基于安全仪表系统的安全完整性等级评估技术应用

吴冬玲

(上海石油化工股份有限公司 公用事业部，上海 200540)

基于很多典型的事故案例分析,表明了绝大多数事故的发生都与安全仪表系统(SIS)的设置有关，尽管大多数的石油化工装置均安装了一系列安全相关的仪表，当针对SIS设置的唯一性、合理性、有效性等条件出现问题时，SIS将失去作用，从而会造成灾难性事故的发生。因此，在石油化工企业中开展针对安全仪表功能(SIF)的安全完整性等级(SIL)评估工作，从而合理并有效地设置SIS，保障石油化工装置的安全运行，已经逐渐成为目前迫切需要解决的问题。

1　SIL评估技术

SIS是保证正常生产和人身、设备安全的必不可少的措施，如今已逐步发展成为工业自动化的一个重要组成部分。整个系统主要包括现场传感器、逻辑运算器和最终执行元件，可以检测生产过程中出现的或者潜伏的危险，并及时发出警告信息或直接执行相应的预定程序，从而有效地防止事故的发生，降低了事故带来的危害及其影响。

SIL是功能安全等级的一种划分，由每小时发生的危险失效概率来区分。按照IEC 61511的规定，SIL划分为4级，即SIL1～SIL4。SIF的SIL应该达到哪个等级，应由具体的风险分析确定，即通过分析风险后果严重程度、风险暴露时间和频率、不能避开风险的概率、不期望事件发生概率这4个因素综合得出。级别越高，要求其危险失效概率越低。

由于石油化工装置长周期运行及生产能耗的特殊性，设备及系统的故障极易引发一系列环境破坏、事故爆炸和人员伤亡等灾难，故基于SIL评估的结果，针对性地根据预期损害来选择配备相应设备的安全有效性极为重要。

2　应用实例

2.1　装置简介

某聚乙烯装置引进日本三菱油化公司超高压管式法专利技术，于1992年4月投产运行，设计能力为80 kt/a，能生产17个品种的产品，主要用于制造农膜、轻膜、电缆料以及其他诸多塑料制品。该装置具有高温、高压、高流速的特点，SIS必须具有高灵敏、高精度和自动联锁的特性，包括紧急程序A/B/C，分别设置在压缩和聚合工艺过程中，系统中的压力、温度一旦发生异常时，将根据预设程序动作。

2.2　评估原因分析

该聚乙烯装置的SIS改造后运行已超过7 a，联锁回路是否安稳运行对装置的可靠性和安全影响极其重大，如果联锁系统设计不当，一种后果是该跳车时不跳，造成拒动作；另一种后果则是不该跳车时跳车，造成误动作。拒动作会造成严重甚至灾难性的后果，而误动作的直接后果就是装置的非计划停车，从而造成生产企业巨额的经济损失。因此，对SIF进行SIL评估，对于减小事故或避免紧急事故的发生具有重要意义。

2.3　评估过程

评估步骤如图1所示，主要包括以下6部分。

1) 确定评估对象。SIL评估对象，可以是1台单独的设备、1台机械，或装置的某个生产部分，甚至是整个装置，该装置的SIL评估包含了7个子系统。

图1　SIL评估程序示意

2) 过程危险与风险分析。在进行定量安全评估过程中，重点针对的是联锁系统失效后的严重性，如联锁失效所容易导致的人员伤亡、重大财产经济损失及严重的环境影响。主要涉及该装置运行及其相关控制设备中存在的危险及危险事件，可能导致危险事件的联锁控制顺序，联锁系统内与特定危险事件相关联的风险及降低风险的要求。同时，针对危险的识别主要涉及该装置的物料属性，联锁程序的运行及维护，装置开车、停车、维护等异常操作下对SIS的影响，人工误操作对SIS可能导致的影响，SIS安装过程的复杂性与规范性所带来的影响，危险识别后进行保护的过程中可能带来的其他相关影响。

3) 可接受风险的标定。在完成该装置的SIL是否能够满足相应的安全要求及检测联锁功能的误跳车概率的SIL评估目标之前，必须建立相应的可接受风险的标准，从而确定何种风险应该达到的SIL等级。

4) SIF的选定。SIL定量安全评估的实际对象则为SIF，1个SIF针对1个危险工况，预防1个危险后果，每个SIF针对的危险情况是不同的，其所执行的相应联锁动作亦不同。在评估过程中，主要选定适用于特定风险保护，且在SIS中应该执行的，但又无法实现最低SIL要求的功能。

5) SIF的失效后果及失效概率计算。主要根据联锁设备的使用场所、使用方法、使用环境及维护方法等，结合一定的灾害模型及事故树或过程，对设备的平均危险失效概率及联锁系统运行的误跳车进行相应计算，得出SIF可能失效的概率及失效后可能发生的某些后果。

6) SIF的SIL等级评估及改进措施。即根据此次评估过程及结果分析，按照相应的可接受风险标准，判断SIF是否满足了一定的安全要求，并对无法满足安全要求的SIF提出合理可行的改进措施，对误跳车概率过大的SIF提出相应的改进方案，最终得出该装置每个SIF的SIL等级。

3　评估内容

该装置的主要生产流程由压缩单元、聚合反应单元、高/中/低压循环单元、挤出造粒单元及风送单元组成，因而评估范围共涉及7个装置： 前段压缩机，后段压缩机，主流预热器及侧流交换器，反应器，高/低压制品分离器，脱气混合槽，高压油压阀及管路。

1) 前段压缩机。前段压缩机共分为5段，从低压循环系统来的乙烯原料经过前段压缩机的前二段升压，其中90%的原料同来自乙烯厂的新鲜乙烯一起进入第三段，从第二段出来的剩余10%的原料作为返回气体送回乙烯厂。前段压缩机的后三段有2条独立的相同流量的气体通道，将新鲜乙烯低压循环气、引发剂空气和调整剂丙烯压向后端压缩机。

2) 后段压缩机。从前段压缩机和高压循环气系统来的组分分成主流和侧流两部分，在后段压缩机经过二级压缩，主流进入第一反应器，侧流经过侧流热交换器进入第二反应器。

3) 主流预热器及侧流交换器。主流气体在第一预热器A中用500 kPa蒸汽加热到130 ℃，然后在第一预热器B中用中压蒸汽再加热到约175 ℃，达到聚合引发反应的温度；侧流气体则调节到100～150 ℃，在混合点与未反应的气体及聚合物混合后温度达175～195 ℃，一起进入第二反应器。

4) 反应器。反应系统由第一预热器、第一反应器、第二反应器、第三反应器及侧流热交换器组成，聚合压力的控制由反应器出口的1个减压阀承担，经第一反应器、第二反应器和第三反应器的三段反应，使进气的22%～27%转化为聚合物。

5) 高压制品分离器。从后冷却器出来的聚合物和其他的混合物进入高压制品分离器，分离出气体和聚合物，气体作为高压循环气从分离器顶部出来，进入高压循环气第一冷却器，聚合物则从高压制品分离器底部经产品管线进入低压制品分离器。其中，高压制品分离器料位由产品阀和高压制品分离器伽玛射线液位计控制。

6) 脱气混合槽。一次造粒后的产品经过凑齐、混合送到产品储槽，而其他系列产品则经过二次造粒后进入产品储槽，最后送产品包装。在中央粉尘收集系统中，储槽内的压力经常变化。

7) 高压油压阀及管路。液压油装置主要用于保障在装置生产运行过程中高压阀的正常工作。

4　异常因素评估

经过对系统所涉及的工艺单元及运行设备的危险性分析，发现在装置运行过程中各类联锁单元均存在一定的异常因素，如传感器断电、线圈损坏、电磁阀损坏、电磁干扰等设备故障引起的可检测性故障和不可检测性故障，而这些因素极有可能在一定程度上造成一些运行风险，并影响装置的安全、稳定生产，见表1所列。

5　评估结果分析

1) 经过针对该装置SIS涉及的工艺单元及应用设备进行了危险与可操作性分析，对SIS所保护对象的危险性进行分析和系统应用的充分必要性进行分析，提出了SIS的改进建议及措施；同时依据合理可行的原则，结合具体情况提出了该装置SIL等级要求。

2) 通过对该装置评估范围内的7个联锁子系统进行定量的分析计算，提出了一系列改进措施。风险分布情况及统计结果显示出前段压缩机、脱气混合槽等对安全影响较大的设备或系统，存在一定的安全改进空间。

3) 针对该装置评估范围内7个联锁子系统中联锁回路的误跳车进行分析和评估，发现约57%的联锁回路存在误跳车或可进行误跳车改进的情况。其中反应器的误跳车问题比较突出，机组、高低压制品分离器、脱气混合槽、高压油压阀及管路系统等都存在值得警告的误跳车问题。

4) 依据此次评估结果，计算联锁安全与误跳车的预期改进效益及改进后的SIL，均能满足企业生产的风险要求。联锁改进前后的安全及误跳车情况对比见表2所列。

表1　装置异常因素

表2　改进前后的安全及误跳车情况

通过以上的评估分析，对于现有装置的运行条件而言，可以为现有维护方法的确立提供相应的理论依据，可以降低维护实施过程中不必要的成本浪费，更可以为装置今后的运行改造提供一定的设计依据。

6　结束语

联锁回路安全和误跳车分析是石油化工行业

新兴的安全保障机制，SIL技术的定量安全评估为装置的联锁回路优化改进起到了重要的指导作用，合理并有效地设置安全的仪表设备与系统的应用，可以实现仪表设备与系统的功能安全，对于提升企业的安全水平及提高企业的经济效益具有重要的促进作用，更加能够有效地保障石油化工装置生产运行的整体安全性。

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