甲醇装置安全仪表系统的SIL等级评估

段长坊 ，张旺

（1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；2.兰州蓝星纤维有限公司，兰州 730094）

1 引言

最近几年，我国新建了许多大型的甲醇装置，例如：中海油东方市的80万吨/年海上天然气制甲醇项目、重庆的80万吨/年天然气制甲醇项目等。甲醇作为基础化工原料，在我国工业发展中具有举足轻重的地位。随着工业化的发展，甲醇装置逐渐大型化已成为一个发展趋势。随着甲醇生产装置不断大型化，对装置的自动化程度要求也越来越高,其安全仪表系统对安全的重要程度也越来越显著。所以，按照IEC 61511、IEC 61508对甲醇装置的SIS进行安全完整性的等级SIL评估变得更加重要[1]。本文通过对甲醇装置安全仪表系统的SIL等级评估实施过程以及效果进行介绍，分析了评估技术方面有关的难点，并对SIL评估工作当中的特点等进行了深入探讨。

2 SIL评估技术和流程

SIS系统直接影响着装置的可靠性和安全运行。根据有关数据显示，在现有石油化工装置当中，安全联锁缺乏的占了10%左右，安全联锁过度的占了50%左右，联锁合理的仅仅占了40%左右。目前，在工业比较发达的国家，联锁系统SIL等级的定量评估工作已经开展。

SIL主要描述的是SIS安全性能的指标。在一定的时间和条件下，SIS能够很好地执行其安全功能。SIS功能的安全技术利用受控单元对危险以及后果进行分析，以此确定正确的安全功能。然后，选择出合适的目标SIL，设计满足目标SIL的安全联锁功能。利用SIS功能的安全水平进行测试以及评估工作，将受控过程的风险降低到一个能够接受的水平上来。

3 甲醇装置的安全仪表系统评估

这个项目中主要需要完成下面几个方面的内容：

①对国内外有关的标准以及文献资料进行收集和归纳。研究国内外各种SIS安全评估标准以及方法等，特别是对IEC 61511背景以及内容进行了解，充分理解并且掌握这些标准以及资料。②对装置进行风险识别以及分析计算。通过国际通用的安全阀风险分析方法为基础，按照装置的实际状况，对其进行定量风险评价[2]。③对联锁回路SIL等级进行计算。按照IEC 61511以及有关材料，对选定的联锁回路，根据恰当的评定计算方法，定量计算出联锁回路的SIL以及误动作跳车的概率。④对安全联锁回路系统进行优化和改进。按照能够接受的风险概率以及经济损失标准，对甲醇装置安全联锁回路进行评估，评估其是不是满足要求。对不达标的回路，提出切实可行的控制回路优化或者替换设备，并且重新对SIL等级进行评估，以此实现安全有效的联锁回路。

4 SIL评估技术分析

按照甲醇装置设计阶段对SIS功能的安全评估状况，需要对其风险控制、SIF识别、SIS和DCS共用问题、安全联锁逻辑结构选择以及独立的保护层设置问题等进行分析[3]。

4.1 风险矩阵和控制

通常情况下，甲醇装置进行风险评估执行风险矩阵是根据企业事故管理规定所制定的。同时，根据国家相关法律法规、赔偿制度等进行编制，分别认定环境污染、经济损失风险等。通常情况下，专利商给的安全联锁SIL要求是在风险控制策略基础上，并没有考虑装置建造场地的实际状况，通过人员伤亡控制进行举例，各国对各行业伤亡情况的控制都不一样，如果利用欧盟标准进行风险矩阵控制，往往让整个装置联锁系统的SIL高于实际需求。

4.2 SIF识别

SIF是指具有某个特定SIL的,用以达到功能安全的安全功能。它不仅是一个仪表安全保护功能，同时也是仪表安全控制功能。按照IEC 61511，为了实现功能安全，SIF是所需最少的仪表，一般情况下其组成部分为：逻辑求解器、传感器以及执行机构。每个SIF都有自己的SIL，所以，每一个SIF需要针对一个特定的危险状况，防止特定危险后果。而一个SIS可以由许多个安全功能构成，针对不同的危险状况，各安全功能也不同，执行的动作也不一样，所以，在比较复杂的联锁系统当中，联锁功能识别变得更加重要。

我们以甲醇装置中的粗甲醇闪蒸罐的液位高为例子，当传感器检测到粗甲醇中间罐液位高比较高的时候，要切断闪蒸气通向燃料系统的阀门以及闪蒸罐内的喷淋水阀门和闪蒸气通向火炬系统阀门。按照SIF的含义，三个阀门失效的后果不同。当闪蒸罐液体进入到燃料系统以及火炬系统当中将会带来比较严重的后果。喷淋水阀门关闭明显不是一个必要的动作。当通向燃料系统以及火炬系统阀门正常关闭的时候，尽管喷淋水阀门不能及时进行切断，也不会使严重后果出现。因此，单从一个SIF分析，将这三个阀门定为同一个SIF是不科学的。所以，在SIL等级评估过程当中，需要对每一个执行动作进行充分分析，以此来对各个SIF进行确定。

4.3 DCS和SIS共用问题

当前，在SIS设计中，存在和DCS一体化的问题。按照IEC 61508，SIS需要和DCS相互独立。如果它们不能够实现独立，DCS作为联锁最高能够达到的等级仅仅为SIL1。DCS主要强调的是过程调节，但是联锁强调的主要是比较隐性的工作。当现场的传感器、执行器出现故障的时候，往往通过其他量来进行反映。但是当联锁用的设备出现故障的时候，通常不能够用其他量来反映，一直到联锁动作的出现。两者对设备可靠性存在的差异比较大。

4.4 安全联锁逻辑结构的选择

在安全联锁方面，常用的逻辑结构有：1oo1,1oo2,2oo2,2oo3。在IEC 61508-2内，也对设备硬件冗余的标准进行规定。我们从功能安全方面来分析，1oo2比1oo1的SIL要高，但是可操作性行比较差。2oo3和1oo1相比较，不但SIL要高，而且可操作性也比较强。2oo3和1oo2相比较，尽管SIL比1oo2要稍微低些，但是操作的可靠性要高于1oo2。

除此之外，不一样的逻辑结构在投资成本上也不一样。按照过去SIL等级评估经验，通常情况下，1oo1结构的阀门执行机构在SIL1左右。1oo2结构的阀门执行机构SIL2左右。要让执行机构达到SIL3，需要进行周期性的测试。当这种测试是在线测试的时候，那么就要求阀门安装智能限位器。通常比较大直径的紧急切断阀门的价格要贵。这种带有智能限位器的阀门价格要比普通阀门贵三倍。所以，SIL需求提高了，将会大大提高装置的建设成本。

科学选用安全联锁逻辑结构，要求SIS系统在满足SIL要求的基础上，应该尽可能减少装置建设的成本以及误跳车等，进一步提高系统的可靠性、安全性以及经济性等。

5 结语

功能安全评估已经成为石油化工行业SIL水平提高的一个重要手段[4]，它是围绕功能安全评估的标准，并且已经成为推动功能安全评估的一个重要途径。在我国石油化工行业中，SIS的应用还存在一些误区，怎样利用科学的评估和手段对装置SIS进行功能安全分析，提高联锁系统安全性和合理性仍然是急需解决的问题。

本文通过分析对甲醇装置SIS进行SIL定量评估过程和成果，讨论了SIL评估技术当中需要注意的事项，对兰州蓝星化工20万吨/年甲醇装置联锁系统的SIL等级评估经验进行总结，为今后实施SIS的SIL等级评估工作提供了一定借鉴作用。