安全仪表系统SIL等级评估在燃气锅炉中的应用

安全仪表系统SIL等级评估在燃气锅炉中的应用姜巍巍;王晓菡;李荣强【摘要】介绍了安全仪表系统SIL等级评估在燃气锅炉中的应用，通过SIL等级评估可以查找安全仪表系统安全仪表功能回路存在的薄弱环节,合理设置和维护管理安全仪表系统，满足其应有的风险降低，提升过程安全管理水平.【期刊名称】《安全、健康和环境》【年(卷)，期】2017(017)012【总页数】5页(P34-38)【关键词】安全仪表系统;安全完整性等级;燃气锅炉【作者】姜巍巍;王晓菡;李荣强【作者单位】中国石化青岛安全工程研究院,山东青岛266071;中国石油华东设计院有限公司仙东青岛266071;中国石化青岛安全工程研究院仙东青岛266071【正文语种】中文安全仪表系统是石化生产装置的重要保护措施，由传感器、逻辑控制器和最终执行元件组成，用来监视工艺过程的状态，判断危险条件，并在危险条件出现时适当动作以防止危险事件发生。合理、可靠的安全仪表系统可以有效避免生产事故，降低事故给设备、环境和人员造成的危害。国内夕卜典型事故案例表明，不少重大事故都与安全仪表系统设置不当以及非正常失效有关，安全仪表系统的可靠性指标已经关系到石化装置是否能够安稳运行，是否能够有效避免重大事故及非计划停车带来的经济损失。2005年，英国伦敦邦斯菲尔德油库发生爆炸，事故造成43人受伤和近10亿英镑的经济损失。事故调查委员会认为应加强预防性保护措施，尤其是溢油保护系统，并提高该系统的可靠性即SIL等级，分析和评价它的可靠性，在设计、安装、调试和运行中保持其需求的SIL等级。为加强化工安全仪表系统管理，防止和减少危险化学品事故发生，国家安全监管总局下发了《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安全监管三〔2014）116号），要求〃涉及’两重点一重大’的化工装置和危险化学品储存设施，要按照本指导意见的要求设计符合相关标准规定的安全仪表系统”。中国石化集团公司发布的《中国石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定》（中国石化安c2013）259号），规范了安全仪表系统安全完整性等级评估，并要求各企事业单位、股份公司各（分）子公司应结合自身实际情况制定实施。中国石油化工集团公司安全管理手册（M01-2015）和中国石化生产安全风险管理规定试行（中国石化安[2017]625号）等都对安全仪表系统SIL等级评估有明确要求。1安全仪表系统重要概念1.1安全完整性等级（SIL）安全完整性等级是指在规定的条件下、规定的时间内，安全仪表系统成功实现所要求的安全功能的概率。标准中规定了4种安全完整性等级，安全完整性等级4为最高，安全完整性等级1为最低。表1安全仪表系统的安全完整性等级目标失效量。1.2安全生命周期安全仪表系统的生命周期对安全仪表系统SIL等级评估具有非常重要的意义，保证每一个环节都考虑功能安全，从设计源头开始进行安全仪表系统SIL等级评估可以最大程度地降低生产过程中的风险，同时保证安全仪表系统方面的投资成本做到有的放矢。表1安全完整性等级目标失效量安全完整性水平(SIL)平均失效概率PFD4[10-5,10-4)3[10-4,10-3)2[10-3,10-2)1[10-2,10-1)安全仪表系统的生命周期主要分为设计、危险分析、安全仪表功能分配、系统集成、现场安装、系统运维、更新换代等阶段。安全仪表系统生命周期见图1。图1安全仪表系统的生命周期SIL等级评估主要内容安全仪表系统SIL等级评估主要包括以下内容。安全仪表功能辨识。根据所提供的技术资料(PID图、联锁因果图或逻辑图等)，通过危险分析，明确设计意图，完成安全仪表功能辨识。主要的方法有危险与可操作分析法等。SIL定级。针对每一个安全仪表功能进行风险评估，结合每个公司的风险矩阵或可接受风险水平，考虑人员伤亡风险、环境影响风险及经济损失风险，确定安全仪表功能的SIL等级。主要的方法有风险图法、矩阵法、保护层分析法等。SIL验证。根据现场安全仪表功能(SIF)回路组成和所用仪表情况，建立回路的可靠性模型，选用合适的失效数据计算安全仪表功能要求时的失效概率PFD，明确其能达到的SIL等级。主要的方法有可靠性框图法、故障树法、马尔科夫法等。结构约束评估。根据SIL定级结果要求，结合现场安全仪表系统配置情况，进行结构约束评估。检验测试周期。针对不符合SIL等级要求的安全仪表功能，计算符合目标SIL要求的检验测试周期，为科学制定维护策略提供帮助。相关建议措施。从危险与风险分析、SIL验证、操作维护、规范要求等4个方面，综合分析评估，提出相关建议措施。SIL等级评估应用3.1燃气锅炉情况本次分析的燃气锅炉的主要工艺过程如下。a） 燃料燃烧过程：燃料气T燃气分液罐T燃烧器-（完成燃烧）T高温烟气。b） 烟气向工质传热过程：高温烟气-（辐射）T水冷壁-（辐射对流）T过热-（对流）一省煤器一低温烟气排向大气。0工质的加热汽化过程：除盐水一除氧器一中压给水泵一省煤器一汽包-（下降管）一下联箱一水冷壁管束-（辐射对流、汽水混合物）一汽包一饱和蒸汽一过热器一过热蒸汽一用户。燃油燃气锅炉不同于燃煤锅炉，它需要使用燃烧器将燃气喷入锅炉炉膛，喷入炉内的燃气如果与空气在一定范围内混合或熄灭，就容易爆炸。因此燃气锅炉均需采用自动化的燃烧与控制系统。3.2燃气锅炉SIL定级通过SIL定级会议，对动力车间燃气（燃油）锅炉辨识出的9个安全仪表回路，其中新增3个安全仪表回路，确定了10个安全仪表功能。针对其安全功能、触发事件或原因、逻辑处理器、执行元件以及风险状况等进行了逐项分析和讨论记录。SIL分析确定会议主要是综合考虑人员伤亡风险、环境影响风险及经济损失风险确定所需求的SIL等级，然后选择其中需求较高的SIL等级作为特定SIF回路需求的SIL等级。燃气锅炉安全仪表功能及定级结果见表2。表2燃气锅炉安全仪表系统安全仪表功能及定级结果SIF号SIF标识SIF描述最终元件安全完整性等级人员伤害环境影响财产损失目标SILSIF01LSLL6106A/B（2oo2）锅炉汽包液位低于15%,切断燃料气关闭燃料气紧急切断阀（XCV6107A）N/AN/AAIL1SIL1SIF02APSLL6116A燃料气压力低于0.01MPa,切断燃料气关闭XCV6107ASIL2N/AAIL2SIL2SIF02BPSLL6116A燃料气压力低于0.01MPa,切断燃料气关闭XCV6107ASIL0N/AAIL0SIL0SIF03BS6011/2/3/4（3oo4）锅炉熄火联锁，切断燃料气关闭XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF04FA-6101A鼓风机故障停，切断燃料气关闭XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF05FA-6102A引风机故障停，切断燃料气关闭XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF06PSLL6104中压除氧水压力低于5.4MPa启动备用泵启动备用泵SIL1N/AAIL1SIL1SIF07PSHH-（建议增加）锅炉汽包压力高高联锁，切断燃料气关闭XCV6107ASIL1N/AAIL1SIL1SIF08PSHH-（建议增加）炉膛压力高高联锁，切断燃料气关闭XCV6107ASIL2N/AAIL2SIL2SIF09LSHH-（建议增加）锅炉汽包液位高高联锁，关闭上水阀关闭上水阀N/AN/AAIL2SIL2燃气锅炉装置安全仪表功能分类汇总如表2所示。表2燃气锅炉装置安全仪表功能分类汇总目标等级数量占比,％SIL0110SIL1660SIL2330总计101003.3SIL验证基于GB/T20438、GB/T21109和PDS手册中推荐使用的PFDavg计算方法，结合专业故障树计算软件，计算了现有各SIF回路需求时的平均失效概率PFDavg。其中，MTTR=8小时，Ti=4年；根据企业提供的SIF回路所用仪表型号，对比分析失效数据库EXIDA和PDSdatahandbook2010，采用较保守数据进行SIL验证计算。图2给出了可靠性计算模型示例，表3燃气锅炉安全仪表功能SIL验证结果。进行了6个SIL1以上的回路PFD计算和分析，表4给出了符合性评价结果。3.4建议措施图2燃料气压力低低联锁，切断燃料气从危险与风险分析、SIL验证、操作维护、规范要求等4个方面综合分析评估，对燃气锅炉安全仪表系统提出以下建议措施。a）燃气锅炉汽包液位低低联锁LSLL6106A/B（2oo2）回路，液位控制、报警和联锁仪表共用LT6106A/B，考虑保护层的独立性原则，控制、报警和联锁仪表应独立设置。b） 燃气锅炉燃料气压力低低联锁PSLL6116A回路，目标安全完整性等级为SIL2，改进措施如下：①燃料气压力变送器采用三取二冗余结构；②传感单元取压点设置在阻火器和火嘴中间；③燃料气管线增加一台切断阀，或联锁关闭压力调节阀（增设电磁阀）且为严密切断阀。表3燃气锅炉安全仪表功能SIL验证结果SIF号SIF标识最终元件目标SILPFDavg是否满足SIL结构约束是否满足要求SIF降低后风险SIF01LSLL6106A/B（2oo2）关闭XCV6107ASIL16.25E-2是是低风险SIF02APSLL6116A关闭XCV6107ASIL25.76E-2否否中风险SIF02BPSLL6116A关闭XCV6107ASIL0是低风险SIF03BS6011/2/3/4（3oo4）关闭XCV6107ASIL15.44E-2是是低风险SIF04FA-6101A关闭XCV6107ASIL15.59E-2是是低风险SIF05FA-6102A关闭XCV6107ASIL15.59E-2是是低风险SIF06PSLL6104启动备用泵SIL18.77E-3是是低风险SIF07（新增）PSHH-关闭XCV6107ASIL1SIF08（新增）PSHH-关闭XCV6107ASIL2SIF09（新增）LSHH-关闭上水阀SIL2表4锅炉装置符合性情况目标等级数量符合PFD要求不符合PFD要求SIL1550SIL2101汇总651c） 长明灯管线独立设置，并设置长明灯压力低低联锁（工艺确定合理设定值）。d） 增设燃气锅炉汽包压力高高联锁，防止超压，目标完整性等级为SIL1。e） 增设炉膛压力高高联锁，防止炉膛正压，目标安全完整性等级为SIL2。f） 增设燃气锅炉汽包液位高高联锁，防止蒸汽管网带液，目标安全完整性等级为SIL2。g） 按照检验测试周期（Ti）为4年（8760小时/年），进行SIL验证计算，1个SIL2等级的SIF不满足风险降低要求，调整执行机构的检验测试周期为4380小时(半年)。4体会SIL评估分析组应该由企业和技术服务单位的多名专家组成，其中应该包括工艺、设备、仪表、安全等专业人员，为便于建议措施整改，分析组还应包括设计人员。SIL评估主要采用国外的失效数据库，我国炼化企业缺少自己的安全仪表失效数据源，建议有条件的企业逐步积累形成自己的安全仪表失效数据库。评估过程应充分考虑各保护层的独立性，特别关注共用取压点、报警和安全仪表功能共用传感器、过程控制回路和安全仪表功能共用执行机构的情况。应规范石化安全仪表系统的设计，从设计源头开始进行安全仪表系统SIL等级评估，