硫磺回收装置安全仪表系统安全完整性等级评估研究

刘彦昌，陈 鑫

(中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东 青岛 266500)

硫磺回收装置安全仪表系统安全完整性等级评估研究

刘彦昌，陈 鑫

(中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东 青岛 266500)

介绍了新建10万t/a硫磺回收装置在基础设计阶段，应用LOPA方法开展安全完整性评估过程和结论。探讨了LOPA方法在实际项目中应用的注意事项，最后指出安全完整性等级SIL评估的现实意义和存在的问题。

保护层分析； 硫磺回收；安全完整性；危险与可操作性

硫磺回收装置工艺介质均为剧毒、易燃、易爆特性，且工艺开停工及流程切换较为复杂，一旦事故发生将对人身伤害极大。为保护人身及设备安全，提高装置自动控制水平，需要设置安全联锁保护系统，在装置出现紧急事故时能够切换到安全状态，从而使操作人员危险性大大降低。在具体实施上，哪些部位设置联锁，联锁是否可以在DCS中实现，没有做统一要求。而且存在过度设置联锁问题，不但造成设备配置的浪费，有些过于苛刻导致装置误停车或者联锁无法投用。为合理设置联锁，某企业在新建10万t/a硫磺回收装置SIS设计前，开展了安全完整性评估，深入讨论分析基础上合理设置联锁，取得了较好的效果。

1 概述

1.1 硫磺回收装置工艺说明

某厂10万t/a硫磺回收装置原料为酸性气，产品为液体和固态硫磺，采用采用山东三维开发的“无在线炉”硫回收工艺技术。制硫部分采用部分燃烧法，即一级高温转化，两级催化转化工艺。尾气处理部分采用加氢还原吸收工艺。

自溶剂集中再生装置来的清洁酸性气，一部分进入制硫燃烧炉的火嘴，其余部分进入制硫燃烧炉炉膛中部。自制硫燃烧炉排出的高温过程气进入制硫余热锅炉，发生的饱和蒸汽送至蒸汽过热器过热。过程气再经一级转化器、二级转化器提高收率，之后制硫尾气进入尾气处理部分。

尾气分液罐出口的制硫尾气经尾气加热器加热后进入加氢反应器。反应气经蒸汽发生器后进入尾气急冷塔。急冷水自尾气塔底部抽出经急冷水后冷器冷却后返塔循环使用。尾气急冷塔顶出来的尾气进入尾气吸收塔。自溶剂再生来贫胺液进入尾气吸收塔上部，自溶剂再生部分来的半贫胺液进入尾气吸收塔中部，吸收了H2S的富胺液返回溶剂再生部分。尾气吸收塔定出来的净化尾气进入尾气焚烧炉。焚烧后的高温烟气经蒸汽过热器、尾气余热锅炉后由烟囱排入大气。

1.2 安全完整性SIL评估概念

安全完整性等级SIL评估主要的概念：

安全仪表系统(SIS)： IEC61511将SIS定义为用来执行一个或多个仪表安全仪表功能(SIF)的仪表系统。其他也有称为紧急停车系统、安全联锁系统等。

安全仪表功能(SIF)：由SIS执行的安全功能，特征是“应对特定的危险事件”并实现必要的风险降低。

安全完整性等级(SIL)：反映了SIS执行SIF时，圆满完成SIF要求的能力和可靠性水平，IEC61511中分为SIL1到SIL4四个等级。常见的工艺ESD应用是典型的要求操作模式，每个SIL等级对应SIF一个数量级的平均失效概率PFDavg，每提升一个SIL等级，SIF的平均失效概率降低一个数量级，也意味着危险事件发生的可能性降低10倍。

SIL定级包括确定是否需要安全仪表功能SIF和确定SIF需要的安全完整性等级SIL。定量确定SIL常用的技术和方法有风险矩阵、安全层矩阵、风险图分析、保护层分析、事件树分析等， IEC61511推荐HAZOP-LOPA结合的方法，以危险与可操作性分析HAZOP给出的数据为基础，对每个辨识出的风险，确定所需要的SIF，以及SIF应满足的SIL。

2 评估过程

2.1 准备工作

开展工作前先由装置管理人员收集齐资料文件，包括 LOPA分析程序文件、硫磺回收HAZOP报告、硫磺回收装置管道仪表流程图(P&ID)、联锁因果关系图、工艺操作说明、装置爆炸危险介质表及区域划分、有毒可燃气体检测器平面布置图等。

工作团队的组建对评价质量影响很大，我们尽量安排经验丰富、专业技术强的人员参加，分析主席和记录员为经验丰富的专业公司职员，通过了功能安全工程师认证，设计单位参加工艺和自控专业参加，业主单位安排工艺、设备和仪表工程师，一线操作班长，硫磺装置老专家，还特意多安排一些列席人员以培养后备力量。由于有些之前没有参加过SIL定级分析，讨论前先开展了专业理论和技术培训，形成统一思路，提高工作效率和质量。

2.2 评估步骤

SIL分析需要依据以下步骤顺序执行：

(1)设置安全目标(风险矩阵及风险可接受标准)；

(2)执行危害辨识及风险分析来评估现有风险；

(3)识别需要的仪表安全功能；

(4)将需要的安全保护功能分配到不同的保护层；

(5)确认是否需要配置SIF回路；

(6)为配置的SIF回路指定其所需的SIL等级。

2.3 SIL等级评估举例

首先HAZOP通过工艺参数的偏差，识别可能导致的后果，根据严重程度提出保护措施，例如HAZOP分析报告节点01，清洁酸性气从界区到进制硫炉，当炉膛压力过高，可能产生人员伤亡、炉膛爆炸的恶劣后果，因此提出联锁保护措施的需求。

表1

LOPA对此进行进一步细化和量化分析，例如一种可能“尾气分液罐出口管线上HV 70901误关”。

表2

表3

(1)能引起制硫炉后路不畅通的具体事件之一是进尾气焚烧炉管线上HV 80501误关，该事件的频率通过查询失效数据库，阀门误动概率为1.00E-02。

(2)造成的后果分两类，熄火爆炸损坏制硫炉，1套装置停工、200万元以下损失，按照《公司风险矩阵》属于严重(3级)后果；另一个人员伤亡，由于酸性气流量和浓度都极高，可能造成3人以上伤亡，属于特大(5级)后果，这里选最严重的5级示例。

(3)高浓度硫化氢泄漏时，人员不一定在现场泄漏范围内，因此计算人员暴露概率引起的削减。2h巡检一次，每组2人，单体设备平均停留时间15min(15/120)；维修人员每天白班作业4h，每组4人(4/24)，两个概率相加得出人员暴露概率为0.29。

(4)未削减事件频率=初始事件频率(1.00E-02)*初始风险削减概率(2.9E-01)=2.9e-3。

(5) 现有措施包括通过尾气急冷塔顶PAH 80204; 吸收塔塔顶PI 80301两个参数监控、报警，及时发现问题处理。在LOPA分析时同种类型的措施只削减一次，通过查数据库，报警及人员干预起到的削减作用为1.00E-01。这里要求必须是独立保护层才能起到削减作用。

(6) 削减后事件频率=未削减事件频率(2.9e-3)*独立保护层削减频率(1.00E-01)=2.90E-04。

(7)通过查《公司安全风险矩阵》，对涉及人员伤亡的特大后果事件容忍概率为1.00E-06，那么LOPA的差距=削减后事件频率(2.90E-04)/容忍概率(1.00E-06)=2.9e+2

(8)LOPA的差距需要通过SIS来削减，低需求模式下需要降低风险目标在100-1000的，对应的SIL等级为SIL2。就是说应对这个阀门误动风险，必须要设置SIS系统，而且要求SIL2等级。

3 评估成果

本次共计分析了10万t/a硫磺回收装置的12个SIF回路，结果见表4。

表4 SIL定级分析结果

*---：无特殊要求；A：无SIL等级要求(在联锁逻辑中保留)。

通过分析，硫磺回收装置需要设置SIS系统且等级至少为SIL2，对结果起关键作用的是制硫炉炉膛压力高高回路 。制硫炉火焰熄灭、酸性气分液罐液位高高只要求SIL1即可，另外9个联锁没有SIL等级硬性要求。在设备选型时，有SIL需要的回路应配备满足相应SIL等级的测量仪表和执行机构。

依据SIL评估结果，一些不必要的联锁可以在设计阶段取消，联锁值和联锁结构可以优化，从而提高了设计的标准，减少给开工和操作留下的问题。通过评估梳理清楚各SIF回路，得到了描述比较完整的安全要求规格书，使联锁设置的目的和作用非常清晰，为生产运行期间维护管理提供参考。

SIL定级分析中还提出8条建议，例如增设关键测量仪表的报警、更改酸性水泵自动启动设定值、对鼓风机出口阀动作速度要求等。另外对HAZOP报告中建议措施再次讨论，确定采纳或拒绝。所有结论均得到设计院、建设单位等与会人员的一致同意。

4 结论

在设计阶段开展安全完整性分析，有利于设计和建设单位之间，工艺、设备和自控专业间充分深入沟通，用数据来解决矛盾和问题，得出的结论可以直接采纳实施，从而使联锁设计更趋于合理，有利于装置安稳长周期运行。

通过这次依据HAZOP-LOPA方法进行安全完整性分析的实践，结论为类似工艺的硫磺回收装置提供一定参考，整个装置安全仪表回路SIL等级评估方法，以及人才的培养和锻炼，为全厂开展SIL评估，提高安全仪表系统管理水平打下了基础。

保护层分析是一种定量的分析方法，数据的选取对结果有直接影响，合理选择数据需要依据各公司实际情况斟酌，独立保护层的识别需要丰富的经验，因此这项工作不是一劳永逸，而应根据生产实际和类似装置事故事件不断完善。

[1] 张建国.安全仪表系统在过程工业中的应用[M].北京; 中国电力出版社出版,2010.

[2] 马伯文,黄慧敏,陈绍洲,等. 海洋石油平台安全仪表系统安全完整性等级的确定[J].石油化工自动化, 2012;48(2):20.

[3] 张元元.安全仪表系统SIL分析在汽柴油加氢精制装置得实践.山东化工[J].2016,45(16):118.

[4] 李荣强,姜巍巍,曹德舜.保护层分析在确定安全完整性等级中的应用[J].安全健康和环境,2016,16(12):14.

2017-07-21

刘彦昌(1983—)，2005年毕业于天津大学自动化专业，获工学学士学位，现工作于中国石化青岛炼化公司，任仪表及自控工程师。

TH707

A

1008-021X(2017)18-0123-02

(本文文献格式刘彦昌，陈鑫.硫磺回收装置安全仪表系统安全完整性等级评估研究[J].山东化工，2017，46(18)：123-124，126.)