基于安全联锁回路的多泄放安全完整性等级校核方法

基于安全联锁回路的多泄放安全完整性等级校核方法

传统lopa方法的分析模式在石化厂排水和火力系统中释放火焰的装置通常由几个涂层保护，例如压力调节电路（pcv）、超压锁保护电路（sif）、机械排水设备等。当PCV和SIF保护层失效时，装置通常由机械泄压设备来泄放至火炬系统，导致产生火炬负荷。目前国内在进行SIL定级分析时广泛采用保护层分析（LOPA）技术，但是IEC61511《过程工业安全仪表系统的功能安全》(Functionalsafty-safetyinstrmentedsystemsfortheprocessindustrysector)等标准采用IEC标准给出的LOPA方法对压力设备的超压保护SIF回路进行定级时，只能考虑单一场景的风险降低需求及风险分配，不能考虑多个关联场景之间的风险耦合及其对SIL定级的影响。例如，导致多个压力设备发生超压风险的单一初始事件（公用工程失效等）的发生，可能使火炬系统压力超过设计值，进而可能导致火炬管网的背压、噪声、马赫数等超出设计标准，造成泄放憋压、火炬气泄漏甚至火灾爆炸等事故，因此存在较大的风险针对关联泄放导致的风险，Lopez等1在联合排水中，对火力系统的风险和排水装置的sil等级进行了分析1.1有装置前、装置b、装置c时有装置前、装置b多源同时泄放的叠加方法通过计算多装置同时泄放时泄放路径及泄放路径出现概率得到所有可能发生的泄放情况及其发生概率举例说明：假设电力失效情况下有装置a、装置b、装置c可能发生泄放，装置a、装置b、装置c的泄放概率分别为P1.2装置sif回路再分级本文提供的方法适用于以下场景：为方便演示，假设（以下假设适用于本节）厂区共有M(M>0）个泄放装置可能泄放至火炬系统，且目标工况发生时可能导致厂区内多个装置发生超压。其中有N(0<N≤M）个装置由包括SIS系统在内的保护层提供保护，在事故工况下，若保护层（诸如SIF回路、压力调节回路PCV等）不失效则N个装置没有泄放到火炬的需求；反之则会泄放至火炬系统，产生火炬负荷。其他（M-N）个装置无超压联锁功能保护。考虑关联泄放的泄放装置SIL定级方法步骤如下。(1）场景分析。对目标场景进行如下分析。(1)确认初始场景：判断初始事件是否可能导致多个装置同时发生超压。(2)确定初始事件发生时可能发生超压泄放的装置及各装置在初始场景下的最大泄放量(2）计算M个装置所有可能发生的泄放路径及其发生概率。利用上述多源同时泄放的叠加方法得到M个装置的泄放路径及每条泄放路径下各装置的泄放量，每条泄放路径的出现概率不同，需逐条计算。假设共有I条泄放路径，以第i条泄放路径为例，该泄放路径中有J个设备发生泄放，则第i条泄放路径的出现概率P式中，α假设第i条泄放路径中第j个装置由H个独立保护层提供超压保护，则PFD式中，PFD(3）计算火炬管网参数超高事件发生频率。使用API521提供的计算方法或相关软件计算每条泄放路径下各泄放装置安全阀背压、管道压力、管道马赫数、噪声等参数。假设在所有泄放路径中共有K条出现火炬管网参数超高的情况，火炬管网参数超高的概率PFD事故发生频率f由式（4）得出：式中，P(4）判断是否需要对部分泄放装置进行SIF回路再定级。确定火炬管网参数超高可能导致的事故及其后果，并根据厂区提供的风险矩阵确定事故的后果严重性等级(5）选取一个装置，对其SIF回路的SIL等级进行重新定级。选取重新进行SIL定级的装置时应遵循尽量减少重新定级的SIF回路个数的原则，并优先将对风险影响较大的泄放装置的SIF回路重新定级。因此定义N个装置的选取顺序：依据所有可能存在风险的泄放路径中同一装置的出现次数由大到小为泄放装置进行排序（需要注意的是仅对由SIF回路保护的装置进行排序）。通常第一次选取装置进行SIL等级重新定级时应选取顺序中位于第一位的装置。所选装置的SIF回路风险降低因子RRF由式（5）得出：式中，f计算选取装置未实施SIS保护层时的危险频率f人员伤亡概率式中，P式中,PFD所选装置的SIF回路风险降低因子RRF与SIL等级的对应关系如表1所示。根据GB/T21109的要求：分配给安全仪表系统仪表安全功能的安全完整性等级不能高于4，且由于安全完整性等级4需满足苛刻的条件，安全完整性等级4的应用较为罕见(6）若满足风险降低要求，则输出各装置SIF回路的SIL等级；若不能，则进行下一步。(7）再次选取装置，进行SIF回路重新定级。将步骤（5）所选装置的SIF回路SIL等级调整为厂区可接受的最大等级，并依据装置选取顺序选取下一位装置，重复步骤（5）～步骤（7），直到满足风险降低需要。(8）得到所有需要进行SIF回路重新定级的装置及符合要求的SIL等级。考虑关联泄放的SIL定级方法流程图如3所示。2安全阀的设置某石化厂一联合装置群共有五套设备，简记为A、B、C、D、E，这五套设备均泄放至同一火炬系统，设备A、B、C、D、E对应的安全阀编号分别为1、2、3、4、5。图4为本实例的火炬系统流程示意图。精馏塔C、精馏塔D、精馏塔E均由2oo3结构的SIF回路C、SIF回路D、SIF回路E保护。本实例选择停电工况进行泄放装置SIL等级分析，停电工况发生时设备A、B、C、D、E均可能发生泄放。已知部分部件的参数如表2所示。2.1sif回路的风险降低因子使用LOPA技术确定SIL等级的程序可由标准和相关文献获得SIF回路C的风险降低因子RRF由式（8）可得。式中，PFD精馏塔D、精馏塔E的风险降低因子计算同理。由LOPA方法确定的各SIF回路SIL等级如表3所示。2.2火炬系统泄放路径(1）场景分析。停电工况下，设备A、设备B、精馏塔C、精馏塔D、精馏塔E均可能发生泄放，其最大泄放量如表2所示。停电导致精馏塔C、D、E的底泵全部停机，精馏塔C、D、E由于塔内压力升高同时泄放至火炬管网，超过火炬处理能力，火炬管网压力超高导致安全阀无法正常打开，造成装置和管道憋压、破裂，导致重大可燃物料泄漏(2）求解泄放路径及泄放路径出现概率。(1)在本实例中，设备A、B在装置停电工况下通过安全阀向火炬系统泄放，根据厂区历史数据，停电工况下设备A的泄放概率PFD(2)精馏塔C、D、E分别由2oo3结构的SIF回路和安全阀保护，以精馏塔C为例，停电工况下SIF回路C和安全阀3同时失效时，精馏塔C会泄放至火炬系统。精馏塔C、D、E的泄放概率如表4所示。因此停电工况下的泄放组合、泄放路径如表5所示，每条泄放路径下各设备的泄放量及泄放路径的出现概率如表6所示。(3）计算超压事故发生频率。使用AspenFlarenet软件对本实例中的火炬管网建模由表7可知，背压超高的泄放路径有M1、M4、M5、M6、M10、M11、M12。根据式（3）可得背压超高的概率为：PFD(4）判断是否需要SIF回路再定级。由场景分析可知后果严重等级评定为5。据后果等级和事故发生频率得到风险等级为“中”，因此可通过部分装置SIF回路重新定级将风险等级降至“低”。2.3考虑关联泄放的sif回路再分级由2.2节可知背压超高的泄放路径有M1（装置ABC同时泄放）、M4（装置ABCD同时泄放）、M5（装置ABCD同时泄放）、M6（装置ABCE同时泄放）、M10（装置ABCDE同时泄放）、M11（装置ABCDE同时泄放）、M12（装置ABCDE同时泄放），根据上述泄放路径中同一装置的出现次数，装置选取序列为：精馏塔C(7次）>精馏塔D(5次）>精馏塔E(4次）。本节选择精馏塔C进行SIF回路重新定级。停电工况下精馏塔C无SIS系统保护时独立保护层为安全阀3，所以此时精馏塔C的泄放概率应为安全阀3的失效概率，即0.085。精馏塔C无SIS系统保护状态下超压泄放路径及出现概率如表8所示。“低”风险等级对应最大可接受危险频率f对比2.1节，本节由“考虑关联泄放的SIL定级方法”确定的精馏塔C的SIF回路C的SIL等级（SIL2）高于传统LOPA方法确定的SIL等级（SIL1），说明传统LOPA方法确定的SIL等级过低，不能满足本实例中厂区风险降低的需要。两种方法确定的SIF回路C的SIL等级的不同主要来源于以下两方面：(1)在对SIF回路C进行定级时，与仅考虑精馏塔C泄放的传统LOPA方法相比，本节考虑了停电工况下联合装置的五套设备同时泄放的可能，此时火炬管网承受的总泄放量和负荷明显大于仅考虑精馏塔C泄放时火炬管网承受的泄放量与负荷。更大的泄放量与火炬管网负荷将导致更严重的事故后果，因此本节场景分析得到的事故后果等级（5级）高于2.1节传统LOPA方法得到的后果等级（4级），进而导致了两种方法确定的最大可接受危险频率f(2)停电工况（初始事件）发生时，使用传统LOPA方法和“考虑关联泄放的SIL定级方法”对SIF回路C定级时使用的初始事件发生频率（P3sil分级“校核”的必要性(1）针对目前厂方对泄放装置SIF保护回路进行SIL定级时不考虑同一初始事件导致多个装置泄放的情况，本文基于多源同时泄放的火炬负荷叠加技术，提出了