”；3.2条要求：“各单位或 设计单位应对建设项目以及在役装置所涉及的安全仪表功能（SIF）确定相应的SIL，保证 安全仪表功能满足目标SIL要求”。在SIS设计过程中，SIF回路中SIL的定级和验算 是设计的重点和难点。SIL定级目前SIF回路的SIL

2、的确定，主要依靠危险与可操作性分析（HAZOP）结合保护层分析 （LOPA ）的方法来实现。HAZOP分析是在安全专业人员主导下，工艺、自控、设备专业人员以及操作人员共同构 成的分析小组进行的一种分析方法HAZOP分析是采用标准化“引导词”对装置过程系统的 中间变量设定“偏离”，沿“偏离”在系统中反向查找非正常“原因”，沿“偏离”在系统 中正向查找不利“后果”，确定后果严重性等级。HAZOP具体分析方法详见AQ/T3049- 2013危险与可操作性分析（HAZOP分析）应用导则。当HAZOP分析确定后果严重性等级为高风险或很高风险时，需进一步进行LOPA分析， 计算目前偏差导致的后果发生的频率

3、，判断现有保护措施是否足够，建议措施是否能够有效 地降低事故发生频率等。可通过增加SIF回路保护层，降低事故发生概率，从而得出SIF回ch=hzhu istr HYPERLINK http:/www.Ghenzhu-ifL5t.ccim www.Ghenzhu-ifL5t.ccim路的SILo LOPA具体分析方法详见AQ/T 30542015保护层分析(LOPA)方法应用导则根据文献中表E.2，引发偏差的初始事件，如控制回路失效、冷却水失效、控制阀误动作、常规人员操作失误、雷击等，偏差导致的事故发生概率f1iW1X10-i，假设，年频率等级为110-1。在涉及“重点监管工艺、重点监管化学品、

4、重大危险源”或可能引发高后果的工艺，大 多已配置基本过程控制系统(BPCS)、过程报警及操作员干预、安全阀、爆破片、防火堤等 独立保护层中的一个或多个，根据文献4中表E.3，各独立保护层失效概率PFDW1X10 -1;引入点火概率、人员暴露、人员伤害、毒性影响等修正系数P，P=nX10-1，n=110，偏 差导致的事故发生概率fci=f1iXPFDXP,0084.Q网 CX5)8S9L4L.4 1C-17.2X W-1WxlL&30G雷达鹿位计06Q,0965,0U6PJG姬口 19191,4L.3zLC-J22、10 1l.i-klO t17X-匝最流局:计Q187. Q 1B9S_D173

5、PW287. D 207 Lou9292.37.7X1Q-J40X10-J盅以 lL辰忤T蹒g0131S.42.A27.3IS. 42B79L19.0X104.5 10s2,8.-l(J-t5541 Al安全同0K)5l03?8.u39.00酬。407. W9395.3L3X1D-J6.7X10-t1.2X10-1辰竹GSSS云DI0165,05.361605.36096.92J.4X l0-】,21广7.1XW-t撬竹C7实安金柬01 品&口 Jisi,o颂1曜电。L如.初b.2 lD-ta,exiu 12.8j lj-?337电琏阀0764180tflO机0isaoo0瞄4./ 1广,5*

6、K|T型T电携市516Z4S.0186.0Z.007H.H188.509999.8l.tJXlD-15.9 X IQ-74.5Xln-FPV3I气满切新球阀知0182,051.7?&5S.13.5Z lu-12容甘7表3硬件安全完整性:A类安全相关子系统的结构约束们硬件故障裕度安全关敕分数硬件故障裕度012SFF60%SILISIL2SIL3费 WSFF OC %SIL2SIL3SIL490%SFFV99%.SIL3SIL4SIL4SFF*%S1L3SIL4SIL4表4硬件安全完整性：日类安全相关子系统的结构约束安全失全分数硬件故障裕度012SFFV.6。不允许SILISIL2W%SFF9。S

7、ILISIL2SIL390%5FF99%SILSSIL4SIL4工程设计中，常见的仪表组合有“ 1001”，“1oo2”，“2oo3”，通过下列步骤分别计算 组合后的PFDavgo计算通道等效停止时间tCE： TOC o 1-5 h z AdL.扁处e f+MTTR +-MTTR (2)人d I. 2J九1计算“IgF时的PFD心P FD知区义dXcE(3)计算系统等效停止工作时间/曲Me p y+ MT77? + yMTTR 4)计算*时的PFjFFD 萸 2(1 /?)Adu：Cl +(I /%)扁 + 九 dZkcEGE +佻如dMTTK + 月义如- -MTTR(5)式中：bd具有共同

8、原因已被检测到的失效分数；B具有共同原因没有被检测 到的失效分数，B=2BDoB的值可根据GB/T 20438.62006/IEC 61508：2000中的表D.1评分获得，B取值有1%, 2%, 5%, 10%；对应的BD分别为0.5%, 1%, 2.5%,5%。将上述数据分别代入式(5) 中验算，结果相差无几，且B评分方法繁琐，为了方便工程计算，现场仪表可统一将B取值 为10%,B D取值为5%o计算“2oo3”时的 PFDavg：PFDavg=6 (1-BD)入dd+(1-B)入du 2tCEtGE+BD入ddMTTR+B 入duT12+MTTR (6)将表2内的认证参数代入式(2)式(

9、6),可得出分别在“1。1”，“1。2”，“2。3” 情况下的PFDavg,并将该值填入表2中。分别计算SIF回路中的传感器、逻辑系统、执行元件等的PFDavg后，计算SIF回 路系统的平均失效概率 PFDsys：EPFDsys=EPFDS+EPFDL+ EPFDFE (7)式中：EPFDS传感器子系统平均失效概率；EPFDL逻辑子系统平均失效概率； E PFDFE执行元件子系统平均失效概率。因SIS的设计为故障安全型，电源的失效会将装置带到安全位置，故系统平均失效概率 不考虑电源失效。ISA TR 84.00.02 标准中SIL的验算方法文献11中SIL的计算方法相对简单，未经SIL认证的普

10、通仪表采用IEC 61508计算 时，入sd，入su，A dd，入du无数据可查，此时可通过文献11进行SIL验算，步骤如下所 示：1)计算危险失效故障率Ad：入d=1/MTTFd(8)式中：MTTFd平均危险失效前时间，实际验算过程中精确的数值可从供货商处获取仪表平均故障时间MTBF，MTTFd=MTBF-MTTR，因 MTTR 时间很短为 8 h，则 MTTFdeMTBFm。在 MTTFd 无数据MTBF，可循的情况下，可参考文献11中part 1表5.1中5个工厂经验值，详细数据见表5所 列。表5常规仪表平均危险失效前时间a因Xdu=XdX（1-DC），可假设未经过SIL认证的常规仪表诊

11、断覆盖率DC=0，则入du二 入d。2）Tool”时的 ppnt TOC o 1-5 h z 既咨=人血（9）3）腿事时的PFD心M T）PF/Jijvg =；（10）4）2oo3f时的PFD = （Adll 丁）（ IE5） 根据式（7）计算SIF回路的PFDavgo4应用实例假设P&ID中某节点需设置SIF回路，当采用差压变送器测量储罐液位时，液位高高或 压力高高时联锁停进料切断阀，如图1所示，该SIF回路经HAZOP，LOPA分析后得出SIF回 路的SIL=2o1)当现场采用未经SIL认证的普通传感器和执行元件“1oo1”时，SIF回路的PFDavg 见表 6 所列，工PFDsys=2.

12、700 5X 10-2, SIF 回路 SIL=1,不满足 SIL2 的要求。表6未经SIL认证的传感器及执行元件构成的SIF回路PFf传感器MIT%(年)血(hx)1)PFDw(Loo2)压力变送器1031.1X10 4.9X10 33.3X10 5AI安全栅2.9XlC)f3.3 X差压变送器103L1X10 fi4,9X10 33.3XW 5心安全栅2.9X10 54.9X10 3.3X10 *SM系统5.0X10 *5.0X10 8继电器L/xin aL7X10 23.7XK) J电磁阀80lt4X10 6L7X10 2&7X10气动切断阀462.1X10 L7X10 23.7X10

13、1合计2.7X1074.5XKT从表6可以看出，SIF回路的PFDavg中现场变送器和执行元件占了大部分的比例，安 全栅、继电器、安全型控制逻辑器占比例较少，需降低现场变送器和执行元件子系统的 PFDavgo现场变送器采用“ 1。2”，设置双压力变送器和液位变送器，如图2所示。执行元件采 用“ 1。2”，设置双切断阀，此时SIF回路的EPFDsys=4.45X10-41X 10-2，满足SIL2的 要求。文献11中指明，该规范中的计算步骤适用于SIL1和SIL2的SIF回路验证，除非完 全掌握简化公式的计算方法和限制条件才可以进行SIL3的SIF回路验证。图2验算案例P&ID二2）当SIF回路

14、的现场传感器及执行元件均采用取得SIL认证的仪表时，SIF回路PFDavg 见表7所列。当变送器、不带PVST功能的电磁阀、气动切断球阀采用SIL2认证的产品，与SIL3认 证的SM系统、安全栅、继电器构成的“ 1。1” SIF回路EPFDsys=1.503X 10-3，SIF回路SIL=2；当采用冗余的SIL2认证的变送器、电磁阀、气动切断球阀、安全栅、继电器，与SM系统构成的“ 1oo2” SIF回路EPFDsys=8.22X10-5, SIF回路满足SIL3的要求。表7经SIL认证的传感器及执行元件构成的SIF 回路 PFDa传感器压力变送器L4X10d7.2X10 6AI安全栅L3XW

15、 46.7X1。6差压变送器7.2X 10HAI安全栅L3X10-6.7X10 6SM系统540X10、5.0X1。H批电器6.2X10 3.6X10 6不带PVST电磁阀2X10 44.2X10 &气动切断球阀L 6 X 10 “土8X10 合计L5X108.2X10 %当电磁阀带PVST功能时，其“ 1oo1 ”时PFDavg查表2为1.503X10-，代入到表7 中，采用SIL2认证的变送器、气动切断球阀，与SIL3认证的SM系统、安全栅、继电器、 带PVST功能的电磁阀构成的“ 1oo1” SIF回路EPFDsys=6.980 3X 10-4，SIF回路满足 SIL3的要求。3）当检测

16、器子系统采用未经安全完整性等级认证的普通仪表“ 1。2”，执行元件子系 统采用经过安全完整性等级认证的不带PVST功能电磁阀、气动切断球阀“ 1oo1”，如图3 所示。工PFDsys=1.029X 10-3，满足SIL2的要求。图3验算案例P&ID三5结论SIF回路的SIL验算需大量的数据支撑，准确数据获取不易，对于工程设计而言，可粗 略的得出如下结论，方便快速验算：对一个SIF回路的PFDavg进行分解，传感器子系统约占35%，安全型控制逻辑器 约占15%，执行元件子系统约占50%。SIL2认证的仪表“1oo1”结构PFDavg在10-4左右，“1oo2”结构PFDavg在10-6左右， “

17、2oo3”结构PFDavg在10-5左右，如没有具体数据可参考上述数量级进行粗略计算。用于紧急停车功能的安全型控制逻辑器、安全栅、浪涌保护器、继电器宜首选SIL3 认证的产品；对于装置规模较小、联锁简单、事故后果可控的中小型生产企业若LOPA分析 所有SIF回路SIL均为1时，可选用SIL2认证的安全型控制器、安全栅等。CHIZHUwww.Ghfiibu.- 采用质量可靠(MTBFN50 a)、应用广泛、未取得SIL认证的传感器、执行元件 子系统构成的“ 1oo1” SIF回路，在传感器子系统和执行元件子系统中仪表数量较少的情 况下，基本可满足SIL1的要求。采用经SIL认证的仪表、或未经SIL认证的普通仪表组成“ 1oo2”，“2oo3” SIF回 路、或经过SIL认证的执行元件与未经过SIL认证的“ 1oo2”，“2oo3”传感器子系统混合 型的方式来降低回路的PFDavg以满足SIL2的要求。采用经SIL认证的传感器子系统与带 PVST功能的执行元件配套使用可达到SIL3的要求。当传感器子系统采用“ 1oo2”，“2oo3 ”的方式时，仪表的取源部件不应共用， 以免因取源部件的堵