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SIS安全聯(lián)鎖功能可用性分析
作者:王秉義  張惠良  左信 《石油化工自動(dòng)化》


摘要:安全完整性等級(SIL)是衡量安全儀表系統(SIS)安全防護能力的重要指標,SIS的配置高,對裝置生產(chǎn)安全具有有效的防護能力。反之,雖然SIL等級滿(mǎn)足了安全要求,但由于誤停車(chē)率過(guò)高(可用性差),將使生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行,而引起巨大的經(jīng)濟損失。目前,SIS自動(dòng)投用率普遍偏低,誤停車(chē)率高是其中一個(gè)主要原因。闡述運用馬爾可夫模型求解SIF平均誤停車(chē)時(shí)間間隔(MTTFS)指標和平均誤停車(chē)概率(PFS )指標,以實(shí)例說(shuō)明在分析SIF中綜合考慮SIL和平均誤停車(chē)性能指標,對保障SIF的自動(dòng)投用,提高生產(chǎn)安全保障能力的重要性。
關(guān)鍵詞:安全儀表系統  安全儀表功能  可用性  誤停車(chē)率  安全完整性等級

 

    安全儀表系統(SIS)是裝置安全生產(chǎn)的重要保護層,其與DCS在可靠性與可用性要求方面具有不同的特點(diǎn)。DCS要求在可靠的前提下力求最大的可用度,以使操作員能對工藝過(guò)程進(jìn)行靈活干預,從而保持生產(chǎn)過(guò)程平穩;SIS系統則要求在一定的可用條件下,尋求最大的可靠度,其時(shí)刻監視過(guò)程參數的變化,一旦超限,即采取系列動(dòng)作以避免事故的發(fā)生,或遏制事故的發(fā)展。換言之,SIS的執行機構平時(shí)并不動(dòng)作,只在有要求時(shí),執行機構才執行安全要求規格書(shū)(SRS)所規定的動(dòng)作。但配置SIS系統是一把雙刃劍,合理的系統配置(安全功能)是安全生產(chǎn)的一道有效保護墻,但不恰當的配置則會(huì )因高頻度的誤動(dòng)作而引起頻繁停車(chē),從而造成巨大的經(jīng)濟損失。
    根據殼牌公司對安曼的一個(gè)LNG廠(chǎng)SIS系統配置調查,SIS安全功能的過(guò)度配置占67% 左右,如圖1所示。

 

注:取消變送器78個(gè);取消閥門(mén)14只;第一年節省費用大于100萬(wàn)美元

    由此可見(jiàn),不合理的SIS系統聯(lián)鎖配置不但增加了SIS系統的成本,而且也因誤動(dòng)作而造成巨大經(jīng)濟損失,提高了系統投資與維護成本。

1、SIS安全聯(lián)鎖投用率偏低的原因分析

    目前SIS系統自動(dòng)投用率普遍較低,通過(guò)對公司生產(chǎn)裝置所配備的SIS投用情況分析,可歸納為以下四方面因素:

a)裝置聯(lián)鎖保護誤停車(chē)率高。導致誤停車(chē)的主要原因:

1) 生產(chǎn)裝置普遍缺乏適時(shí)的風(fēng)險評估。尤其是設計僅考慮裝置局部安全風(fēng)險,沒(méi)有考慮對上下游裝置運行影響進(jìn)行整體評估。對生產(chǎn)裝置進(jìn)行風(fēng)險評估,是核定SIS所需安全完整性等級(SIL)的基礎,應該綜合全局考慮。對風(fēng)險的容忍程度與企業(yè)技術(shù)及管理水平、社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展水平、社會(huì )環(huán)保安全意識等密切相關(guān)。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展,以及人們環(huán)保意識的提高,對安全要求越來(lái)越高。隨著(zhù)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平與管理水平的不斷提高,對生產(chǎn)工藝的調整,使得對安全儀表功能(SIF)的SIL提出新的要求。然而,在役SIS自投用以來(lái)(或隨成套工藝包配置),其SIF的SIL一直未做調整,其SIF配置、聯(lián)鎖動(dòng)作參數設置等方面難以保障當前裝置平穩、安全生產(chǎn)的實(shí)際需要。
2) SIS普遍
缺少SIF的SIL核算(安全風(fēng)險、財產(chǎn)風(fēng)險及環(huán)境風(fēng)險)。目前,SIF的設計一般依據經(jīng)驗選擇。首先,SIS一般缺乏儀表部件失效數據,如傳感器和執行機構(電磁閥、截斷閥等),由于資金等原因沒(méi)有選用具有SIL等級能力認證的儀表與執行機構;其次,雖在關(guān)鍵裝置上配備了SIS系統,但缺少對儀表可靠性數據的統計收集(經(jīng)使用驗證的儀表用于SIS最具說(shuō)服力,但缺少統計數據說(shuō)明,僅憑感覺(jué)將缺乏可信度);其三,依據GB/T21109[4] 對SIF的SIL等級進(jìn)行核算普遍缺失,雖然生產(chǎn)裝置配置了SIS系統,但并不能保證其具有相應的安全防護能力。
3) 部分成套設備配套的儀表,其
質(zhì)量未能滿(mǎn)足SIS對儀表SIL等級能力的要求,可靠性差、使用壽命短,造成部分SIF不能投用。如實(shí)現大型加熱爐的進(jìn)風(fēng)控制,爐內溫度、風(fēng)機及風(fēng)門(mén)聯(lián)鎖的執行機構,其配置的閥桿的光潔度和硬度不如調節閥桿,并且在正常生產(chǎn)階段,該閥長(cháng)期處于靜止狀態(tài),出現生銹或漏氣現象。
4) 受
儀表安裝、維護質(zhì)量的影響,如堵、漏、凍凝,以及材料質(zhì)量問(wèn)題,導致誤停車(chē)或在要求動(dòng)作時(shí)無(wú)法動(dòng)作。
5) SIS中對安全聯(lián)鎖和一般工藝
聯(lián)鎖沒(méi)有區分,使得SIF結構復雜,難以滿(mǎn)足SIL要求。
6) 對SIF缺乏
誤停車(chē)率指標核算。由于不合理的配置,雖然其SIL等級滿(mǎn)足設計要求,但其誤停車(chē)率偏高,導致SIS系統無(wú)法在實(shí)際中投用。

b)大型轉動(dòng)設備自保聯(lián)鎖,部分條件不能滿(mǎn)足投用條件,而無(wú)法投用SIF功能。其原因有:
1) 原有
老機組聯(lián)鎖邏輯不適應當前的安全規范要求,儀表配置比較低,其可靠性和穩定性差。
2) 機組的
聯(lián)鎖邏輯和設定值欠妥,生產(chǎn)廠(chǎng)家單純考慮機組設備本身,沒(méi)有綜合考慮其停機對裝置的影響,邏輯條件過(guò)于苛刻和嚴格。設計應整體考慮。比如將軸系儀表、軸振動(dòng)、位移、軸瓦溫度、電機定子、轉子溫度等全部作為聯(lián)鎖停機條件,并將潤滑油溫度不低于30℃作為機組的啟動(dòng)條件,但在東北地區很難滿(mǎn)足這一條件,尤其在冬天。
3)
配套儀表出廠(chǎng)時(shí)的安裝、配置存在不足,且后續難以修改。如大機組軸瓦溫度傳感器基本上都是安裝于機殼內的埋入式鉑電阻,其引線(xiàn)極易斷。若引線(xiàn)開(kāi)路,其輸出超過(guò)報警值,將引起聯(lián)鎖誤動(dòng)作停機。壓縮機的振動(dòng)探頭、位移傳感器探頭安裝也存在類(lèi)似問(wèn)題。
4) 機組的
部分工藝條件難以達到聯(lián)鎖條件,如汽輪機出口壓力,其與蒸汽管網(wǎng)相連,單一機組不能改變其出口壓力參數,致使相應的SIF無(wú)法投用。
5)
儀表的安裝與維護質(zhì)量影響SIF的投用。如軸瓦測溫熱電阻的安裝工藝、軸振動(dòng)與位移探頭的安裝間隙、接線(xiàn)等不合適,都將引起測量偏差,而引發(fā)聯(lián)鎖誤動(dòng)作。

c)SIS的維護周期與質(zhì)量不能滿(mǎn)足SIF的可靠性要求。電子器件的可靠使用壽命一般為10~12年,隨著(zhù)使用年限的加長(cháng),儀表的失效率將增加。另外,由于設備改造,SIS也需進(jìn)行擴容。為保證SIF的SIL等級要求,需對SIS進(jìn)行定期維護和檢修(SIS系統部件檢修時(shí)間間隔直接影響SIF的SIL等級水平) 。在生產(chǎn)裝置正常運行過(guò)程中,可通過(guò)“旁路”臨時(shí)切除聯(lián)鎖條件(在切除時(shí)應有一套規范和措施以保證SIF的安全),并定期對傳感器與執行機構進(jìn)行必要的維修、檢定與維護。目前,一次儀表與執行機構,尤其是執行機構在正常生產(chǎn)運行期間沒(méi)有機會(huì )檢修(沒(méi)有旁路設置),
因缺少及時(shí)的維護,SIF回路的可靠性難以保證。

d)SIS報警缺乏層次,故障報警較多,易引起操作員麻痹,導致誤操作。如多機組SIS系統,在備用機組停機、油系統或出人口閥門(mén)處于關(guān)停狀態(tài)時(shí),由于備用機組處于非正常運行位置,SIS系統就會(huì )出現報警。這些報警沒(méi)有層次與級別區分,致使報警過(guò)多,容易導致操作人員對關(guān)鍵報警信息的疏忽。

2 、SIF回路可用性分析

綜合以上對目前SIS低投用率的情況分析,主要問(wèn)題有:
a)
少適時(shí)的SIF的SIL等級需求評估。當前SIS的SIF配置一般都是依據經(jīng)驗配備,但同一套裝置在不同的企業(yè)中,其附加的安全防護能力并不相同(如泄壓閥、空間距離、遠程監控能力等)。由于缺少對SIF的SIL要求的明確定級,加上大部分SIS不只用于安全聯(lián)鎖目的,而且考慮方便設備重啟等問(wèn)題,將一般工藝聯(lián)鎖也配置其中。因此,聯(lián)鎖結構比較復雜,難以明確了解實(shí)際安全聯(lián)鎖的SIL等級是否滿(mǎn)足要求。

b)
少SIF的SIL等級和誤停車(chē)率核算。
目前配置SIS時(shí),主要關(guān)心其控制器的SIL能力:傳感器和執行機構的失效率對SIL等級的影響更大(一般在70 %以上),而傳感器和執行機構往往又缺少有效的數據支持,使得SIF的SIL等級未能滿(mǎn)足裝置安全防護能力要求,起不到應有的安全保護作用;或者雖然其SIL等級滿(mǎn)足裝置安全要求,但其誤停車(chē)率過(guò)高,影響SIS的實(shí)際投用;或雖投用,但會(huì )因頻繁的誤停車(chē)而造成巨大的經(jīng)濟損失。

c)對SIF的功能安全管理
缺少有效的監控。
    SIS對裝置的安全防護能力由系統的隨機性失效(SIL等級核算驗證)和系統性失效共同決定。目前對SIF的隨機性失效的驗證比較普遍[7]。隨著(zhù)GB/T 21109安全儀表功能安全標準的推廣與采用,對系統性失效的考核與控制將進(jìn)一步加強。系統性失效主要由制造缺陷或不足(如上述的振動(dòng)探頭故障、聯(lián)鎖邏輯不妥、聯(lián)鎖參數設置不合理、報警重要性層次不分明等)引起。由于系統性失效難以量化處理,只能運用嚴格的SIF的功能安全管理規范加以避免和減少(另文闡述)。由此可見(jiàn),在SIS系統SIF分析中,必須同時(shí)考核SIF的SIL等級和誤停車(chē)性能指標,才能保證SIS系統的有效投用。
針對SIS存在的主要問(wèn)題,筆者以圖2~3所示SIF為例,探討采用馬爾可夫模型進(jìn)行SIF可用性分析,考核驗證SIF、的SIL和誤停車(chē)率指標(MTTFS和PFS avg )。依據分析結果,提出合理化建議,以提高SIS系統的投用率,保障對生產(chǎn)裝置的防護能力。

 


 


該SIF設計為失電使能(停電時(shí),執行機構置于安全狀態(tài),即事故安全型),且各傳感器檢測回路和執行機構回路具有在線(xiàn)診斷能力。由于系統具有旁路設置和冗余配置,當在線(xiàn)檢測出故障后,可在線(xiàn)維護與更換,檢修時(shí)間平均為8 h。SIS的整體測試間隔與設備大修周期同步,為3年。該SIF的SIL等級需求為SIL2,其各組成部分的失效數據見(jiàn)表1所列。
 

馬爾可夫模型具有動(dòng)態(tài)分析失效概率的能力,上述SIF馬爾可夫模型如圖4所示,其中狀態(tài)1為初始完好狀態(tài);狀態(tài)2為安全失效(誤停車(chē))狀態(tài);狀態(tài)3為危險失效狀態(tài)(對安全要求的動(dòng)作沒(méi)有響應);其余狀態(tài)4~19為存在一路檢測傳感器或執行機構失效,且SIF還能執行相應安全功能的中間狀態(tài)。處于中間狀態(tài)時(shí),若出現進(jìn)一步的故障,將使SIF系統進(jìn)入安全失效或危險失效狀態(tài)。由于失效率都很小,為簡(jiǎn)化運算,建模時(shí)不考慮級聯(lián)失效(如一路溫度傳感器失效后又出現一路壓力傳感器失效,但SIF還能執行其要求的功能的情況)對計算精度的影響。
 

馬爾可夫狀態(tài)轉移率為
 






 

式中:λ——失效率;上標首字母S, D——安全失效和危險失效;上標第二字母D,U——可檢測不可檢測;下標S1,S2,S3,S4,A1,A2,L,PS——流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、電磁閥、截斷閥、邏輯控制器和電源。根據上述狀態(tài)轉移率,得到馬爾可夫轉移矩陣為:
 


    MTTFS求解方法[8]為將轉移矩陣P中對應吸收狀態(tài)(FS和FD)的行和列去掉,形成新矩陣Q,并在狀態(tài)轉移率公式中,將危險失效率置零,求出截陣Qs ,并依據下式求矩陣N。
 

N =(I-Qs) -1

    N提供了系統由起始狀態(tài)開(kāi)始,經(jīng)歷了每一個(gè)成功狀態(tài)(暫態(tài))后的總時(shí)間增量。N矩陣中,第一行表示起始于完好狀態(tài)l的總時(shí)間增量。假設馬爾可夫模型的時(shí)間步長(cháng)選為1 h,則MTTFS為矩陣N第一行元素的和。
    利用建立的馬爾可夫模型(運用ISOgraph Reliability Workbench 10.2軟件平臺)和狀態(tài)轉移矩陣P進(jìn)一步求解PFDavg 、平均誤停車(chē)失效概率PSFavg 和MTTFS。分析計算結果見(jiàn)表2和圖5~6所示。




 

    由分析可見(jiàn),此SIF的MTTFS為1.15 a。雖然該SIF不論在維護檢修時(shí)間間隔為1 a還是3 a時(shí),其SIL等級都能滿(mǎn)足設計要求(SIL2),但3 a的檢修時(shí)間間隔是不能接受的,因其過(guò)大的誤停車(chē)概率將引起SIS的頻繁誤停車(chē),造成巨大的經(jīng)濟損失,而使系統無(wú)法實(shí)際投用。因此,對于一般企業(yè)規劃的3 a大修時(shí)間問(wèn)隔,必須重新分析考核,在滿(mǎn)足SIF的SIL等級要求的前提下,達到相應的MTTFS和PFS 指標要求,才能有效發(fā)揮SIS在企業(yè)安全生產(chǎn)中的安全防護作用。

3 結束語(yǔ)
    造成SIS系統投用率低的
原因是多方面的,但其可用性差是重要原因之一。在設計SIS或在役SIS安全性能評估中,需關(guān)注以下三個(gè)方面:
a)
適時(shí)的風(fēng)險評估,核定SIF的SIL等級要求,并根據檢修時(shí)間間隔和誤停車(chē)對生產(chǎn)的影響,核定SIF的PFS 和MTTFS指標要求。
b) 區分SIF聯(lián)鎖回路和一般工藝聯(lián)鎖,
區分報警層次級別。
c) 定期核查SIF回路的SIL等級和PFS 與MTTFS指標,在保證SIF具有足夠安全防護能力的同時(shí),具有足夠的可用性,以提高SIS系統的投用率,防止系統頻繁誤動(dòng)作,從而有效提高SIS的防護能力。


參考文獻(略)
 


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