電解裝置安全儀表系統(tǒng)的SIL定級(jí)

夏剛

(中石化江漢鹽化工湖北有限公司，湖北 潛江 433123)

1 基本情況

中石化江漢鹽化工湖北有限公司(以下簡(jiǎn)稱“江漢鹽化工”)是江漢油田綜合開發(fā)利用地下鹽鹵資源而興建的綜合性化工企業(yè)。江漢鹽化工具備60萬t/a鹽硝聯(lián)產(chǎn)、20萬t/a離子膜燒堿、6萬t/a鈉法漂粉精和3萬t/a強(qiáng)氯精的生產(chǎn)能力，產(chǎn)品主要有工業(yè)鹽和食用鹽、離子膜燒堿和液氯、漂粉精和強(qiáng)氯精等3個(gè)系列10多個(gè)品種。

江漢鹽化工電解V裝置產(chǎn)能為4萬t/a,由I槽、J槽電解單槽組成，采用藍(lán)星(北京)化工機(jī)械有限公司電解槽工藝，于2011年4月20日投產(chǎn)。電解工藝是國(guó)家首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝，為滿足安全管理的相關(guān)要求，江漢鹽化工對(duì)電解V裝置開展了裝置聯(lián)鎖回路的SIL評(píng)估工作，為后期電解裝置配置獨(dú)立的SIS系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

SIL定級(jí)方法有風(fēng)險(xiǎn)圖法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法和保護(hù)層分析法，此次對(duì)電解V裝置進(jìn)行SIL定級(jí)采用的方法是保護(hù)層分析法(LOPA)。

2 SIL評(píng)估基本情況

2.1 評(píng)估目的

SIL定級(jí)是在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，對(duì)分析范圍內(nèi)帶控制點(diǎn)的工藝流程圖(PID)的安全設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，針對(duì)潛在的危害嚴(yán)重性事件，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的可接受性，對(duì)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估，能對(duì)誤操作的后果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和防范建議，繼而確定整個(gè)回路的安全儀表完整性等級(jí)要求[1]。

2.2 評(píng)估方法

保護(hù)層分析(LOPA)技術(shù)是在危險(xiǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)估事故場(chǎng)景中保護(hù)措施的有效性，確保事故場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)減少到可接受水平的一種方法，其典型的分析方法如圖1所示。

IPL表示有效的獨(dú)立保護(hù)層；PFD表示獨(dú)立保護(hù)層的失效概率圖1 典型的LOPA分析圖Fig.1 Typical LOPA analysis chart

LOPA典型分析步驟為：①識(shí)別后果，篩選場(chǎng)景，②選擇一個(gè)原因/后果場(chǎng)景；③識(shí)別場(chǎng)景初始事件，并確定初始事件的頻率，④識(shí)別獨(dú)立保護(hù)層(IPL)，評(píng)估每個(gè)IPL的需求時(shí)的失效概率(PFD)；⑤計(jì)算初始事件減緩后的發(fā)生頻率，根據(jù)后果和發(fā)生的頻率評(píng)估場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)；⑥進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

獨(dú)立保護(hù)層(IPL)：能夠阻止場(chǎng)景向不期望后果發(fā)展，并且獨(dú)立于場(chǎng)景的初始事件或其他保護(hù)層的一種設(shè)備、系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)。

要求時(shí)的失效概率(PFD)：系統(tǒng)要求獨(dú)立保護(hù)層起作用時(shí)，獨(dú)立保護(hù)層失效，不能完成一個(gè)具體功能的概率。

平均誤動(dòng)作停車時(shí)間間隔(MTTFS):MTTFS代表了因SIF回路中任一元件的安全失效所導(dǎo)致裝置的誤停車。

2.3 SIL定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

SIL定級(jí)依據(jù)《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》(GB/T 20438—2017/IEC 61508—2010，IDT)，標(biāo)準(zhǔn)將安全完整性等級(jí)(SIL)定義為4個(gè)等級(jí)，即SIL1～SIL4。

SIL4對(duì)應(yīng)的安全儀表系統(tǒng)等級(jí)最高，要求安全儀表系統(tǒng)能將該SIF回路降低4個(gè)數(shù)量級(jí)，SIL1對(duì)應(yīng)的安全儀表系統(tǒng)等級(jí)最低，要求安全儀表系統(tǒng)能將該SIF回路降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。表1給出了低要求模式下SIL等級(jí)所對(duì)應(yīng)的需求時(shí)的失效概率PFD范圍及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低因子(Risk Reduction Factor)RRF范圍。

表1 安全完整性等級(jí)對(duì)低要求操作模式下的失效概率要求Table 1 failure probability required by safety integrity levelin the case of low demand operation mode

SIL驗(yàn)證是評(píng)估每一個(gè)SIF回路的結(jié)構(gòu)約束與要求時(shí)失效概率(PFDavg)是否滿足SIL等級(jí)的要求，并滿足相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)SIF回路的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)每一SIF回路的PFDavg、RRF和結(jié)構(gòu)約束進(jìn)行評(píng)估。驗(yàn)證SIF回路是否能夠達(dá)到目標(biāo)SIL等級(jí)的要求。

3 SIL定級(jí)結(jié)果

采用LOPA分析方法對(duì)江漢鹽化工電解V裝置開展了SIL定級(jí)，每條安全儀表功能回路的傳感單元、執(zhí)行單元、安全儀表功能等信息均被識(shí)別出來,并且每條安全儀表功能回路對(duì)安全儀表系統(tǒng)在安全方面、環(huán)境方面和財(cái)產(chǎn)損失方面要求的安全完整性等級(jí)及最終要求的安全完整性等級(jí)也被確定出來。

表2列出了電解V裝置部分回路的SIL等級(jí)。

表2 電解V裝置部分回路SIL分級(jí)一覽表Table 2 SIL grading of some circuits for electrolytic device V

采用Markov模型[2]對(duì)電解V裝置SIF回路的結(jié)構(gòu)約束和要求時(shí)的失效概率進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，驗(yàn)證過程中部分參數(shù)設(shè)置如下:操作模式為低需求模式，設(shè)備使用壽命為10年，檢驗(yàn)測(cè)試周期為3年，故障修復(fù)時(shí)間MTTR定為8 h。表3列舉了等級(jí)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

表3 電解V裝置部分回路SIL驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果Table 3 SIL verification calculation results of some circuits for electrolytic device V

表3表明：在現(xiàn)有的配置條件下，分析的6條回路均滿足目標(biāo)SIL定級(jí)要求。

4 結(jié)語

(1)采用LOAP分析方法對(duì)江漢鹽化工電解V裝置開展了SIL定級(jí)，為下一步電解V裝置配置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)(SIS)提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

(2)對(duì)定級(jí)回路開展了SIL等級(jí)驗(yàn)證，結(jié)果表明，在現(xiàn)有的配置條件下，各回路均滿足SIL定級(jí)要求。

(3)通過對(duì)電解裝置各回路進(jìn)行SIL定級(jí)，能有效地發(fā)現(xiàn)電解裝置中儀表系統(tǒng)配置存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出針對(duì)性的解決措施，從而提高裝置的本質(zhì)安全水平，為裝置的安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。