嚴 龍, 于 芳, 牟洪祥, 王海清

(1.中國石化安全工程研究院，青島, 266071; 2.中國石油大學(xué)(華東)安全科學(xué)與工程系，青島, 266580)

石油化工企業(yè)火氣系統(tǒng)安全性評估方法

嚴 龍1, 于 芳2*, 牟洪祥1, 王海清2

(1.中國石化安全工程研究院，青島, 266071; 2.中國石油大學(xué)(華東)安全科學(xué)與工程系，青島, 266580)

火氣系統(tǒng)屬于減緩層內(nèi)的安全儀表系統(tǒng)，在減輕事故后果方面起到非常重要的作用。針對傳統(tǒng)火氣系統(tǒng)只滿足功能需求設(shè)計的不足，提出與風險分析相結(jié)合的火氣系統(tǒng)設(shè)計新理念，以具體案例分析場景危險性，通過覆蓋率、可用性、有效性等參數(shù)，定量場景的潛在生命損失，以風險降低為目的，量化計算事故后果和頻率，評估火氣系統(tǒng)的有效性。

火氣系統(tǒng); 有效性; 可用性; 失效概率

0 引言

火氣系統(tǒng)是執(zhí)行火災(zāi)和氣體檢測及控制等安全儀表功能的全部傳感器、邏輯運算器、終端執(zhí)行元件所組成的集合。在石油化工企業(yè)中，火氣系統(tǒng)設(shè)計的目的是在基本過程控制層和緊急停車層之外構(gòu)成一個相對獨立的保護層，形成多層的安全系統(tǒng)模式[1]?，F(xiàn)有的火氣系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范側(cè)重于滿足常規(guī)功能性指標的要求，對覆蓋率、可靠性、有效性三方面沒有進行整體分析和評估，隨著國際上火氣系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)，一些規(guī)范如IEC61511，NFPA72，ISA TR84.00.07在國內(nèi)的推廣，相應(yīng)的火氣系統(tǒng)有效性評估技術(shù)和方法也應(yīng)在國內(nèi)的工程實踐中應(yīng)用。

1 火氣系統(tǒng)評估分析

火氣系統(tǒng)由于行為和結(jié)果的不可預(yù)知性，使得火氣系統(tǒng)的有效性評估一直處于爭議狀態(tài)。2010年美國ISA協(xié)會頒布了ISA TR84.00.07(火氣系統(tǒng)有效性評估指南)標準，該標準首次提出了火氣系統(tǒng)在設(shè)計階段的生命周期，并且明確強調(diào)了影響火氣系統(tǒng)有效性的3個要素：探測器覆蓋率、火氣系統(tǒng)的安全可用性以及減緩有效性。ISA TR84.00.07標準建議將火氣系統(tǒng)有效性評估的三要素通過事件樹方法(ETA：Event Tree Analysis)進行分析，并用加權(quán)平均后果定量火氣系統(tǒng)的風險。

火氣系統(tǒng)的傳感部分一般是指氣體和火災(zāi)探測器，除了可靠性外，探測器的布點位置對整個系統(tǒng)的安全性有重要的影響，GB50493中要求檢(探)測點布置在泄漏源不同的方向上[2]，GB50116中要求探測器的安裝應(yīng)依據(jù)探測器的保護面積、保護半徑和安裝間距的極限曲線來設(shè)定[3]，本文案例中探測器的布點位置按照相關(guān)規(guī)范設(shè)置，初始事件發(fā)生的地點在探測器覆蓋的范圍之內(nèi)。

火氣系統(tǒng)的組成器件均有失效概率，圖1是火氣系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，火氣系統(tǒng)可用性的計算要將火災(zāi)和氣體傳感器、邏輯器、執(zhí)行機構(gòu)的平均要求失效概率加起來(并用1減)[4]。要求失效概率有多種計算方法，如簡單方程法、故障樹分析法、馬爾科夫分析法

圖1 火氣系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Simple structure of FGS

等，本文采用故障樹法分析火氣系統(tǒng)的可用性。

火氣系統(tǒng)的執(zhí)行器，如工藝停車系統(tǒng)、疏散報警系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)，在實現(xiàn)功能時對事故緩解的效果不同，不同執(zhí)行器的有效性評估方法不同且評估過程相對復(fù)雜，本文對緩解有效的火氣系統(tǒng)評估值為1，否則為0[5]。

2 火氣系統(tǒng)有效性評估案例

該三相分離器設(shè)在平臺底層，此臥式三相分離器規(guī)格是Φ4000 mm×16000 mm，容積200 m3，操作壓力和操作溫度分別是0.55 MPa和40 ℃～50 ℃。該三相分離器的工作介質(zhì)是含水原油，其進油含水量為68%～95%，原油物性見表1。

表1 含水原油物性

2.1 介質(zhì)危險性分析

平臺進油含水含鹽量較高，高含水會加劇三相分離器的腐蝕速度，高含鹽會影響分離的質(zhì)量[6]。根據(jù)表1所列，該原油屬于重質(zhì)原油，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量偏高，會在三相分離器的內(nèi)部產(chǎn)生較多的沉淀，尤其易在聚結(jié)板的周向器壁以及焊縫處發(fā)生聚結(jié)堵塞，造成腐蝕穿孔[7]。該三相分離器的操作溫度易使原油結(jié)臘，且在40 ℃～50 ℃的溫度范圍內(nèi)利于腐蝕過程的進行。

綜上分析，平臺三相分離器易發(fā)生腐蝕穿孔導(dǎo)致原油泄漏，嚴重時會引發(fā)火災(zāi)爆炸等事故。本文以三相分離器出油管線腐蝕泄漏為初始事件場景，分析原油從腐蝕部位連續(xù)泄漏，遇到點火源可能發(fā)生噴射火、池火和爆炸等后果，下面以平臺復(fù)合火焰報警為例對火氣系統(tǒng)的安全有效性進行評估。

2.2 火氣系統(tǒng)的復(fù)合火焰報警

該平臺上設(shè)有16臺火焰探測器，由于泄漏而引發(fā)的火災(zāi)被兩臺或者兩臺以上的火焰探測器檢測到并觸發(fā)平臺的復(fù)合火焰報警。復(fù)合火焰報警信號經(jīng)SIS PLC邏輯處理后發(fā)送信號至電動消防泵，并打開相應(yīng)的消防水閥和泡沫閥進行滅火處理，圖2是復(fù)合火焰報警滅火系統(tǒng)的故障樹邏輯圖。

為寵物制定的反射療法、針灸、足療、水療這些在澳大利亞都非常流行，對于主人來說，養(yǎng)寵物實在是筆不菲的開支。除了讓寵物們吃好喝好住好，盡情享受生活，主人們還會給愛寵買保險。正是這樣的用心，寵物及相關(guān)行業(yè)十分興盛，每年可以為澳大利亞創(chuàng)造接近100億澳元(約人民幣509億元)的價值。

四臺電動消防泵按兩用兩備設(shè)置，其中P6001A與P6001B為主泵，當發(fā)生火災(zāi)時先啟動主泵，主泵故障報警或者泵出口壓力30 s后未建立立即啟動備用泵。復(fù)合火焰報警邏輯中任一部分發(fā)生故障都會導(dǎo)致火氣系統(tǒng)不能正常工作，復(fù)合火焰報警的設(shè)備參數(shù)見表2。

圖2 復(fù)合火焰報警滅火系統(tǒng)故障樹邏輯圖Fig.2 Logic diagram of composite fire alarm in extinguishing system

表2 復(fù)合火焰報警設(shè)備參數(shù)

Table 2 Parameters of the devices in composite fire alarm

序號名稱型號數(shù)量參數(shù)(fits)λMTTRTISFF1火焰探測器Generic21800812692邏輯控制器Generic1oo2D1235812803消防水泵Genericpump49770812604消防水閥Globevalve1215081205泡沫閥Globevalve1215081206繼電器Genericrelay860081260

注:參數(shù)的單位為fits，1 fits=109h；λ為失效率；MTTR為平均修復(fù)時間；TI為檢測時間；SFF為安全失效分數(shù)。

該滅火系統(tǒng)的平均失效概率PFDF&G計算公式為[8]：

PFDFGS=∑PFDSi+∑PFDAi

+∑PFDLi+∑PFDFSi

(1)

式中：PFDSi為火氣系統(tǒng)的傳感器的平均失效概率；

PFDLi為火氣系統(tǒng)的邏輯器的平均失效概率；

PFDAi為火氣系統(tǒng)的執(zhí)行器的平均失效概率。

經(jīng)RiskSpectrum軟件計算得出復(fù)合火焰報警滅火系統(tǒng)的PFDF&G為0.0396，即系統(tǒng)的可用性為0.9604。

2.3 場景風險分析

該平臺三相分離器兩端分別設(shè)置一個火焰探測器以檢測火災(zāi)，兩個火焰探測器的原理都是紫外/紅外復(fù)合式，為滿足海洋平臺敏感場所要求，根據(jù)標準FM3260標準要求，火焰探測器采用低閾值的探測標準，探測器有效距離為5 m。為了準確驗證三相分離器周圍火焰探測器的覆蓋率，本文采用性能可靠的GCV軟件對發(fā)生原油泄漏的區(qū)域進行覆蓋率建模。

根據(jù)標準BPGB30-85火焰探測器風險層設(shè)定標準，GCV軟件首先會在危險周圍2 m的空間內(nèi)生成等級為B的風險層，風險層由n，x網(wǎng)格形成，如果網(wǎng)格在火焰探測器有效角度和范圍內(nèi)，則網(wǎng)格會被標識成被探測器覆蓋，其他的則會被標識成不被探測器覆蓋。計算2個或者更多探測器覆蓋下的網(wǎng)格數(shù)占總網(wǎng)格的百分比即是復(fù)合探測器的覆蓋率。通過對不同的后果模擬，發(fā)現(xiàn)該平臺三相分離器的兩個火焰探測器覆蓋率達到95%以上，為簡化計算，假設(shè)三相分離器易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域在火焰探測器覆蓋的范圍內(nèi)，因此泄漏場景的事件樹主要對火氣系統(tǒng)的可用性和緩解有效性進行分析(圖3)。

圖3 三相分離器泄漏事件樹分析Fig.3 Leakage analysis about three phase separator using ETA

根據(jù)安全管理要求，該平臺上每2個小時安排1人進行現(xiàn)場巡檢，巡檢一次時間為30 min，現(xiàn)場統(tǒng)計資料表明，火氣系統(tǒng)的可用性一般在0.95左右，粗略估計在無F&G系統(tǒng)保護下的人員傷亡數(shù)為1人，為驗證復(fù)合報警的有效性是否達到安全要求，假設(shè)復(fù)合報警的平均失效概率為0.05，由OREDA數(shù)據(jù)庫知三相分離器介質(zhì)泄漏的頻率為8.5381×10-3/a[9]，直接點火、延遲點火以及點火導(dǎo)致爆炸的值分別為0.15、0.3和0.2[10]。

該事件樹的潛在生命損失(PLL：Potential Life Loss)計算公式為：

(2)

flife=foccupancy×faccident

(3)

fPLL=Ndeath×flife

(4)

式中：fi為該事件樹的初始事件和安全功能，i=1,2,,,8，n=3,4,7；

Ndeath為死亡或者重傷致殘人數(shù)，Ndeath=0,1；

faccident、flife和fPLL分別為事故頻率、生命安全頻率以及潛在生命損失頻率。

由事故后果以及相關(guān)事故頻率計算泄漏場景的PLL為6.6213×10-5/a，對比該企業(yè)的風險矩陣圖(表 3)可知在平均失效概率為0.05的火氣系統(tǒng)保護下的風險是可容忍的。而根據(jù)表2數(shù)據(jù)計算得出該平臺的復(fù)合火焰報警平均失效概率為0.0396，火氣系統(tǒng)的可靠性為0.9604(>0.95)，其可靠性比一般要求下的火氣系統(tǒng)的可靠性更高，因此該平臺火氣系統(tǒng)的有效性達到安全要求，火氣系統(tǒng)對于整個工藝安全生產(chǎn)不可或缺。

表3 企業(yè)風險矩陣縮略圖

注：圖中深色區(qū)域表示不可容忍的風險；淺色區(qū)域表示可容忍的風險；淡色區(qū)域表示低風險。

3 結(jié)論

火氣系統(tǒng)因其特殊性應(yīng)獨立于安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，形成單獨的保護層，防止事故后果擴大，火氣系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮探測器覆蓋率、系統(tǒng)可用性和緩解有效性三方面重要因素?；饸庀到y(tǒng)的安全性評價可采用事件樹的方法，本文針對三相分離器泄漏事故，以潛在生命損失為風險指標，計算出統(tǒng)計數(shù)據(jù)下事故的風險水平處于可接受的狀態(tài)，而實際火氣系統(tǒng)對事故后果的緩解程度比統(tǒng)計數(shù)據(jù)下的更優(yōu)，滿足安全生產(chǎn)的需求，對于在用的火氣系統(tǒng)，要結(jié)合上述方面進行功能驗證，必要時進行改造，使之滿足要求。

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Method of the evaluation of fire, combustible gas and toxic gas system effectiveness in petrochemical industry

YAN Long1, YU Fang2, MOU Hongxiang1, WANG Haiqing2

(1.Sinopec, Qingdao Safety Engineering Institute,Qingdao 266071, China; 2.China University of Petroleum(East China), Safety Science and Engineering, Qingdao 266580, China)

Fire & Gas system, as a mitigation layer of safety instrument system, is important to mitigate the outcome of hazard. This paper combines risk concept with F&G system to quantify the frequency and consequences of accident and assess the effectiveness of F&G system. Case studies of specific risk scenarios are conducted, in which factors of coverage, availability and effectiveness are used for analysis.

Fire & Gas system; Effectiveness; Availability; PFD

2016-10-19；修改日期：2016-12-29

山東省自然科學(xué)基金(ZR2013EEM030)

嚴龍，1977，碩士，高級工程師，主要從事火氣檢測和功能安全的研究工作。

于芳, 495874852@qq.com

1004-5309(2017)-00122-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.09

X93; X932

A