LOPA在化工安全仪表系统SIL定级中的应用

2020-01-14谢强中国石油化工股份有限公司茂名分公司安全环保部广东茂名525011

化工管理 2020年2期

谢强 (中国石油化工股份有限公司茂名分公司安全环保部，广东茂名 525011)

0 引言

安全控制系统在化工行业不断地被推广应用，得到了我国化工企业的广泛认可及应用。但是在安全仪表系统的设计、安装、维护以及管理阶段，仍然存在对风险的分析不足、选择不当以及冗余不合理等的问题。2014年，安全生产监督管理局下发《关于加强化学安全仪表系统管理的通知》，要求通过过程危险性的分析，充分认识和了解化学安全仪表系统存在的危险和风险，明确了科学的HAZOP安全仪表系统的技术要求，及有效识别、分析设备的不同风险，提出降低风险的措施。

1 安全仪表系统的SIL级

安全仪表系统独立于正常生产过程中处于休眠或静止状态的过程控制系统(如集散控制系统等)。如果生产装置或设施出现可能会导致发生安全事故的现象，可以立即准确地采取补救的措施，安全地停止生产过程的运行，或者自动地进入到预定的安全状态。依据故障后果和风险，把安全仪表的功能划分为四个完全不一样的安全完整性等级阈值1-4，最高等级是4。不同等级的安全仪表电路对调试、安装、设计、运行以及维护有不同的技术要求。

2 保护层的分析

事故后果的严重程度通常是及时进行补救的根据，例如，它可以造成损害或环境的影响，但其发生的频率还在不断的变化中，人们承受着不同频率事故的能力也是各有不同的。保护层防护的分析(LOPA)是一种基于定性危害分析的风险决策系统，用于评价保护层。其主要目标是为可以确定是否有着足够的保护层来满足企业的风险接受标准。半实物风险的评估是一种半定量的风险评估技术，主要是基于对各保护事故现场失效概率分布的假设。现有的安全风险程度可以通过具体的数学计算出来。安全仪表的功能(SIF)是典型的化工过程的保护层之一。其级别在降低风险里面的作用通常是确定的。从设计的角度来看的话，如果降低的风险仍然是不能接受的，我们还需要采取额外的保护措施，主要是通过加强安全仪表SLL的功能。提高安全自动控制系统水平也是规范性文件的要求。

3 应用实例

防护层分析在日益广泛地被应用开来，国家安全生产监督管理总局发布了《防护层分析方法应用指南》(以下简称《指南》)，明确了防护层分析的基本程序。我们依据指南的原则，选择最为合适的硅烷生产装置产品罐的工艺流程，并对LOPA的具体应用进行了一个全面的分析。LOPA的分析是基于HAZOP分析的结果。初始事件阀fv176001安全栅，独立响应报警和员工保护，需要对10个故障概率(PFD)列表，故障后果频率x10～25，建议LPL有两个，一个是增加安全仪表功能，二是增加安全救援的措施(PFD)10，安全放行后剩余风险频率为2.5x10～仍大于可接受水平(风险和频率需降低至10和5以下)，经过统计，我们可以得知安全的仪表增加的停电概率应该要小于0.4，建议以安全仪表增加的功率为阈值。

4 注意事项

4.1 数据、标准的一致性很重要

当HAZOP分析结果存在重大风险的时候，可进行LOPA的分析。一些现在就存在着的风险防护措施包括安全仪表系统，或者需要附加的安全仪表功能电路。其主要目标是为可以确定到现有的安全仪表功能电路的SIL电平以及是否需要额外的SLS保护，并确定附加SIS保护的SLL。Sll是安全仪表系统安全性能的测量标准。LOPA是一种半定量分析的方法，可以通过评价和数学计算从而得到一个最终的结果。所以，在不同的场景下，保护层失效概率、初始事件频率以及风险标准等的基础数据的选择一定要始终都保持一致。在L1OPA的过程里面，确定一个有效的独立保护层是非常重要的。单独的保护层可以防止场景发展成意想不到的结果，与场景的初始事件或设备、系统或动作的其他保护层无关。最初的事件是调节器fv176001的故障。增加的SIS保护是提高液位的作用，同时还要锁定好e-17603的开关阀hv176004。相反，如果e-17603的高联锁设置为关闭到调节器的fv176001，则似乎也设置成了一个联锁，但因为联锁不独立于初始事件(fv176001的故障)的原因，联锁已经不能在用作单独的保护层。

4.2 NL险分析结果的影响

对保护层分析小组来说，分析的过程里面出现的错误结果需要重新分析，造成重复工作的浪费。如果初始事件的结果被判断为有偏差，则最终添加的安全仪表的SIL可能过高或不足。当使用风险表确定风险等级的三个hi后，通过定性分析确定后果等级。然而，除了IE的典型频率外，后果的频率还受到其他因素的影响，如火源概率以及危险后死亡概率等。所以，修正值的合理确定可能会影响到分析的准确性。这些数据的大部分来源都是在大量的经验数据的推荐参考值里得来的，大部分都在一定的范围之内。所以，在实际的应用里面应该有一个可以确定到上述数据的原则。在进行分析之前，一定要和企业或项目建设单位就知识产权的频率值、产品功能展开度和风险评估矩阵达成一致。如果企业可以确定到控制回路使用某品牌的可靠仪表，且仪表的供应商能够提供到一个具体的故障频率，则在分析的过程里面的仪表控制回路的发生故障频率可能相对的比较低；如果在控制回路中选择的仪表比较低端的话，一般可靠的频率可以是10甚至1。在没有任何特殊要求的情况下，可以选择把推荐数据区间的中间值作为分析的一个基础数据。

5 SIL等级与保护层的基本内涵分析

5.1 安全仪表系统SIL等级

以集散控制系统为代表的过程控制系统与安全仪表系统有着明显的区别。当生产设备及其他相关设施出现异常运行或安全故障的时候，安全仪表系统会在短时间内迅速准确地动作，及时停止生产过程的运行，或自动将生产过程导入已建立的安全状态。依据安全仪表的功能，在正常情况下，其功能可分为四个层次。根据安全完整性，可分为sil1、 sil2、sil3和 sil4。依据等级，对sil1、sil2、sil3以及sil4保密安全仪表电路的设计、制造、安装和调试也有具体的技术要求。

5.2 保护层的基本内涵

通常在化工的过程里面，保护层不仅会包括安全设计和BPCS基本过程控制系统和安全仪表功能，还包括安全阀的物理保护和释放保护设施，如报警和干预。保护层的基本作用是有效规避事故的风险。在保护层的分析里面，定性危害分析主要用于准确判断保护层是否有效，从而做出科学合理的风险决策。LOPA的保护层分析是一种比较简单的半定量风险评估的一个方法。可以通过假设事故现场各种防护措施失效的概率分布，通过数学计算，准确把握安全措施，降低风险，从而有效的防止到因为防护不足或过度的情况。

6 在仪表安全度等级评定方面的应用

6.1 应用案例

在HAZOP的分析里面，针对具体合格的硅烷排放流量的数据和下游蒸发器液位在规定范围内，但造成严重的气液冲击损失这一案例查找原因，这是因为阀门fv176001故障造成的，此时触发下游蒸发器液位报警装置，然后发出高液位的报警。依据具体报警的信息，及时锁定阀门，关闭阀门，在气相管道的相应位置设置泄压阀，放空火炬。依据HAZOP分析结果和LOPA技术的进一步应用，以fv176001阀门失效为初步的事件，分别选取10-1为发生频率和失效概率。报警和人因响应是独立的保护层，状态校正结果的频率设置为2.5×10-3。分析表明，故障不仅会导致阀门液位超过规定限值，损坏气相管道的流体，还会导致硅烷泄漏、火灾甚至爆炸等的严重后果。在LOPA技术的应用下，条件修正的概率为1，人体暴露和死亡的概率为0.5。除了安全仪表的功能之外，推荐的IPL还包括1×10-2pfd下的适当安全泄放措施。PFD所计算出来安全救援剩余风险的频率是2.5×10-5，这高于了企业可以接受的风险频率。新的安全仪表功能失效的概率不可以超过0.4。建议使用sil1作为附加的安全仪表功能。

6.2 注意事项

LOPA是一种半定量分析的方法。技术人员一定要使用一个准确合理的定量数据，这样才可以确保到LOPA分析能够准确性以及合理性。在使用LOPA技术的过程中，首先要保证保护层的独立性和有效性。例如，在如下情况下：调节阀发生故障。对一些初始的事件，高联锁开关阀hv176004设置在蒸发器的下游。SIS保护的增加，在进入蒸发器的给水管道上同时设置了开关阀和控制阀，使得SIS保护作为保护层具有良好的独特性。如果在下游蒸发器液位处设置高液位联锁，以关闭调节器，尽管它似乎已设置，但不能用作单独的保护层，因为联锁与初始事件无关。另外，依据LOPA技术的特点，需要依靠评价方法和数学计算得出最终结果。因此，在选择初始事件频率、风险标准等基础数据的时候，一定要保证场景数据与标准的高度一致性。最后，要注意数据的来源，即在化工仪表安全等级评定的过程里面，运用LOPA的技术，分析风险评估矩阵，确定典型频率下的ie值等，这些都需要明确的数据来确定。如果没有特殊的要求，在数据分析的基础上，选择中间值范围内的数据，以保证分析结果的准确性和效率。

6.3 定量数据的合理选择

在LOPA的实际应用里，技术人员不仅要遵循《保护层分析方法应用指南》提供的基础数据范围，同时还要结合到化工企业的实际情况，这样才可以确保LOPA分析的规范性以及有效性。以指南中规定的典型仪表控制电路的故障参数为例子，如果控制电路故障的频率可以在1-10-2范围之内的话，如果化工企业能从仪表供应商处获得仪表故障的频率，同时仪表的可靠性会比较高，则技术人员应该要选择到10-2作为故障的频率。如果仪器的可靠性比较低，技术人员应该要选择10-1或1作为故障的频率。在使用LOPA对化学安全仪表系统进行SIL分级的时候，技术人员一定要需要注意到独立保护层的有效性、定量数据的合理选择和危险性分析的准确性。在LOPA分析的过程里面，我们要合理设置独立的保护层，这样可以有效防止场景发展成一个意外的结果，保证初始事件独立于其他场景、设备和操作。技术人员采取的风险应对措施与初始事件的失败无关，可作为独立的保护层。对于按SIL分类的化学安全仪表系统，名称的应用是基于定性风险分析的结果，会导致名称问题分析影响风险概率数据计算的准确性，导致技术人员返工，对SIL水平产生负面影响。所以，技术人员需要确保危害分析的准确性，这样才可以提高到SIL分类的合理性以及准确性。