火電廠汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的安全評(píng)估

1、火電廠汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的安全評(píng)估摘 要：為了使我國(guó)傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)過(guò)程符合國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 需要對(duì)火力發(fā)電廠中的安全相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估。針對(duì)火電廠典型的安全儀表系統(tǒng)SIS鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的安全評(píng)估，從而確保了其安全功能的有效執(zhí)行，并對(duì)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的SIS結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行方式進(jìn)行了相應(yīng)的修改。確認(rèn)系統(tǒng)的安全儀表功能(SIF), 利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法選擇SIF的目標(biāo)安全完整性等級(jí)(SIL); 分析并確認(rèn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其操作模式,通過(guò)搜集系統(tǒng)設(shè)備的失效率數(shù)據(jù), 利用故障樹分析計(jì)算系統(tǒng)定量的安全性指標(biāo)-要求時(shí)失效概率(PFD);通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析給出了系統(tǒng)的改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；鍋爐汽包水位保

2、護(hù)系統(tǒng)；安全完整性等級(jí)；要求時(shí)失效概率0、引言 安全儀表系（Safety Instrumented System，SIS）是由國(guó)際電工委員會(huì)（IEC） 標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508 及IEC61511定義的獨(dú)立于DCS/PLC的專門用于工業(yè)過(guò)程的安全系統(tǒng)，它對(duì)裝置可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)及時(shí)地進(jìn)行響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置按照規(guī)定的條件或程序退出運(yùn)行，從而使危險(xiǎn)降低到最低程度，以保證人員、設(shè)備的安全和避免工廠周邊環(huán)境污染。 在石油、化工、核電等高危險(xiǎn)性流程工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 石油、化工、核電等高危險(xiǎn)性流程工業(yè)都已制定了與本行業(yè)相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此其SIS設(shè)計(jì)相對(duì)于火電廠來(lái)

3、說(shuō)更加規(guī)范，更能滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，安全功能的執(zhí)行情況也更能得到保障。然而，在傳統(tǒng)的發(fā)電行業(yè)中由于之前機(jī)組較小系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高并且為了提高經(jīng)濟(jì)效益過(guò)程的安全問(wèn)題沒有得到重視 一些必要的保護(hù)措施沒有得到合理有效的利用隨著機(jī)組容量的不斷加大各設(shè)備都工作在機(jī)械極限狀態(tài) 電廠中各種大小事故的不斷出使人們開始逐漸重視電廠的安全生產(chǎn) 所以對(duì)火電廠現(xiàn)有的安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估以確保其安全儀表功能的執(zhí)行 對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的SIS結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行方式進(jìn)行相應(yīng)的修改勢(shì)在必行。 火電廠典型的安全儀表系統(tǒng)主要由檢測(cè)部分（傳感器、變送器）、 邏輯運(yùn)算部分、執(zhí)行動(dòng)作部分（閥門、泵、電機(jī)）3部分組成。 火電廠典型的SIS有鍋爐汽壓

4、保護(hù)系統(tǒng)、鍋爐水位保護(hù)系統(tǒng)、直流鍋爐斷水保護(hù)系統(tǒng)、再熱器保護(hù)系統(tǒng)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、燃燒器管理系統(tǒng)、汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)等。現(xiàn)以鍋爐水位保護(hù)系統(tǒng)為例，介紹SIS的安全評(píng)估過(guò)程。1、安全儀表系統(tǒng)的評(píng)估過(guò)程 IEC 61508 針對(duì)由電氣/電子/可編程電子部件構(gòu)成的、起安全作用的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)（E/E/PE）的整體安全生命周期，建立了一個(gè)基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)方法。首次提出的安全完整性等級(jí)（SIL） 成為安全評(píng)估領(lǐng)域中重要的定量評(píng)估指標(biāo)， 確定SIS的目標(biāo)SIL和計(jì)算SIS的要求時(shí)失效概率PFD 成為評(píng)估過(guò)程的主要工作。 確定SIS的目標(biāo)SIL涉及的工作包括過(guò)程危險(xiǎn)分析PHA 和風(fēng)險(xiǎn)分析。 計(jì)算

5、SIS的PFD需要：（1） 確定SIS的結(jié)構(gòu)及操作模式 ；(2) 搜集SIS的可靠性數(shù)據(jù) ；(3) 建立SIS的可靠性模型故障樹或馬爾可夫模型 ；(4) 結(jié)合模型和可靠性數(shù)據(jù)計(jì)算SIS的安全性指標(biāo)PFD。 若有需要還可計(jì)算SIS的可用性指標(biāo)PFS。 最后， 將計(jì)算得到的SIS的SIL與目標(biāo)SIL比較得出系統(tǒng)的安全性是否滿足要求。 整個(gè)系統(tǒng)安全評(píng)估的流程如圖1所示2。2、鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的安全評(píng)估2.1水位保護(hù)系統(tǒng)的安全儀表功能 清楚地確定安全儀表系統(tǒng)的安全儀表功能是安全評(píng)估的首要工作之一。安全儀表功能 （SIF）是指對(duì)某個(gè)具體的潛在危險(xiǎn)事件實(shí)行的保護(hù)措施。安全儀表系統(tǒng)可以執(zhí)行 個(gè)或多個(gè)安全

6、儀表功能。每個(gè)安全儀表功能都有不同的安全完整性等級(jí) 。若多個(gè)SIF共用 1個(gè)設(shè)備，那么此設(shè)備需要滿足所有 中最高的SIL要求。 鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)有2個(gè)SIF:水位高保護(hù)（SIFI）和水位低保護(hù)(SIF2)。 圖 2給出了水位保護(hù)邏輯。 一般水位偏差分為3個(gè)值，稱為高一、高二、高三值（例如：+50、+150、+250mm），反之稱為低一、低二、低三值（例如：-50、-150、-250mm）。SIFI:當(dāng)水位高一、高二值相繼出現(xiàn)且不存在虛假水位時(shí)，汽包水位保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，打開事故放水門。當(dāng)水位恢復(fù)到高一值時(shí)，關(guān)事故放水門。 當(dāng)水位低一、低二值相繼出現(xiàn)時(shí)，開備用給水門。當(dāng)水位出現(xiàn)高三值和低三值時(shí)，

7、需要緊急停爐。這層保護(hù)已不屬于水位保護(hù)系統(tǒng)的范疇，因此圖中未畫出水位高、低三值。2.2目標(biāo)SIL的選擇 通過(guò)危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析確定了系統(tǒng)的 SIF后,需要確定各個(gè)SIF的目標(biāo)SIF。SIF不僅是安全儀表系統(tǒng)安全性能的衡量標(biāo)準(zhǔn),而且是整體安全生命周期中的主線。其選擇應(yīng)該恰到好處，過(guò)高會(huì)造成成本的浪費(fèi)，過(guò)低會(huì)使風(fēng)險(xiǎn)不可接受。因此目標(biāo)SIL的選擇是系統(tǒng)安全評(píng)估中十分重要的工作。 選擇SIL值時(shí),要先假設(shè)沒有安全儀表功能,在只考慮分散控制系統(tǒng)(DCS)、預(yù)報(bào)警、機(jī)械設(shè)備等危險(xiǎn)降低措施的情況下， 根據(jù)危險(xiǎn)發(fā)生的概率和危險(xiǎn)發(fā)生后的危害程度，采用適當(dāng)?shù)?選擇方法，得出安全儀表系統(tǒng)需要達(dá)到的SIL。 SIL選擇的

8、定性方法主要有風(fēng)險(xiǎn)矩陣和風(fēng)險(xiǎn)圖,定量方法有保護(hù)層分析(LOPA).2 種定性方法的原理相似，都是基于分類的方法,主觀性較強(qiáng),且可容忍風(fēng)險(xiǎn)水平都未明確給出 ,而是蘊(yùn)含在圖形結(jié)構(gòu)之中 。而定量方法需要先明確指定一個(gè)可容忍風(fēng)險(xiǎn)水平作為目標(biāo)數(shù)值 ，該目標(biāo)往往采用風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生頻率的形式進(jìn)行表達(dá)， 然后再利用保護(hù)層分析（LOPA）等定量風(fēng)險(xiǎn)可能性分析法分析過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)頻率(未考慮SLS, 但考慮了保護(hù)層),最后將得到的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)與可容忍風(fēng)險(xiǎn)相比,其差值就是必要的風(fēng)險(xiǎn)降低,也就是SIS的目標(biāo)SIL 。這種方法客觀準(zhǔn)確,但需要大量的失效數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)。 本次評(píng)估利用后果分類(表1)和可能性分類(表2)對(duì)汽包水位高和

9、低造成的危險(xiǎn)情況進(jìn)行后果和可能性分類,采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣的方法確定安全儀表系統(tǒng)的功能安全指標(biāo)。鍋爐汽包滿水、缺水事故是鍋爐運(yùn)行的惡性頻發(fā)事故。據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)電鍋爐事故統(tǒng)計(jì)分析，19821985年發(fā)生缺水事故27次，滿水事故45次，每年有13臺(tái)鍋爐因缺水造成水冷壁管大面積損壞。19861989年統(tǒng)計(jì)到的汽包滿、缺水事故高達(dá)121次，占鍋爐運(yùn)行責(zé)任事故的11.2%。從歷史數(shù)據(jù)可判定鍋爐汽包滿、缺水事故屬于頻率較高的事故。 至于鍋爐滿、缺水造成的損失也可以從一些歷史記錄看出其嚴(yán)重程度。例如1991年1月某電廠2號(hào)鍋爐滿水造成汽輪機(jī)軸系斷裂，1997年12月某熱電廠4號(hào)鍋爐缺水造成水冷壁大面積爆破，2004年

10、8月15日上海某廠因機(jī)組汽包水位數(shù)據(jù)采集卡故障“汽包水位低”保護(hù)誤動(dòng)停機(jī)，而每次停機(jī)造成直接經(jīng)濟(jì)損失都會(huì)達(dá)到300萬(wàn)500萬(wàn)元。 這些事例都突出反映了鍋爐滿、缺水事故的嚴(yán)重性。但是鍋爐滿水、缺水事故一般不會(huì)造成人身傷亡，因此對(duì)應(yīng)表1可知其危險(xiǎn)程度屬于較輕的一類。依據(jù)圖3的風(fēng)險(xiǎn)矩陣可知汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的2個(gè)安全儀表功能的目標(biāo)SIL均為2級(jí)。23汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其操作模式的確定2.3.1結(jié)構(gòu) 圖4給出了鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，共分為3部分， 其中檢測(cè)部分為差壓變送器Rose-mount3051C 1、2、3 ，采用三取二表決電路（2oo3）， 邏輯單元為DCS控制器，采用二取一表決電路

11、（1oo2）， DCS中的包含AI和DO模件，AI模件采用與變送器相同的表決形式（2oo3）， 執(zhí)行部分為事故放水門Series 808 1、2（閥組內(nèi)采用1oo2表決，閥組間采用2oo2表決）和備用給水門Series 808。 系統(tǒng)各組成部分及表決形式匯總?cè)绫?所示。23.2操作模式 在IEC61508中，定義了3種操作模式：連續(xù)模式、高操作模式和低操作模式。 安全儀表系統(tǒng)的操作模式是根據(jù)其要求產(chǎn)生的頻率來(lái)進(jìn)行區(qū)分的。在低要求操作模式下，對(duì)一個(gè)安全儀表系統(tǒng)提出操作要求的頻率不大于每年1次且不大于2倍的檢驗(yàn)測(cè)試頻率；在高要求或連續(xù)模式下，對(duì)一個(gè)安全儀表系統(tǒng)提出操作要求的頻率大于每年1次或大于2

12、倍的檢驗(yàn)測(cè)試頻率。低要求操作模式是過(guò)程工業(yè)中最普遍的模式。鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)在基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）正常運(yùn)行時(shí)，是處于靜態(tài)的，只有當(dāng)BPCS對(duì)水位的控制失效，汽包出現(xiàn)滿水或缺水情況時(shí)，它才會(huì)動(dòng)作。而這種要求操作的頻率是非常低的 ，因此將汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的操作模式視為低要求操作模式。2.4系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù) 對(duì)安全儀表系統(tǒng)的安全功能進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)是設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)。可靠性數(shù)據(jù)的確定可以依據(jù)工業(yè)失效數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備的失效模式、影響和診斷（FMEDA）進(jìn)行分析和參照現(xiàn)場(chǎng)失效數(shù)據(jù)的記錄。本次評(píng)估所用的數(shù)據(jù)均依據(jù)設(shè)備的FMEDA分析得出。表4為系統(tǒng)設(shè)備具體的失效率數(shù)據(jù)。2.5系統(tǒng)的故障樹建模及可

13、靠性指標(biāo)計(jì)算 計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)有多種方法 目前廣泛采用的有簡(jiǎn)化方程式可靠性框圖故障樹分析和馬爾可夫分析 本文采用了故障樹分析法計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。 故障樹分析（FTA）是可靠性理論中發(fā)展比較完善的分析方法，是一種自上向下識(shí)別系統(tǒng)故障的方法，可以幫助人們發(fā)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)問(wèn)題。FTA的最終結(jié)果是1張圖。 它表明了哪些事件的結(jié)合可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障，因而指出了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。 故障樹分析方法涉及概率計(jì)算，詳細(xì)的計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)。為了計(jì)算方便，故障樹中的故障和事件可假設(shè)是互斥事件，并且是獨(dú)立事件。在這種假設(shè)下，或門的概率就簡(jiǎn)化為加法，與門的概率就簡(jiǎn)化為乘法。這種技術(shù)在概率較小的情況下可以給出

14、近似解，而在很多情況下，故障概率是小概率。當(dāng)計(jì)算故障率時(shí)，該方法一般來(lái)說(shuō)會(huì)給出偏向保守的結(jié)果。對(duì)于計(jì)算故障概率而言，該方法是滿足要求的。圖5給出了鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)的整體故障樹模型，對(duì)模型中的各部分還需建立其各自的故障樹。 針對(duì)每一部分的失效，根據(jù)其不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立不同的故障樹模型，并由故障樹的結(jié)構(gòu)通過(guò)邏輯計(jì)算得出每一部分的要求時(shí)失效概率（ PFD），進(jìn)而得到整個(gè)系統(tǒng)的要求時(shí)失效概率。 文獻(xiàn)5中給出了系統(tǒng)各種冗余結(jié)構(gòu)的故障樹模型及其PFD與PFS的近似計(jì)算公式，本文直接利用文獻(xiàn)5中的公式計(jì)算各設(shè)備的PFD。假設(shè)共因失效因子 為0，失效率為常數(shù)。 從計(jì)算結(jié)果可以明顯看出此系統(tǒng)SIF2的PFD

15、在0.01到0.1之間，其代表的SIL等級(jí)為1級(jí)，不滿足其SIL2的目標(biāo)。而導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是執(zhí)行器部分的失效率太大，因此需要對(duì)執(zhí)行器部分進(jìn)行改進(jìn)。原系統(tǒng)中采用1個(gè)備用給水門，且其危險(xiǎn)失效率很高?？梢詫⑵鋼Q成失效率低的閥門或者采用1oo2的結(jié)構(gòu)，即添加1個(gè)冗余來(lái)提高執(zhí)行器的安全性。這樣SIF2執(zhí)行器部分的要求時(shí)失效概率為1.24 10-4， 即可滿足SIL2要求。除了更換設(shè)備或改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，提高系統(tǒng)的安全性還可以通過(guò)提高診斷檢測(cè)覆蓋率和縮短儀表的檢測(cè)時(shí)間間隔的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.結(jié)語(yǔ) 從上述評(píng)估過(guò)程可以看出，系統(tǒng)的安全評(píng)估可以使工作人員更清楚地了解系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)所在，從而更好地分配現(xiàn)有的保

16、護(hù)資源，達(dá)到花費(fèi)最少的成本實(shí)現(xiàn)最好的保護(hù)功能的效果。因此，在火電廠安全儀表系統(tǒng)中開展安全評(píng)估不論是對(duì)其安全生產(chǎn)還是對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益都是有利的。參考文獻(xiàn)1 陽(yáng)憲惠,郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全M.北京:清華大學(xué)出版社, 20072 IEC 61508. Functional safety of electrical/ electric/ programmableelectronic safety related systems S.1998.3 王志祥.熱工保護(hù)與順序控制M.北京:中國(guó)電力出版社,1995.4 侯子良,劉吉川,侯云浩,等.鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng) M.北京:中國(guó)電力出版社, 2005.

17、5 威廉戈布爾. 控制系統(tǒng)的安全評(píng)估和可靠性M. 白焰, 董玲,楊國(guó)田,譯.北京:中國(guó)電力出版社, 2008.6 EXIDA. IEC 61508 functional safety assessmentEB/OL. 2010. 06.23 . HYPERLINK http:/www.exida/http:/www.exida. com/index. php/resources/sael_index.（責(zé)任編輯 沈法）電力科技信息 2020年分布式能源將達(dá) 1.3億KW 國(guó)網(wǎng)能源研究院新能源研究所所長(zhǎng)日前表示，考慮到調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的需求，大力發(fā)展分布式能源勢(shì)在必行，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)各類分布式能源的發(fā)展總裝機(jī)有望達(dá)到1.3億kW。 我國(guó)未來(lái)需要在具備資源條件的城市發(fā)展天然氣冷熱電多聯(lián)產(chǎn)、城市建筑光伏、中小城鎮(zhèn)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱等多種分布式能源。按照我國(guó)分布式能源系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)，到2020年，小水電將達(dá)到75 GW，天然氣多聯(lián)產(chǎn)將達(dá)到50 GW，小型風(fēng)電將達(dá)到3 GW，城市建筑光伏將達(dá)到1 GW。 目前，我國(guó)分布式能源主要形式包括農(nóng)村小水電、小熱電、城市建筑光伏系統(tǒng)、小型生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)等。由于分布式能源的發(fā)電形式可以獨(dú)立運(yùn)行或直接接入配電網(wǎng)，因此是集中式能源系統(tǒng)