浅析安全仪表系统实施过程中存在的问题及解决办法

孙来宝，刘岩

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071)

2014年，国家安全生产监督管理总局发布了《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》(安监总管三[2014]116号文)，为安全仪表系统(SIS)全生命周期提出了指导意见[1]。近几年来，炼油化工装置普遍开展了危险与可操作分析(HAZOP)，目前已经常态化，这对于炼油化工项目的安全认识和安全保障迈进了一大步。HAZOP分析后，往往要求设计相关的SIS。当基本过程控制层、警报与人员干预层等保护层均失效时，化工装置的安全就必须要由SIS来实现，SIS是独立的保护层，能使生产装置在处于危险运行时回到安全状态中。但如何设计SIS，所设计的SIS能达到的安全完整性等级(SIL)是多少，SIL等级如何确定，设计并实施后的SIS的SIL等级又如何进行确认和验证，都是设计SIS时不能回避的问题。

近几年执行的项目中，经常遇到如何进行SIL分析和定级、哪些仪表产品有SIL等级认证、如何验证所设计的SIS达到了所需要的SIL等级、老装置的SIS如何验证等问题。

1 SIS在设计和执行过程中的问题分析

笔者近几年在设计和项目执行过程中，针对SIS的应用总结出如下几个方面的问题：

1) 对相关规范认识不够。某项目经过设计、施工、投产、运行，还包括维护和管理等几方面，涉及的人员范围广，无论是哪方面的人员，目前都存在对规范认识程度不够的问题，特别是对GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》[2]和文献[1]中的要求认识不够，直接导致对SIS的SIL等级认识不足，有的甚至不管这些要求，所设计的SIS无法达到SIL等级要求。

2) 分析水平参差不齐。虽然现在炼油化工装置普遍开展了HAZOP分析，有的也进行了SIL分析，但其HAZOP分析和SIL分析的水平存在很多问题。主要存在以下几个方面：

a) 参加分析人员，特别是生产、运行和维护人员，对相关危险的认识程度不够，因担心分析结果要求过高时会导致对生产、运行和管理造成困难和麻烦，分析过程中存在故意降低要求，对该类安全认识不到位，存在为了分析而分析的问题较普遍。

b) 进行HAZOP分析和SIL分析的相关部门或机构水平参差不齐，对进行分析的部门和机构的资质和能力缺乏监管、约束或认证，分析机构为了效益，存在为了迎合相关人员或部门的要求，也为了顺利完成业绩，进行认证结果造假的问题，从而直接导致分析结果不准确。

c) 分析方法、分析软件来源不正规，某些进行分析服务的机构因成本问题，使用不符合规范的软件或分析方法进行分析。

3) 部分工程技术人员设计能力需要提高。虽然有文献[1]和文献[2]的要求，但仍有许多设计人员对SIS的知识欠缺，导致对SIS的设计无法准确把握，直接导致SIS的设计不可能满足SIL等级要求。

4) SIL证书的合规性辨识困难。随着安全意识的加强和安全仪表市场的需求，目前有许多仪表生产制造商的产品取得SIL认证，但其SIL认证的来源很多，有的是正规的证书，有的SIL证书仅有测试报告，且认证机构也是五花八门，这些因素造成了设计人员、采购人员及相关人员对SIL证书的辨识存在困难。

5) 维护管理水平不高。仪表SIL等级计算用的各项数据，是基于现场实际使用经验收集的现场数据，如需求时的危险失效概率(PFD)、不可检测的危险失效概率(λDU)、检测周期TI等、单位时间内的可靠性R(t)、安全故障系数(SFF)等，该类数据都可以根据现场实际使用经验经过统计、总结、归纳等得到。但目前，各企业的仪表维护水平还仅限于出现问题时的维修、维护等，缺乏对仪表各项使用数据的统计和总结，该问题导致目前采用的计算数据来源只能是SIL证书中的测试数据或相关数据公司提供的数据。

6) 相关职能部门引导不力。虽然目前出台了各项规范及相关法令，但很多从事SIS的人员，如设计、集成安装、维护、维修、SIL分析、SIL验证等，由于缺乏相关培训、解释条文或相关人员的资质认证，从而导致现阶段从事SIS相关工作的各类人员存在对规范及相关法令中的要求理解不够，执行不彻底的问题，导致最终的SIS的SIL等级不能达到要求。

2 解决措施

要保证SIS符合规范及政府法令的要求，针对以上问题，应做好以下几方面：

1) 认真学习相关规范、规定及有关政府法令。需要相关职能部门做好引导、指导工作，应组织好相关规范及有关政府法令的学习和培训工作，真正理解和掌握其中的要求和意义。特别是设计单位，对各类规范及相关法令的理解和掌握，有着得天独厚的条件，对学习、宣传、推广相关规范及相关法令有着重要的责任。

2) 对从事HAZOP分析、SIL分析和验证等工作的相关机构或公司做好管理工作，对他们的工作资质、工作质量进行监管和考核，并出台相关政策或法规，将监管工作落到实处，以保证SIS满足最终要求。

3) 对各类安全仪表，无论国产仪表还是进口仪表，都要进行确认，查实证书及相关数据，建立查验各类合规安全仪表的统一渠道或平台，杜绝各类非合规安全仪表的使用，为保证SIS的正确性保驾护航。并组织好合规的SIL证书认证机构和途径的宣传工作。

4) 使用SIS的大型企业或公司，应做好安全仪表相关数据的统计、总结工作，为自己企业的SIS的应用提供自己的使用数据。相关行业、协会组织也可以统计、总结自己的行业、协会的数据，为各企业、各行业的安全生产提供更可靠的、更真实的使用数据。

5) 建议各类从事安全仪表相关工作的人员应尽快提高自己的业务能力，做好相关证书的取证工作，如TÜV功能安全工程师认证等。

6) 从事安全仪表生产的各生产商，应通过合规途径对自己的产品进行SIL认证，保证用户能采购到合规的安全仪表，不能给安全生产留下隐患。

3 设计及验证举例

根据笔者多年的SIS工程设计实践，通过工程实例，向从事SIS的工作人员分享设计及验证方面的经验。

1) 设计。加氢装置高压分离器至低压分离器防串压的安全联锁要求如图1所示，根据HAZOP分析结果，需要设置如图1所示的安全联锁要求，符合要求的安全仪表功能(SIF)回路的全部组成如图2所示。接着进行SIL等级分析，根据保护层分析(LOPA)，分析出该SIF回路及其SIL等级为SIL2。通常石油化工工厂和装置的SIS是在低要求操作模式下运行，即动作频率不大于每年1次。在低要求操作模式时，SIF的SIL等级应采用平均失效概率(PFDavg)衡量，见表1所列。

由图2可知，根据表1，SIF回路的PFDavg的计算公式为

PFDavg=∑PFD变送器2+∑PFD安全栅2+

∑PFD逻辑运算器+∑PFD电源1+∑PFD电源2+

∑PFD继电器+∑PFD切断阀2

(1)

根据分析要求的SIL2等级，该SIF回路要求回路的PFDavg小于10-2，则得出该回路的每个元件或设备至少应为SIL2等级，即必须要求变送器、安全栅、继电器、逻辑运算器、电源、切断阀等的SIL等级都不能低于SIL2。现场变送器和切断阀满足SIL2或更高等级要求的产品成本较高。目前，安全栅、继电器、电源、逻辑运算器等均有SIL3的产品，且相比变送器和切断阀的成本均不高。实际设计中，一般要求安全栅、继电器、电源、逻辑运算器等为SIL3等级，以降低对变送器和切断阀的PFDavg值要求，从而达到降低变送器和切断阀的采购成本，也使得该SIF回路更容易实现SIL2的等级要求。

图1 高压分离器至低压分离器的安全联锁示意

图2 SIF回路组成示意

SIL等级低要求操作模式的PFDavg4≥10-5且<10-43≥10-4且<10-32≥10-3且<10-21≥10-2且<10-1

2) 验证。根据最终采购的仪表产品所提供的PFDavg，λDU及TI，如果计算出回路的PFDavg小于10-2达不到要求，则需分析该回路中哪个最制约回路的PFDavg值或SIL等级最低的仪表。如∑PFD变送器=9.5×10-3，则可以用以下方法解决： 更换更高SIL等级的变送器，如更换为SIL3等级；变送器采取冗余措施，增加1台变送器，设置2台变送器为“1oo2”表决方式，或增加2台变送器，设置3台变送器为“2oo3”表决方式。然后再计算回路的PFDavg值，若仍不能满足要求，则考虑提高切断阀的SIL等级为SIL3，或增加1台切断阀，设置2台切断阀为串联，“1oo2”表决方式。以此类推，以成本最低及实现的容易程度最低为原则，直到满足回路的PFDavg小于10-2为止，验证工作结束。

常用各种表决方式的计算公式为

(2)

(3)

2oo2：PFDavg=λDUTI

(4)

(5)

根据各表决方式的计算公式，如果式(2)～式(5)仍不能满足要求，还可考虑缩短检测周期TI，或采取其他表决方式，不再赘述。

4 结束语

安全问题“一票否决”机制，已经深入到任何行业，而SIS是保障工厂生产安全的一个非常重要的设施，安全仪表系统的设计、生产、采购、集成、施工、维护等高要求贯穿SIS的全生命周期，任何环节都不允许出现差错。以上总结的问题，任何一个环节都不能单独解决，需要齐心协力，各方配合，所有从事SIS工作的相关工作人员应为保证SIS在全生命周期内得到正确实施尽到自己的一份责任和力量。

参考文献：

[1] 安监局.第116号文《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》[EB/OL].(2014-11-13)[2017-11-20].http://www.china-safty.gov.cn/newpage/contents/channel_21111/2014/1119/243090/content_243090.htm.

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