安全儀表系統(tǒng)的功能安全分析精選

1、安全儀表(ybio)系統(tǒng)的功能安全分析 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院(xuyun)王鵬共六十六頁(yè)目錄(ml)1. 課題(kt)背景及研究現(xiàn)狀2. 安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評(píng)估3. 火電廠鍋爐運(yùn)行過(guò)程的危險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析4. 鍋爐爐膛爆炸的保護(hù)層分析5. 爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評(píng)估6. 總結(jié)與展望2共六十六頁(yè)3 研究(ynji)背景及意義 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展(fzhn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制規(guī)模在不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度不斷增加，工藝過(guò)程不斷強(qiáng)化，對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。 在生產(chǎn)過(guò)程中，用于監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程，在危險(xiǎn)條件下采取相應(yīng)措施防止危險(xiǎn)事件發(fā)生的安全儀表系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛使用。 但安全儀表系統(tǒng)

2、的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，遇到了系統(tǒng)功能安全難以保證這個(gè)最大的阻力。1976年意大利化工廠二噁英泄漏、1984年印度Bhopal農(nóng)藥廠毒氣泄漏、1986年切爾諾貝利核電站事故連接發(fā)生的工業(yè)事故起因都是安全儀表系統(tǒng)的功能失效。共六十六頁(yè)4安全儀表系統(tǒng)（SIS） 監(jiān)視控制系統(tǒng)(kn zh x tn)狀態(tài)，完成安全保護(hù)功能，注重安全性 研究(ynji)背景及意義控制系統(tǒng)分為兩類(lèi)：基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS） 實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的連續(xù)控制或順序控制，強(qiáng)調(diào)可靠性共六十六頁(yè) 研究背景(bijng)及意義5安全(nqun)儀表系統(tǒng) (SIS)功能安全理論安全功能（Safety Function）功能安全（Functional

3、Safety ）共六十六頁(yè) 研究(ynji)背景及意義6火電廠爐膛(ltng)安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）統(tǒng)一SIS的范圍：包括 ESD、FSSS、FGS等安全完整性等級(jí)（SIL）作為功能安全的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)安全生命周期（SLC）為架構(gòu)廣泛應(yīng)用到化工、冶金、鐵路、機(jī)械等領(lǐng)域，電力行業(yè)開(kāi)始引進(jìn)和滲透。功能安全理論共六十六頁(yè) 功能安全技術(shù)(jsh)的研究?jī)?nèi)容7以功能安全標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)為基礎(chǔ)以安全生命周期為架構(gòu)基于風(fēng)險(xiǎn)降低原理共六十六頁(yè)功能安全技術(shù)(jsh)的發(fā)展現(xiàn)狀8功能(gngnng)安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可靠性技術(shù)安全評(píng)價(jià)技術(shù)功能安全技術(shù)可靠性數(shù)學(xué)可靠性物理可靠性工程危險(xiǎn)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)控制功能安全標(biāo)

4、準(zhǔn)功能安全理論功能安全產(chǎn)品的評(píng)估和認(rèn)證共六十六頁(yè)9123危險(xiǎn)辨識(shí)(bin sh)及風(fēng)險(xiǎn)分析確定目標(biāo)安全(nqun)完整性等級(jí)(SIL)FSSS的SIL驗(yàn)證及改進(jìn)措施FSSS的功能安全分析火電廠鍋爐的危險(xiǎn)辨識(shí)建立爐膛爆炸后果的數(shù)學(xué)模型爐膛爆炸事故保護(hù)層分析采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣及風(fēng)險(xiǎn)圖法，確定FSSS的目標(biāo)SIL主燃料跳閘（MFT）硬跳閘回路安全性與可靠性分析風(fēng)量30%觸發(fā)MFT，對(duì)比實(shí)際SIL與目標(biāo)SIL，提出整改措施。共六十六頁(yè)目錄(ml)1. 課題背景及研究(ynji)現(xiàn)狀2. 安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評(píng)估3. 火電廠鍋爐運(yùn)行過(guò)程的危險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析4. 鍋爐爐膛爆炸的保護(hù)層分析5. 爐膛安全監(jiān)控系

5、統(tǒng)的功能安全評(píng)估6. 總結(jié)與展望10共六十六頁(yè)可靠性與安全性指標(biāo)(zhbio)11可靠性指標(biāo)(zhbio)可靠度R(t)、可用率A(t)、失效率(t)、平均故障前時(shí)間MTTF、平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR、維修率(t)及平均故障間隔時(shí)間MTBF安全性指標(biāo)要求時(shí)失效概率PFD、安全失效概率PFS、平均無(wú)危險(xiǎn)故障時(shí)間MTTF及診斷覆蓋率C基于連續(xù)時(shí)間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評(píng)估共六十六頁(yè)基于連續(xù)(linx)時(shí)間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估SIS控制器的冗余(rn y)結(jié)構(gòu)121oo1結(jié)構(gòu)1oo2結(jié)構(gòu)2oo3結(jié)構(gòu)2oo2結(jié)構(gòu)共六十六頁(yè)基于連續(xù)(linx)時(shí)間馬爾可

6、夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估13失效(sh xio)模式安全（S）危險(xiǎn)（D）無(wú)影響安全檢測(cè)到的（SD）安全未檢測(cè)到的（SU）危險(xiǎn)檢測(cè)到的（DD）危險(xiǎn)未檢測(cè)到的（DU）安全檢測(cè)到的共因（SDC）安全檢測(cè)到的獨(dú)立（SDN）安全未檢測(cè)到的共因（SUC）安全未檢測(cè)到的獨(dú)立（SUN）危險(xiǎn)檢測(cè)到的共因（DDC）危險(xiǎn)檢測(cè)到的獨(dú)立（DDN）危險(xiǎn)未檢測(cè)到的共因（SUC）危險(xiǎn)未檢測(cè)到的獨(dú)立（SUN）失效模式分類(lèi)共六十六頁(yè)基于連續(xù)時(shí)間(shjin)馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估定義出12種狀態(tài)(zhungti)：OK、DDN、DUN、SDN、SUN、DDN SDN、DDN SUN、DUN SDN、DUN SUN、FS、FD

7、D、FDU14四種冗余結(jié)構(gòu)的馬爾可夫模型1oo1結(jié)構(gòu)1oo2結(jié)構(gòu)共六十六頁(yè)基于連續(xù)(linx)時(shí)間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估152oo3結(jié)構(gòu)(jigu)2oo2結(jié)構(gòu)共六十六頁(yè)16基于連續(xù)時(shí)間(shjin)馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估安全完整性等級(jí)低要求操作模式下的PFD高要求操作模式下的PFH410-410-510-810-9310-310-410-710-8210-210-310-610-7110-110-210-510-6安全性和可用性指標(biāo)(zhbio)安全完整性等級(jí)（SIL）是SIS安全性能最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)可用率(A)用來(lái)表征可維修系統(tǒng)的正常工作特性穩(wěn)態(tài)可用率時(shí)變可用率共六十六頁(yè)基于連

8、續(xù)時(shí)間(shjin)馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估基于連續(xù)馬爾可夫模型(mxng)求取 PFD、PFS 17初始狀態(tài)矩陣為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 ，經(jīng)過(guò)n個(gè)時(shí)間間隔安全失效向量危險(xiǎn)失效向量 令時(shí)間增量趨于0，得到連續(xù)時(shí)間馬爾可夫模型假設(shè)條件推導(dǎo)過(guò)程離散時(shí)間馬爾可夫模型或共六十六頁(yè)基于連續(xù)(linx)時(shí)間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評(píng)估 N取M(MooN)結(jié)構(gòu)(jigu)的PFS、PFD曲線PFS最終趨于穩(wěn)態(tài)曲線分析PFD都呈線性增加趨勢(shì)與1oo1結(jié)構(gòu)相比1oo2： PFD PFS2oo2： PFD PFS2oo3： PFD PFSMooN結(jié)構(gòu)的時(shí)變可用率182oo2 1oo1 1oo22.94大部分人員死亡，

9、大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞80%2.94大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞100%2.94大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞部件爆炸比例沖擊波超壓 （MPa）后果水冷壁1%0.0790.126人員內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡，磚墻倒塌防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌5%0.2350.33大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞10%0.500.76大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞30%1.271.67大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞50%1.672.06大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞80%2.062.94大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞100%2.94大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞省煤器爆破能量、沖擊波超壓及后果水冷壁爆破

10、能量、沖擊波超壓及后果共六十六頁(yè)直流鍋爐的爆炸風(fēng)險(xiǎn)(fngxin)分析40部件爆炸比例沖擊波超壓（MPa）后果分離器1%0.013人員輕微損傷，受壓面的門(mén)窗玻璃大部分破碎5%0.013人員輕微損傷，受壓面的門(mén)窗玻璃大部分破碎10%0.013人員輕微損傷，受壓面的門(mén)窗玻璃大部分破碎30%0.0210.0235人員輕微損傷，墻裂縫50%0.02350.027人員輕微損傷，墻裂縫80%0.0330.043人員聽(tīng)覺(jué)器官損傷或骨折，墻大裂縫，屋瓦掉落100%0.0330.043人員聽(tīng)覺(jué)器官損傷或骨折，墻大裂縫，屋瓦掉落部件爆炸比例沖擊波超壓（MPa）后果過(guò)熱器1%10-1操作員干預(yù) 110-2安全儀表系

11、統(tǒng) SIL分類(lèi)安全閥/爆破片 10-110-5防火堤/防爆墻 10-210-3耐火材料/通風(fēng)口 10-210-3 阻火器或防爆器 10-110-3 共六十六頁(yè)鍋爐爐膛(ltng)爆炸事故的保護(hù)層分析47分析場(chǎng)景(chng jng)識(shí)別 鍋爐爐膛外爆的場(chǎng)景路徑鍋爐爐膛內(nèi)爆的場(chǎng)景路徑共六十六頁(yè)鍋爐爐膛爆炸(bozh)事故的保護(hù)層分析48初始事件頻率(pnl)確定爐膛瞬間滅火燃料漏入爐膛未經(jīng)適當(dāng)吹掃進(jìn)行點(diǎn)火燃燒器火焰喪失吹掃風(fēng)量過(guò)大將灰斗的可燃物揚(yáng)起外爆事故初始事件內(nèi)爆事故初始事件送風(fēng)和引風(fēng)設(shè)備運(yùn)行不正常燃料輸入急劇減少主燃料跳閘 根據(jù)OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合電力公司調(diào)研結(jié)果，確定外爆和內(nèi)

12、爆初始事件的發(fā)生頻率分別為16次/年和31次/年共六十六頁(yè)鍋爐爐膛爆炸事故(shg)的保護(hù)層分析49場(chǎng)景(chng jng)風(fēng)險(xiǎn)量化鍋爐爐膛外爆的保護(hù)層分析圖鍋爐爐膛內(nèi)爆的保護(hù)層分析圖共六十六頁(yè)爐膛(ltng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)安全完整性等級(jí)確定50風(fēng)險(xiǎn)(fngxin)矩陣法事故后果分類(lèi)嚴(yán)重程度描述較輕影響一開(kāi)始只限制在本地區(qū)域，若無(wú)相應(yīng)保護(hù)措施，可能造成嚴(yán)重后果嚴(yán)重可能造成嚴(yán)重?fù)p害或死亡，造成出事地500萬(wàn)元或出事地周邊100萬(wàn)元財(cái)產(chǎn)損失特別嚴(yán)重超過(guò)“嚴(yán)重”的程度5倍事故可能性分類(lèi)事故可能性描述低事故發(fā)生小于10-4次/年，具有非常低的可能性中事故發(fā)生介于10-4與10-2次/年，具有中等可

13、能性高事故發(fā)生大于10-2次/年，具有高可能性風(fēng)險(xiǎn)矩陣共六十六頁(yè)爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)安全完整性等級(jí)(dngj)確定51風(fēng)險(xiǎn)(fngxin)圖法事故后果分類(lèi)分類(lèi)描述CA輕微受傷CBPLL=0.01至0.1CCPLL=0.1至1.0CDPLL1.0人員處于危險(xiǎn)區(qū)域的頻率分類(lèi)分類(lèi)描述FA較少處于危險(xiǎn)區(qū)域，處于危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間少于總時(shí)間的10%FB經(jīng)常或永久處于危險(xiǎn)區(qū)域未能避開(kāi)危險(xiǎn)事件的概率分類(lèi)分類(lèi)描述PA一定條件下可能PB幾乎不可能未安裝SIS的后果發(fā)生頻率分類(lèi)描述W10.03次/年W20.03次/年0.3次/年W30.3次/年3次/年共六十六頁(yè)目錄(ml)1. 課題背景(bijng)及研究現(xiàn)狀2.

14、 安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評(píng)估3. 火電廠鍋爐運(yùn)行過(guò)程的危險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析4. 鍋爐爐膛爆炸的保護(hù)層分析5. 爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評(píng)估6. 總結(jié)與展望52共六十六頁(yè)FSSS的工作(gngzu)原理、結(jié)構(gòu)及安全功能53FSSS的工作(gngzu)原理燃燒控制系統(tǒng)（CCS）:控制燃燒狀態(tài)、空氣/燃料比爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS） :安全保護(hù)、順序控制FSSS 的組成結(jié)構(gòu)FSSS的安全功能點(diǎn)火前 油泄漏試驗(yàn)、爐膛吹掃運(yùn)行中 油燃燒器管理、煤燃燒器管理危險(xiǎn)狀況 主燃料跳閘、油燃料跳閘共六十六頁(yè)主燃料(rnlio)跳閘硬跳閘回路的安全性與可靠性分析54主燃料(rnlio)跳閘（MFT）的功能實(shí)現(xiàn)帶

15、電動(dòng)作MFT硬跳閘回路 MFT原理失電動(dòng)作MFT硬跳閘回路共六十六頁(yè)主燃料跳閘(tio zh)硬跳閘(tio zh)回路的安全性與可靠性分析55兩種動(dòng)作方式硬跳閘回路結(jié)構(gòu)(jigu)對(duì)比 帶電動(dòng)作 失電動(dòng)作手動(dòng)按鈕 觸點(diǎn)串-并聯(lián) 觸點(diǎn)并-串聯(lián)DCS輸出繼電器組 常開(kāi)型繼電器三取二 常閉型繼電器三取二跳閘繼電器 SIMTT KDN-B 型繼電器 SIMTT D8-ULB型作繼電器共六十六頁(yè)主燃料跳閘(tio zh)硬跳閘(tio zh)回路的安全性與可靠性分析56MFT硬跳閘回路的失效模式(msh)、影響及診斷分析（FMEDA）帶電動(dòng)作MFT硬跳閘回路的失效率分類(lèi)名稱(chēng)各失效模式下的失效率 ( )

16、冗余結(jié)構(gòu)12SUSDDUDD電源單元004477121oo20.02手動(dòng)跳閘按鈕404002oo20.05按鈕常開(kāi)觸點(diǎn)10200正邏輯串-并聯(lián)DCS輸出繼電器80102oo30.0250.3SIMTT KDN-B型繼電器77010101oo1OMRON帶電跳繼電器4406901oo1失電動(dòng)作MFT硬跳閘回路的失效率分類(lèi)名稱(chēng)各失效模式下的失效率 ( )冗余結(jié)構(gòu)12SUSDDUDD電源單元447712001oo20.02手動(dòng)跳閘按鈕1103302oo20.05按鈕常閉觸點(diǎn)20010負(fù)邏輯并-串聯(lián)DCS輸出繼電器80102oo30.0250.3SIMTT D8-ULB型繼電器3007201oo1OM

17、RON失電跳繼電器6205101oo1共六十六頁(yè)主燃料跳閘(tio zh)硬跳閘(tio zh)回路的安全性與可靠性分析57MFT硬跳閘回路(hul)的故障樹(shù)分析帶電動(dòng)作MFT硬跳閘回路故障樹(shù)跳閘方式名稱(chēng)要求時(shí)失效概率 PFD安全失效概率PFS帶電動(dòng)作電源單元0手動(dòng)跳閘按鈕按鈕常開(kāi)觸點(diǎn)DCS輸出繼電器SIMTT KDN-B型繼電器OMRON繼電器MFT跳閘回路共六十六頁(yè)主燃料跳閘硬跳閘回路(hul)的安全性與可靠性分析58失電動(dòng)作(dngzu)MFT硬跳閘回路故障樹(shù)跳閘方式名稱(chēng)要求時(shí)失效概率 PFD安全失效概率PFS失電動(dòng)作電源單元0手動(dòng)跳閘按鈕按鈕常開(kāi)觸點(diǎn)DCS輸出繼電器SIMTT U8-U

18、LB型繼電器OMRON繼電器MFT跳閘回路共六十六頁(yè)主燃料跳閘的功能(gngnng)安全評(píng)估59SIS的組成(z chn)爐膛風(fēng)量30%信號(hào)生成爐膛風(fēng)量30%MFT的信號(hào)流圖共六十六頁(yè)主燃料跳閘的功能安全(nqun)評(píng)估60風(fēng)量(fngling)小觸發(fā)MFT的SIS組成SIF傳感器部分邏輯部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)風(fēng)量小觸發(fā)MFT測(cè)量左側(cè)二次風(fēng)流量的3臺(tái)差壓變送器（2oo3），測(cè)量右側(cè)二次風(fēng)流量的3臺(tái)差壓變送器（2oo3），測(cè)量6臺(tái)磨煤機(jī)入口一次風(fēng)流量的12臺(tái)差壓變送器（分6組，1oo2）DPU1，DPU10，DPU12，DPU13，DPU14；DPU10中的AI模件A1、A2、A3（2oo3），DO模件B

19、5、E2、F2（2oo3）；DPU12/13/14中的AI模件A1、A2（1oo2），B1、B2（1oo2）；DPU1中的DI模件B5、C3、D1（2oo3），DO模件B4、C4、C5（2oo3）。硬跳閘回路，采用失電動(dòng)作方式；電氣開(kāi)關(guān)柜；6臺(tái)磨煤機(jī)、6臺(tái)給煤機(jī)、2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)給水泵；過(guò)熱器、再熱器減溫水相關(guān)電動(dòng)門(mén)共10個(gè)；燃油進(jìn)油快關(guān)閥、燃油回油快關(guān)閥、燃油泄漏試驗(yàn)閥；6磨煤機(jī)各分離器出口風(fēng)粉關(guān)斷門(mén)共24個(gè)；各油角閥共32個(gè)。共六十六頁(yè)主燃料(rnlio)跳閘的功能安全評(píng)估61SIL的確定(qudng)部件12二次風(fēng)FT（2oo3）059318861720.10.3一次風(fēng)FT（1oo2）

20、059318861720.1AI模件(1oo2)31452060.025AI模件(2oo3)31452060.0250.3DO模件（2oo3）16121730.0250.3DI模件（2oo3）231636150.0250.3DPU109169412514通信系統(tǒng)1757515892 第一層跳閘繼電器21931040第二層跳閘繼電器661011截止閥0201144224電動(dòng)執(zhí)行器4619052510388共六十六頁(yè)主燃料跳閘的功能(gngnng)安全評(píng)估62整改措施包括：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分采用冗余配置；（2）縮短執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分的功能測(cè)試周期； 對(duì)原有閥門(mén)、電動(dòng)執(zhí)行器、跳閘繼電器組均采用雙重冗余，構(gòu)成二取一邏輯，共因失效因子(ynz)1取0.1。功能測(cè)試周期縮短為0.5年，重新計(jì)算執(zhí)行器的要求時(shí)失效概率 動(dòng)作方式傳感器邏輯控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)SIF帶電動(dòng)作失電動(dòng)作截止閥電動(dòng)執(zhí)行器跳閘繼電器組執(zhí)行機(jī)構(gòu)SIF帶電動(dòng)作失電動(dòng)作共六十六頁(yè)目錄(ml)1. 課題背景(bijng)及研究現(xiàn)狀2. 安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全