安全完整性等级（SIL）验证计算在石油化工装置中的应用

陈泽俊

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

安全完整性等级（SIL）验证计算在石油化工装置中的应用

陈泽俊

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

安全完整性等级（SIL）的评估近年来在石化行业越来越受到重视，而对于在确定SIL等级后如何对其进行验证也显得尤为重要。以某石油化工装置为载体，利用可靠性框图的方法对安全完整性等级的计算与验证过程进行介绍，并通过计算所得出的结果，为装置安全功能的优化提供理论依据。

安全完整性等级（SIL）验证；可靠性框图（RBD）计算；安全仪表功能（SIF）

安全完整性等级（SIL）是安全仪表系统（SIS）中的重要组成部分，可通过过程安全保护层分析（LOPA）、风险矩阵等方法对SIL等级进行评估和确定，但在对于确定SIL等级后，如何对每个安全仪表功能（SIF）是否满足该SIL等级的要求进行验证，相关论述较少。一般要等到确定采购设备厂商反馈相关参数数据后，才能对安全仪表回路的安全完整性等级进行验证，而这个时候再根据验证结果，对设计进行修改往往很难实现。本文依据EXIDA数据库[1]，在未购买设备时，对安全仪表回路的SIL等级进行事先验证和改进，从而减少对项目后期的影响。

1 安全完整性等级验算的流程

见图1，首先判断SIF回路的关键，并绘制可靠性框图（RBD），再按照RBD图的配置计算该SIF的平均失效概率（PFD），最后判断计算结果是否满足SIL要求，并提出改进建议。

1.1 识别配置中的关键元件

可靠性框图（RBD）是一种传统的可靠性分析方法，它用图形的方式来表示系统内部元件的传递过程，显示了相关元件的串并联关系，具有简单、清楚、直观的特点。一个安全仪表回路主要由触发器、逻辑控制单元和执行机构三部分组成。图2是由三个触发器（A、B、C）、一个逻辑控制单元（D）和两个执行元件（E、F）构成的安全仪表回路的典型RBD图。[2]

图1 安全完整性等级验算的流程Fig.1 Steps of SIL calculation

图2 典型可靠性框图Fig.2 RBD of a whole safety loop

在因果连锁图中，有些执行动作是用于生产需要，而非为安全仪表功能设计，并不影响整个安全仪表功能的完成。在绘制RBD图之前，必须识别出这些非关键执行机构，并在RBD图和SIL计算中去除，该工作可以在SIL评估中进行。[1]

某反应器进料温度高高连锁在因果图中的描述如表1所示。

表1 某安全仪表连锁因果描述Tab.1 Example of cause & effect description

经识别，执行器XV 10101/XV 10102、XV 10301/XV 10303、XV 10307/XV 10309、XV 70101/XV 70103为关键执行机构，绘制的RBD图如图3所示。

图3 某安全仪表功能实际可靠性框图Fig.3 Example of a reliability block diagram

1.2 平均失效概率计算

安全仪表系统在要求时的平均失效概率，是计算和组合所有提供安全功能的子系统的平均失效概率来确定的。安全仪表系统的平均失效概率计算公式如下[3]：

式中 PFDSYS—安全仪表系统在要求时的平均失效概率；

PFDS—传感器子系统在要求时的平均失效概率；

PFDL—逻辑控制器在要求时的平均失效概率；

PFDFE—最终执行元件在要求时的平均失效概率。

对于1oo1的计算公式如下[3]：

式中 λDU—未探测到的危险失效；

λDD—探测到的危险失效；

tCE—单个通道的平均失效时间；

T1—验证测试周期；

MTTR—平均修复时间。

对于1oo2的计算公式如下[3]：

式中 tGE—2个通道同时在失效状态的平均时间；

β—共同失效因数。

对于2oo2的计算公式如下[3]：

对于1oo3的计算公式如下[3]：

式中：tG2E—3个通道同时在失效状态的平均时间。

对于2oo3的计算公式如下[3]：

对于2oo4的计算公式如下[3]：

1.3 可靠性数据的确定

根据共同失效因数 β=5 %，按照检修周期T1=8 760 h（一年），平均修复时间 MTTR=24 h，以及安全设施可靠性数据手册（EXIDA）中对各元件故障率的数据，确定可靠性数据（见表2）[4]。

表2 部分元件可靠性数据表Tab.2 Reliability data table

1.4 平均失效概率目标值

在对每一个SIF回路的平均失效概率计算以后，将其与所对应SIL等级的平均失效概率进行比较，若比目标值小，则满足该SIL等级的要求。各SIL等级平均失效概率目标值如表3所示[5]。

表3 各SIL等级下平均失效概率目标值Tab.3 Target PFD for SIL levels

2 计算结果与改进措施

2.1 SIL验证计算结果

按照上述1oo1、1oo2、2oo2、1oo3、2oo3、2oo4公式（2）～（11），以及相对应可靠性数据参数，分别对检测器（PFDS）、逻辑控制器（PFDL）、执行机构（PFDFE）的平均失效概率进行计算，再按照公式（1）得出整个SIF的平均失效概率PFDAVG，各SIF回路的计算结果汇总如表4所示。

表4 SIL验证计算结果汇总表Tab.4 SIL calculation result table

2.2 改进措施

当SIL验证计算的结果无法满足该回路的SIL等级要求的时候，需要对子系统或者组件进行优化后再进行计算，主要通过修改SIF配置和重新确定计算参数两个方面入手开展，直到能够满足该SIL等级下的目标值。主要措施有：

（1）增加元件配置的冗余度，例如，将原先1oo2改成1oo3或2oo3，从配置上增加可靠性；

（2）用更高可靠性的元件替代原元件；

（3）缩短元件的测试周期。例如，将检修测试周期从一年一次缩短为半年一次；

（4）选择带有部分行程测试功能的产品。例如，选择附带在线测试功能的紧急切断阀，进行不影响生产的在线部分行程测试，以达到延长全行程离线测试周期的目的。

3 结束语

在大型石油化工装置中，安全仪表系统的配置无论从安全上还是费用成本上都非常关键。在设计过程中对SIL等级进行初步验证，提供指导依据，合理、有效地配置安全仪表系统，从而能经济有效地减少安全仪表系统安全风险，保障石化装置整体安全。

[1] 姜巍巍.安全仪表系统安全完整性等级（SIL）评估技术应用[J].中国仪器仪表，2009（2）：48-51.

[2] IEC 61508， Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems， 1998.

[3] GB/T 20438， 电子/电气/可编辑电子安全相关系统的功能安全[S].

[4] SERH， Safety equipment reliability handbook， EXIDA， 2007.

[5] 王俊，丁兰蓉.安全完整性等级SIL的验证方法[J].化工与医药工程， 2015（2）：53-57.

“2015年化工与医药工程”有奖征文活动通知

为进一步加强化工与医药工程领域学术研究、工程设计、制造与应用的交流和研讨，由中石化上海工程有限公司主办的《化工与医药工程》期刊将举办“化工与医药工程”有奖征文活动，欢迎从事化工、医药工程相关科研开发、理论研究、工程设计、生产应用的工程技术人员及大专院校师生踊跃投稿。参加征文活动的论文将在《化工与医药工程》期刊上发表，并在2015年底评选出优秀论文若干篇。奖项如下：

一等奖2名，奖金5000元；

二等奖3名，奖金2000元；

三等奖8名，奖金1000元。

征文内容为《化工与医药工程》期刊栏目所包含范畴，征文请用word文件存盘，通过E-mail发送至：cpe.ssec@sinopec.com或kebao666@126.com。《化工与医药工程》编辑部将在完成2015年编辑出版工作后，在2015年全年刊出论文中评选得奖论文（已收稿未刊登之论文列入2016年度评选）。

《化工与医药工程》编辑部

Application of Safety Integration Level Assessment in Petrochemical Plant

Chen Zejun
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai, 200120）

The assessment of safety integration level (SIL) is being paid more and more attention in recent years.However, after SIL is determined, it is more important how to verify the level.In this article, exampled with one petrochemical plant, the calculation and verification processes for SIL level were demonstrated by using reliability block diagram.With the results from calculation, theoretical basis was obtained for the optimization of safety functioning in the plant.

SIL verification; reliability block diagram; safety instrument function

TH 862+.79

：A

：2095-817X（2015）04-0019-004

2015-01-22

陈泽俊（1988—），男，助理工程师，主要从事工艺设计与安全设计工作。