LOPA在化工安全儀表系統(tǒng)SIL定級(jí)中的應(yīng)用

謝強(qiáng) (中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司安全環(huán)保部，廣東 茂名 525011)

0 引言

安全控制系統(tǒng)在化工行業(yè)不斷地被推廣應(yīng)用，得到了我國(guó)化工企業(yè)的廣泛認(rèn)可及應(yīng)用。但是在安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)以及管理階段，仍然存在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的分析不足、選擇不當(dāng)以及冗余不合理等的問題。2014年，安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)化學(xué)安全儀表系統(tǒng)管理的通知》，要求通過過程危險(xiǎn)性的分析，充分認(rèn)識(shí)和了解化學(xué)安全儀表系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，明確了科學(xué)的HAZOP安全儀表系統(tǒng)的技術(shù)要求，及有效識(shí)別、分析設(shè)備的不同風(fēng)險(xiǎn)，提出降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。

1 安全儀表系統(tǒng)的SIL級(jí)

安全儀表系統(tǒng)獨(dú)立于正常生產(chǎn)過程中處于休眠或靜止?fàn)顟B(tài)的過程控制系統(tǒng)(如集散控制系統(tǒng)等)。如果生產(chǎn)裝置或設(shè)施出現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生安全事故的現(xiàn)象，可以立即準(zhǔn)確地采取補(bǔ)救的措施，安全地停止生產(chǎn)過程的運(yùn)行，或者自動(dòng)地進(jìn)入到預(yù)定的安全狀態(tài)。依據(jù)故障后果和風(fēng)險(xiǎn)，把安全儀表的功能劃分為四個(gè)完全不一樣的安全完整性等級(jí)閾值1-4，最高等級(jí)是4。不同等級(jí)的安全儀表電路對(duì)調(diào)試、安裝、設(shè)計(jì)、運(yùn)行以及維護(hù)有不同的技術(shù)要求。

2 保護(hù)層的分析

事故后果的嚴(yán)重程度通常是及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)救的根據(jù)，例如，它可以造成損害或環(huán)境的影響，但其發(fā)生的頻率還在不斷的變化中，人們承受著不同頻率事故的能力也是各有不同的。保護(hù)層防護(hù)的分析(LOPA)是一種基于定性危害分析的風(fēng)險(xiǎn)決策系統(tǒng)，用于評(píng)價(jià)保護(hù)層。其主要目標(biāo)是為可以確定是否有著足夠的保護(hù)層來滿足企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)。半實(shí)物風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估是一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，主要是基于對(duì)各保護(hù)事故現(xiàn)場(chǎng)失效概率分布的假設(shè)?，F(xiàn)有的安全風(fēng)險(xiǎn)程度可以通過具體的數(shù)學(xué)計(jì)算出來。安全儀表的功能(SIF)是典型的化工過程的保護(hù)層之一。其級(jí)別在降低風(fēng)險(xiǎn)里面的作用通常是確定的。從設(shè)計(jì)的角度來看的話，如果降低的風(fēng)險(xiǎn)仍然是不能接受的，我們還需要采取額外的保護(hù)措施，主要是通過加強(qiáng)安全儀表SLL的功能。提高安全自動(dòng)控制系統(tǒng)水平也是規(guī)范性文件的要求。

3 應(yīng)用實(shí)例

防護(hù)層分析在日益廣泛地被應(yīng)用開來，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布了《防護(hù)層分析方法應(yīng)用指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)，明確了防護(hù)層分析的基本程序。我們依據(jù)指南的原則，選擇最為合適的硅烷生產(chǎn)裝置產(chǎn)品罐的工藝流程，并對(duì)LOPA的具體應(yīng)用進(jìn)行了一個(gè)全面的分析。LOPA的分析是基于HAZOP分析的結(jié)果。初始事件閥fv176001安全柵，獨(dú)立響應(yīng)報(bào)警和員工保護(hù)，需要對(duì)10個(gè)故障概率(PFD)列表，故障后果頻率x10～25，建議LPL有兩個(gè)，一個(gè)是增加安全儀表功能，二是增加安全救援的措施(PFD)10，安全放行后剩余風(fēng)險(xiǎn)頻率為2.5x10～仍大于可接受水平(風(fēng)險(xiǎn)和頻率需降低至10和5以下)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，我們可以得知安全的儀表增加的停電概率應(yīng)該要小于0.4，建議以安全儀表增加的功率為閾值。

4 注意事項(xiàng)

4.1 數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)的一致性很重要

當(dāng)HAZOP分析結(jié)果存在重大風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)候，可進(jìn)行LOPA的分析。一些現(xiàn)在就存在著的風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)措施包括安全儀表系統(tǒng)，或者需要附加的安全儀表功能電路。其主要目標(biāo)是為可以確定到現(xiàn)有的安全儀表功能電路的SIL電平以及是否需要額外的SLS保護(hù)，并確定附加SIS保護(hù)的SLL。Sll是安全儀表系統(tǒng)安全性能的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。LOPA是一種半定量分析的方法，可以通過評(píng)價(jià)和數(shù)學(xué)計(jì)算從而得到一個(gè)最終的結(jié)果。所以，在不同的場(chǎng)景下，保護(hù)層失效概率、初始事件頻率以及風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選擇一定要始終都保持一致。在L1OPA的過程里面，確定一個(gè)有效的獨(dú)立保護(hù)層是非常重要的。單獨(dú)的保護(hù)層可以防止場(chǎng)景發(fā)展成意想不到的結(jié)果，與場(chǎng)景的初始事件或設(shè)備、系統(tǒng)或動(dòng)作的其他保護(hù)層無關(guān)。最初的事件是調(diào)節(jié)器fv176001的故障。增加的SIS保護(hù)是提高液位的作用，同時(shí)還要鎖定好e-17603的開關(guān)閥hv176004。相反，如果e-17603的高聯(lián)鎖設(shè)置為關(guān)閉到調(diào)節(jié)器的fv176001，則似乎也設(shè)置成了一個(gè)聯(lián)鎖，但因?yàn)槁?lián)鎖不獨(dú)立于初始事件(fv176001的故障)的原因，聯(lián)鎖已經(jīng)不能在用作單獨(dú)的保護(hù)層。

4.2 NL險(xiǎn)分析結(jié)果的影響

對(duì)保護(hù)層分析小組來說，分析的過程里面出現(xiàn)的錯(cuò)誤結(jié)果需要重新分析，造成重復(fù)工作的浪費(fèi)。如果初始事件的結(jié)果被判斷為有偏差，則最終添加的安全儀表的SIL可能過高或不足。當(dāng)使用風(fēng)險(xiǎn)表確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的三個(gè)hi后，通過定性分析確定后果等級(jí)。然而，除了IE的典型頻率外，后果的頻率還受到其他因素的影響，如火源概率以及危險(xiǎn)后死亡概率等。所以，修正值的合理確定可能會(huì)影響到分析的準(zhǔn)確性。這些數(shù)據(jù)的大部分來源都是在大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的推薦參考值里得來的，大部分都在一定的范圍之內(nèi)。所以，在實(shí)際的應(yīng)用里面應(yīng)該有一個(gè)可以確定到上述數(shù)據(jù)的原則。在進(jìn)行分析之前，一定要和企業(yè)或項(xiàng)目建設(shè)單位就知識(shí)產(chǎn)權(quán)的頻率值、產(chǎn)品功能展開度和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣達(dá)成一致。如果企業(yè)可以確定到控制回路使用某品牌的可靠?jī)x表，且儀表的供應(yīng)商能夠提供到一個(gè)具體的故障頻率，則在分析的過程里面的儀表控制回路的發(fā)生故障頻率可能相對(duì)的比較低；如果在控制回路中選擇的儀表比較低端的話，一般可靠的頻率可以是10甚至1。在沒有任何特殊要求的情況下，可以選擇把推薦數(shù)據(jù)區(qū)間的中間值作為分析的一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 SIL等級(jí)與保護(hù)層的基本內(nèi)涵分析

5.1 安全儀表系統(tǒng)SIL等級(jí)

以集散控制系統(tǒng)為代表的過程控制系統(tǒng)與安全儀表系統(tǒng)有著明顯的區(qū)別。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備及其他相關(guān)設(shè)施出現(xiàn)異常運(yùn)行或安全故障的時(shí)候，安全儀表系統(tǒng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速準(zhǔn)確地動(dòng)作，及時(shí)停止生產(chǎn)過程的運(yùn)行，或自動(dòng)將生產(chǎn)過程導(dǎo)入已建立的安全狀態(tài)。依據(jù)安全儀表的功能，在正常情況下，其功能可分為四個(gè)層次。根據(jù)安全完整性，可分為sil1、 sil2、sil3和 sil4。依據(jù)等級(jí)，對(duì)sil1、sil2、sil3以及sil4保密安全儀表電路的設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試也有具體的技術(shù)要求。

5.2 保護(hù)層的基本內(nèi)涵

通常在化工的過程里面，保護(hù)層不僅會(huì)包括安全設(shè)計(jì)和BPCS基本過程控制系統(tǒng)和安全儀表功能，還包括安全閥的物理保護(hù)和釋放保護(hù)設(shè)施，如報(bào)警和干預(yù)。保護(hù)層的基本作用是有效規(guī)避事故的風(fēng)險(xiǎn)。在保護(hù)層的分析里面，定性危害分析主要用于準(zhǔn)確判斷保護(hù)層是否有效，從而做出科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)決策。LOPA的保護(hù)層分析是一種比較簡(jiǎn)單的半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一個(gè)方法?？梢酝ㄟ^假設(shè)事故現(xiàn)場(chǎng)各種防護(hù)措施失效的概率分布，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，準(zhǔn)確把握安全措施，降低風(fēng)險(xiǎn)，從而有效的防止到因?yàn)榉雷o(hù)不足或過度的情況。

6 在儀表安全度等級(jí)評(píng)定方面的應(yīng)用

6.1 應(yīng)用案例

在HAZOP的分析里面，針對(duì)具體合格的硅烷排放流量的數(shù)據(jù)和下游蒸發(fā)器液位在規(guī)定范圍內(nèi)，但造成嚴(yán)重的氣液沖擊損失這一案例查找原因，這是因?yàn)殚y門fv176001故障造成的，此時(shí)觸發(fā)下游蒸發(fā)器液位報(bào)警裝置，然后發(fā)出高液位的報(bào)警。依據(jù)具體報(bào)警的信息，及時(shí)鎖定閥門，關(guān)閉閥門，在氣相管道的相應(yīng)位置設(shè)置泄壓閥，放空火炬。依據(jù)HAZOP分析結(jié)果和LOPA技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，以fv176001閥門失效為初步的事件，分別選取10-1為發(fā)生頻率和失效概率。報(bào)警和人因響應(yīng)是獨(dú)立的保護(hù)層，狀態(tài)校正結(jié)果的頻率設(shè)置為2.5×10-3。分析表明，故障不僅會(huì)導(dǎo)致閥門液位超過規(guī)定限值，損壞氣相管道的流體，還會(huì)導(dǎo)致硅烷泄漏、火災(zāi)甚至爆炸等的嚴(yán)重后果。在LOPA技術(shù)的應(yīng)用下，條件修正的概率為1，人體暴露和死亡的概率為0.5。除了安全儀表的功能之外，推薦的IPL還包括1×10-2pfd下的適當(dāng)安全泄放措施。PFD所計(jì)算出來安全救援剩余風(fēng)險(xiǎn)的頻率是2.5×10-5，這高于了企業(yè)可以接受的風(fēng)險(xiǎn)頻率。新的安全儀表功能失效的概率不可以超過0.4。建議使用sil1作為附加的安全儀表功能。

6.2 注意事項(xiàng)

LOPA是一種半定量分析的方法。技術(shù)人員一定要使用一個(gè)準(zhǔn)確合理的定量數(shù)據(jù)，這樣才可以確保到LOPA分析能夠準(zhǔn)確性以及合理性。在使用LOPA技術(shù)的過程中，首先要保證保護(hù)層的獨(dú)立性和有效性。例如，在如下情況下：調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障。對(duì)一些初始的事件，高聯(lián)鎖開關(guān)閥hv176004設(shè)置在蒸發(fā)器的下游。SIS保護(hù)的增加，在進(jìn)入蒸發(fā)器的給水管道上同時(shí)設(shè)置了開關(guān)閥和控制閥，使得SIS保護(hù)作為保護(hù)層具有良好的獨(dú)特性。如果在下游蒸發(fā)器液位處設(shè)置高液位聯(lián)鎖，以關(guān)閉調(diào)節(jié)器，盡管它似乎已設(shè)置，但不能用作單獨(dú)的保護(hù)層，因?yàn)槁?lián)鎖與初始事件無關(guān)。另外，依據(jù)LOPA技術(shù)的特點(diǎn)，需要依靠評(píng)價(jià)方法和數(shù)學(xué)計(jì)算得出最終結(jié)果。因此，在選擇初始事件頻率、風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)候，一定要保證場(chǎng)景數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的高度一致性。最后，要注意數(shù)據(jù)的來源，即在化工儀表安全等級(jí)評(píng)定的過程里面，運(yùn)用LOPA的技術(shù)，分析風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，確定典型頻率下的ie值等，這些都需要明確的數(shù)據(jù)來確定。如果沒有特殊的要求，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，選擇中間值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和效率。

6.3 定量數(shù)據(jù)的合理選擇

在LOPA的實(shí)際應(yīng)用里，技術(shù)人員不僅要遵循《保護(hù)層分析方法應(yīng)用指南》提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)范圍，同時(shí)還要結(jié)合到化工企業(yè)的實(shí)際情況，這樣才可以確保LOPA分析的規(guī)范性以及有效性。以指南中規(guī)定的典型儀表控制電路的故障參數(shù)為例子，如果控制電路故障的頻率可以在1-10-2范圍之內(nèi)的話，如果化工企業(yè)能從儀表供應(yīng)商處獲得儀表故障的頻率，同時(shí)儀表的可靠性會(huì)比較高，則技術(shù)人員應(yīng)該要選擇到10-2作為故障的頻率。如果儀器的可靠性比較低，技術(shù)人員應(yīng)該要選擇10-1或1作為故障的頻率。在使用LOPA對(duì)化學(xué)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行SIL分級(jí)的時(shí)候，技術(shù)人員一定要需要注意到獨(dú)立保護(hù)層的有效性、定量數(shù)據(jù)的合理選擇和危險(xiǎn)性分析的準(zhǔn)確性。在LOPA分析的過程里面，我們要合理設(shè)置獨(dú)立的保護(hù)層，這樣可以有效防止場(chǎng)景發(fā)展成一個(gè)意外的結(jié)果，保證初始事件獨(dú)立于其他場(chǎng)景、設(shè)備和操作。技術(shù)人員采取的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施與初始事件的失敗無關(guān)，可作為獨(dú)立的保護(hù)層。對(duì)于按SIL分類的化學(xué)安全儀表系統(tǒng)，名稱的應(yīng)用是基于定性風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致名稱問題分析影響風(fēng)險(xiǎn)概率數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致技術(shù)人員返工，對(duì)SIL水平產(chǎn)生負(fù)面影響。所以，技術(shù)人員需要確保危害分析的準(zhǔn)確性，這樣才可以提高到SIL分類的合理性以及準(zhǔn)確性。

7 結(jié)語

綜上所述，建立合理的安全儀表系統(tǒng)對(duì)石化裝置的安全設(shè)計(jì)起到直接的影響。所以，在設(shè)計(jì)的過程中，工作人員應(yīng)該要驗(yàn)證安全儀表系統(tǒng)，明確設(shè)置的安全等級(jí)，降低事故風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到要求的安全等級(jí)，這樣才可以使得LOPA技術(shù)能夠充分發(fā)揮出有效性。