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探討合成氨裝置安全儀表系統(tǒng)中的SIL評估

文檔作者：何雪華文檔來源：浙江工業(yè)大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月28日
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第5O卷第l期
2014年2月
石油化工自動化
AUT0MAT10N IN PETR()_CHEMICAL INDUSTRY
VoL 5O，No．1
February，2014
探 討合 成氨裝置安全儀表
系統(tǒng)中的SIL評估
何雪華
(浙江工業(yè)大學(xué)，杭州310014)
摘要：隨著化工裝置規(guī)模的不斷擴大以及控制水平的不斷提高，裝置的安全將更多地依靠安全儀表系統(tǒng)(SIS)進行保障。SIS
是一種安全保護系統(tǒng)，聯(lián)鎖的需求來源于多個方面，設(shè)備的可靠性是一個很重要的因素，需要對系統(tǒng)的安全完整性等級(SII )
進行評估。以典型合成氨裝置的SIS為例，依據(jù)IEC 61511標(biāo)準(zhǔn)對合成氨裝置的SIS進行定量分析。探討了合成氨裝置SIS定
量評估過程中風(fēng)險矩陣與控制，SIF識別， 與SIS的閥門共用等問題。
關(guān)鍵詞：合成氨裝置安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級功能安全
中圖分類號：X913．3；TE687．3 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1007—7324(2014)01—0017—03
Discussion on Safety Integrity Level Assessment of Safety Instrumented System
in Ammonia Synthesis Installation
He Xuehua
(Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310014，China)
Abstract：W ith the continual expansion of chemical industry installation and control 1evel
improvement，installation safety is relaying more and more on safety instrumented system (SIS)
for guarantee．SIS is one of safety protection system ，and the interlock requirement is from
multi—sections，and the equipment reliability is a key element． System safety integrity level
(SIL)needs to be evaluated．As an example，SIS quantitative assessment iS conducted for
typical ammonia production process following IEC 61511 standard． The issues of risk matrix
and controlling， identification of safety instrumented function (SIF) and valves sharing
between DCS and SIS are discussed as wel1．
Key words：ammonia synthesis installation；safety instrumented system ；safety integrity level；
safety function
安全儀表系統(tǒng)SIS(Safety Instrumented System)
是一種自動安全保護系統(tǒng)，是保證正常生產(chǎn)和人身、
設(shè)備安全必不可少的措施，已發(fā)展成為工業(yè)自動化
的重要組成部分。作為化工過程中安全的最后一道
屏障，SIS安全等級的高低直接影響流程工業(yè)的安
全。由于SIS在過程安全中的重要作用，國際著名
的石化公司均對重要裝置設(shè)立了SIS，并依據(jù)國際
標(biāo)準(zhǔn)對SIS的安全性開展了定量評估，取得了很好
的經(jīng)濟與社會效益。
筆者介紹了SIS安全完整性等級SIL(Safety
Integrity Leve1)評估技術(shù)在合成氨裝置中的實施
過程，并討論了相關(guān)的技術(shù)難點。該合成氨裝置采
用HT—L粉煤加壓氣化爐制粗煤氣，粗煤氣經(jīng)變
換裝置、低溫甲醇洗、液氮洗工藝精制出合成氨原
料氣，再經(jīng)補氮調(diào)節(jié)氫氮比約為3：1，壓縮至
15．0 MPa送人氨合成裝置。合成氨裝置在總控室
設(shè)置集散控制系統(tǒng)(DCS)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(ESD)，
其中包括3套聯(lián)鎖裝置，即開工加熱爐故障停車聯(lián)
鎖、氨分離器故障器停送液閥聯(lián)鎖和氨分離器故障
器停車聯(lián)鎖。
1 SIL評估技術(shù)簡介
國際電工學(xué)會于1999年和2003年分別制定了
用于對通用電力、電子及可編程器件進行定量安全
評估的IEC 61508 和專門用于對流程工業(yè)SIS進
行定量安全評估的IEC 61511l2J。中國于2007年和
2008年分別頒布了GB／T 20438-2006_3 和GB／T
稿件收到日期：2013—06—25，修改稿收到日期：2013—11—20。
作者簡介：何雪華(1971 )，男，浙江杭州人，研究方向為工業(yè)過程
自動化控制，任工程師。
l8 石油化工自動化 第50卷
21109-2007【 ，分別對應(yīng)IEC 61508和IEC
61511。
SIS作為流程工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的安全控
制裝置，其SII 要求與生產(chǎn)過程的風(fēng)險密切相關(guān)。
由于具有較大風(fēng)險的生產(chǎn)過程的風(fēng)險控制通常依
賴于SIS的SIL，因而SIS的SIL評估已越來越成
為流程工業(yè)所關(guān)注的焦點。SIS在流程工業(yè)生產(chǎn)
過程中的風(fēng)險控制功能如圖1所示。
必要的風(fēng)險降低數(shù)值
實際風(fēng)險降低數(shù)值
圖1 SIS在流程工業(yè)生產(chǎn)過程
風(fēng)險控制中的作用
風(fēng)險
增加方向
SII 是用來描述SIS運行安全性能的指標(biāo)，在
一定時問和條件下，SIS能成功地執(zhí)行其安全功能
概率，其數(shù)值代表著SIS使風(fēng)險降低的數(shù)量級。
SIS的功能安全技術(shù)，是通過對受控單元EUC
(Equipment Under Contro1)進行危險與后果分
析，確定正確的安全功能，進而選擇恰當(dāng)?shù)哪繕?biāo)
SII 。通過對SIS的功能安全水平實行測試、評估、
認(rèn)證等，可以把受控過程的風(fēng)險降到一個可接受的
水平。
2 合成氨裝置的815功能安全評估工作
由于評估的合成氨裝置是在用裝置，評估過程
如下：
1)收集合成氨裝置資料。收集合成氨裝置相
關(guān)工藝、設(shè)備、操作等相關(guān)資料。
2)制訂合成氨裝置的風(fēng)險矩陣。根據(jù)企業(yè)風(fēng)
險可接受程度，按照人員傷亡、經(jīng)濟損失和環(huán)境影
響制訂合成氨裝置的風(fēng)險矩陣。
3)裝置的定量風(fēng)險識別與分析計算。以國際
通用的安全風(fēng)險分析方法為依據(jù)，根據(jù)裝置的實際
情況，進行定量風(fēng)險評價。
4)識別安全聯(lián)鎖功能(SIF)、確定SII 。根據(jù)
功能安全要求和定量風(fēng)險評價結(jié)果，識別SIF并根
據(jù)風(fēng)險矩陣，確定相應(yīng)的SII 。
5)聯(lián)鎖回路安全等級計算。根據(jù)IEC 61511
和相關(guān)數(shù)據(jù)資料，對選定聯(lián)鎖回路，按照合適評定
計算方法，定量計算聯(lián)鎖回路的SIL。
6)SIS回路系統(tǒng)評定。根據(jù)可接受的風(fēng)險概
率和可接受的經(jīng)濟損失標(biāo)準(zhǔn)，評估合成氨裝置SIS
回路是否符合SIL的要求。
通過對該合成氨裝置的3套聯(lián)鎖裝置、11個
SIF進行SII 計算，滿足風(fēng)險矩陣要求的SII
要求。
3 SIL評估技術(shù)在化工行業(yè)應(yīng)用的探討
通過在用合成氨裝置的SIS功能安全評估，需
要對風(fēng)險控制，SIF識別，I)CS與SIS的共用問題
等進行探討。
3．1 風(fēng)險矩陣及控制
一般來說，裝置進行風(fēng)險評估所執(zhí)行的風(fēng)險矩
陣依據(jù)企業(yè)的事故管理規(guī)定而制訂，并參照國家法
規(guī)、賠償制度以及企業(yè)所在當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟水平根據(jù)
ALARP原則進行編制。風(fēng)險矩陣中對人員傷亡、
環(huán)境污染和經(jīng)濟損失的風(fēng)險分別進行認(rèn)定。以人
員傷亡控制為例，各個國家對各個行業(yè)的傷亡情況
的控制是不盡相同的，如荷蘭和香港的可接受風(fēng)險
水平存在明顯的差別，以發(fā)生事故死亡1O人為例，
荷蘭認(rèn)為1O 為其可允許的上限，而香港則是以
10 為其上限。這就說明各個國家和地區(qū)的風(fēng)險
控制水平是不盡相同的。而國內(nèi)石化行業(yè)的人員
死亡風(fēng)險控制水平與香港的人員死亡風(fēng)險控制水
平較為接近。
假設(shè)在SIL的評估中，采用較高標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)
的風(fēng)險矩陣，會使得整個裝置的SII 偏高。按照
該風(fēng)險矩陣設(shè)計建造的SIS，一方面會大幅提高裝
置的建設(shè)成本，另一方面在裝置的實際運行中也會
給裝置帶來很多的誤跳車，嚴(yán)重影響裝置的實際正
常運行。根據(jù)以往的安全完整性定量評估經(jīng)驗表
明[5j，一般情況下，“l(fā)ool”結(jié)構(gòu)的閥門執(zhí)行機構(gòu)在
SII 1左右；“l(fā)oo2”結(jié)構(gòu)的閥門執(zhí)行機構(gòu)在SII 2左
右，要使執(zhí)行機構(gòu)達到SIL3的水平，必須進行周
期性的測試。如果該測試是在線測試，就要求閥門
必須帶有智能限位器，一般大口徑的緊急切斷閥門
價格比較昂貴，而此類帶智能限位器閥門價格更是
普通閥門的2～3倍。因此，SII 需求的提高，將會
大幅增加裝置的建設(shè)成本。
綜上所述，提出合理的SII 要求是十分必要
的，要在保證安全的前提下，合理地進行設(shè)置，盡可
能地減少裝置成本和誤跳車的負(fù)面影響。無論從
安全的角度或全面資產(chǎn)管理的角度，都必須建立一
個合理的風(fēng)險控制矩陣。企業(yè)的風(fēng)險控制矩陣建
立過程如圖2所示。
第1期 何雪華．探討合成氨裝置安全儀表系統(tǒng)中的SII 評估
圖2 企業(yè)的風(fēng)險控制矩陣建立過程示意
3．2 SlF的識別
SIF是指具有特定SIL的安全功能，它既可以
是一個儀表安全保護功能，也可以是一個儀表安全
控制功能。根據(jù)IEC 61511，SIF是為了達到功能
安全所需的最少和充分的儀表，通常由傳感器、邏
輯求解器和最終元件(執(zhí)行機構(gòu))組成。每一個
SIF都有各自的SIL。因此，每一個SIF必須針對
一種特定的危險情況，預(yù)防特定的危險后果。而1個
SIS可由多個SIF組成，各SIF針對的危險情況不
同，所執(zhí)行的動作也不同。在復(fù)雜SIS中，對于
SIF的識別顯得更加重要。
IEC 61511第二部分的10．3．1節(jié)對SIF的充
分必要性進行了說明，指出SIF應(yīng)“通過測量哪個
參數(shù)來評估裝置的危險狀態(tài)”，應(yīng)“采取何種措施來
避免危險情況的發(fā)生”以及識別“采取何種措施對
于控制風(fēng)險具有輔助促進作用”。按照上述定義，
SIS中SIF的分析必須考慮SIS的充分必要性，即
必須識別何種措施對于避免裝置的危險后果是充
分的，即“Good to have”和識別何種措施對于避免
裝置的危險后果是必要的，可稱之為“Must have”。
SIS的失效概率及誤跳車的計算通常與連接
方式和功能有直接關(guān)系。不同的失效模式也會導(dǎo)
致計算方式的不同，對于冗余系統(tǒng)，指令模式失效
概率通常與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而誤跳車的計算則大多
與單個設(shè)備的失效模式有關(guān)。以“l(fā)oo2”的連接結(jié)
構(gòu)為例，PFD與MTTFS的計算并不總是依據(jù)設(shè)
備的實際連接方式。例如合成氨裝置中采用
“l(fā)oo2”的安全泄放裝置，當(dāng)容器內(nèi)的超壓達一定數(shù)
值時，通常應(yīng)立即打開安全閥進行泄放，以避免裝
置超壓和出現(xiàn)火災(zāi)等事故。當(dāng)危險情況出現(xiàn)時，
SIF需2只安全閥中的1只必須立即打開(Must
have)，最好是2只同時進行泄放，保證裝置內(nèi)的物
料向火炬系統(tǒng)安全排放(Good to have)。當(dāng)上述
危險情況發(fā)生時，其SIF成功執(zhí)行的計算方式為
“l(fā)oo2”。假設(shè)，這里有一種特殊工況，例如容器內(nèi)
部超溫起火，必須要2只安全閥同時進行排放，才
能滿足要求，則其功能安全成功執(zhí)行的計算方式為
“2002”。
3．3 DOS與SIS的閥門共用問題
目前，SIS與DCS存在一體化的問題。依據(jù)
IEC 61508／IEC 61511，SIS應(yīng)與DCS相互獨立，若
無法實現(xiàn)相互獨立，則DCS作為聯(lián)鎖最高可以達
到SILl。DCS強調(diào)的是過程調(diào)節(jié)，而SIS強調(diào)的
是隱性工作。DCS的現(xiàn)場設(shè)備(傳感器、執(zhí)行機
構(gòu))發(fā)生故障時通?？赏ㄟ^其他量反映出來，而
SIS的現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障時，一般無法通過其他量
反映出來，因而需要聯(lián)鎖動作，兩者對于設(shè)備可靠
性的存在具有較為明顯的差異。在有些情況下，將
DCS與SIS共用可能會存在一定的安全隱患。例
如，合成氨裝置中某塔底安裝有2只液位調(diào)節(jié)閥
(2條管線)，當(dāng)該塔出現(xiàn)液位過低時，需要切斷塔
底部的2只液位調(diào)節(jié)閥來保證液位不再繼續(xù)下降。
此時必須考慮：造成液位低低的原因極有可能是
這2只液位調(diào)節(jié)閥的其中1只，卡堵在一個開度較
大的位置，無法進行DCS的正常調(diào)節(jié)而導(dǎo)致塔內(nèi)
的液位走低，那么此時液位低低的信號再送到
SIS，通過SIS去切斷該閥門來保證液位不再下
降，其失效概率接近100 ，其后果很有可能是塔
內(nèi)的液位走空，高壓氣體串入低壓設(shè)備或管線導(dǎo)
致?lián)p壞。
4 結(jié)束語
SIF評估已越來越成為提高化工行業(yè)SIL水
平的重要手段，圍繞SIF評估頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已成
為推動流程工業(yè)SIF評估的重要力量。在國內(nèi)化
工行業(yè)中，SIS的設(shè)計和應(yīng)用還存在一定的盲目性
與誤區(qū)，如何采用科學(xué)的評估與分析手段對裝置
SIS開展SIF分析，提高SIS的安全性與合理性仍
是安全技術(shù)發(fā)展中亟待解決的問題。
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(下轉(zhuǎn)第42頁)
42 石油化工自動化 第5O卷
是射線檢測設(shè)備質(zhì)量驗收的重要依據(jù)，需要采用
質(zhì)量檢測器具進行客觀的測量，一般采用分辨率
測試卡來檢測圖像的分辨率。X射線圖像分辨率
是以能夠分辨清楚黑白相問線條的能力來表示
的。黑白相問的線條又稱為線對(1p)，一對黑白
相間的線條稱為1個線對。在單位寬度范圍內(nèi)
能夠分辨清楚的線對數(shù)越多，表示圖像越清晰，
單位為lp／mm。圖像分辨率測試采用GA一115
分辨率測試卡，共有17組不同間距的柵條，柵條
長度為15 mm，厚度為0．05 mm。每組柵條對應(yīng)
的線對數(shù)在0．8～5．0 lp／mm。圖像分辨率測試
過程如下：
1)將分辨率測試卡緊貼X射線數(shù)字探測器表
面，并使柵條方向與CMOS像元排列方向平行。
2)通過適當(dāng)調(diào)整X射線機曝光時間和電壓，
并適當(dāng)調(diào)整分辨率測試卡的方向，獲得對比度適當(dāng)
的X射線圖像。
3)移動分辨率測試卡在X射線探測器上的位
置，獲得不同柵條的圖像，用系統(tǒng)軟件對圖像進行
適當(dāng)?shù)奶幚恚⒃谄聊簧嫌^察圖像測試卡的影響，
觀察到柵條剛好分離的1組線對，即為該系統(tǒng)的圖
像分辨率。該X射線數(shù)字成像系統(tǒng)可以清楚地分
辨出5 lp／mm的柵條，超出了目前法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求
的3．0 lp／mm，達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。
6 X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的應(yīng)用
焊縫x數(shù)字成像設(shè)備在勝利油田利津煉油廠
輸油管線的焊縫檢測中得到了具體的應(yīng)用。通過
兩種檢測工藝實際的現(xiàn)場應(yīng)用對比，X射線數(shù)字成
像系統(tǒng)圖像質(zhì)量已經(jīng)達到傳統(tǒng)膠片照相水平，并且
檢測效率提高了幾倍，同時焊縫質(zhì)量信息實時成像
提高了無損探傷作業(yè)的自動化水平，重要的是減少
了化學(xué)藥劑對環(huán)境的污染和核輻射對操作人員的
輻射傷害。
7 結(jié)束語
焊逢無損檢測數(shù)字成像系統(tǒng)是適用于油氣管線
焊縫缺陷檢測的新型無損檢測數(shù)字成像設(shè)備。該技
術(shù)的應(yīng)用將有利于提高企業(yè)的技術(shù)水平，提高企業(yè)
的競爭力，同時將為石油石化新建管線和地面在用
工程項目提供清潔、高效的檢測技術(shù)保障 ，也可為
船廠和壓力容器制造等行業(yè)提供高效的解決方案。
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