基于安全聯(lián)鎖回路的多泄放安全完整性等級校核方法

基于安全聯(lián)鎖回路的多泄放安全完整性等級校核方法

傳統(tǒng)lopa方法的分析模式在石化廠排水和火力系統(tǒng)中釋放火焰的裝置通常由幾個涂層保護，例如壓力調(diào)節(jié)電路（pcv）、超壓鎖保護電路（sif）、機械排水設(shè)備等。當(dāng)PCV和SIF保護層失效時，裝置通常由機械泄壓設(shè)備來泄放至火炬系統(tǒng)，導(dǎo)致產(chǎn)生火炬負荷。目前國內(nèi)在進行SIL定級分析時廣泛采用保護層分析（LOPA）技術(shù)，但是IEC61511《過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)的功能安全》(Functionalsafty-safetyinstrmentedsystemsfortheprocessindustrysector)等標(biāo)準(zhǔn)采用IEC標(biāo)準(zhǔn)給出的LOPA方法對壓力設(shè)備的超壓保護SIF回路進行定級時，只能考慮單一場景的風(fēng)險降低需求及風(fēng)險分配，不能考慮多個關(guān)聯(lián)場景之間的風(fēng)險耦合及其對SIL定級的影響。例如，導(dǎo)致多個壓力設(shè)備發(fā)生超壓風(fēng)險的單一初始事件（公用工程失效等）的發(fā)生，可能使火炬系統(tǒng)壓力超過設(shè)計值，進而可能導(dǎo)致火炬管網(wǎng)的背壓、噪聲、馬赫數(shù)等超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，造成泄放憋壓、火炬氣泄漏甚至火災(zāi)爆炸等事故，因此存在較大的風(fēng)險針對關(guān)聯(lián)泄放導(dǎo)致的風(fēng)險，Lopez等1在聯(lián)合排水中，對火力系統(tǒng)的風(fēng)險和排水裝置的sil等級進行了分析1.1有裝置前、裝置b、裝置c時有裝置前、裝置b多源同時泄放的疊加方法通過計算多裝置同時泄放時泄放路徑及泄放路徑出現(xiàn)概率得到所有可能發(fā)生的泄放情況及其發(fā)生概率舉例說明：假設(shè)電力失效情況下有裝置a、裝置b、裝置c可能發(fā)生泄放，裝置a、裝置b、裝置c的泄放概率分別為P1.2裝置sif回路再分級本文提供的方法適用于以下場景：為方便演示，假設(shè)（以下假設(shè)適用于本節(jié)）廠區(qū)共有M(M>0）個泄放裝置可能泄放至火炬系統(tǒng)，且目標(biāo)工況發(fā)生時可能導(dǎo)致廠區(qū)內(nèi)多個裝置發(fā)生超壓。其中有N(0<N≤M）個裝置由包括SIS系統(tǒng)在內(nèi)的保護層提供保護，在事故工況下，若保護層（諸如SIF回路、壓力調(diào)節(jié)回路PCV等）不失效則N個裝置沒有泄放到火炬的需求；反之則會泄放至火炬系統(tǒng)，產(chǎn)生火炬負荷。其他（M-N）個裝置無超壓聯(lián)鎖功能保護?？紤]關(guān)聯(lián)泄放的泄放裝置SIL定級方法步驟如下。(1）場景分析。對目標(biāo)場景進行如下分析。(1)確認初始場景：判斷初始事件是否可能導(dǎo)致多個裝置同時發(fā)生超壓。(2)確定初始事件發(fā)生時可能發(fā)生超壓泄放的裝置及各裝置在初始場景下的最大泄放量(2）計算M個裝置所有可能發(fā)生的泄放路徑及其發(fā)生概率。利用上述多源同時泄放的疊加方法得到M個裝置的泄放路徑及每條泄放路徑下各裝置的泄放量，每條泄放路徑的出現(xiàn)概率不同，需逐條計算。假設(shè)共有I條泄放路徑，以第i條泄放路徑為例，該泄放路徑中有J個設(shè)備發(fā)生泄放，則第i條泄放路徑的出現(xiàn)概率P式中，α假設(shè)第i條泄放路徑中第j個裝置由H個獨立保護層提供超壓保護，則PFD式中，PFD(3）計算火炬管網(wǎng)參數(shù)超高事件發(fā)生頻率。使用API521提供的計算方法或相關(guān)軟件計算每條泄放路徑下各泄放裝置安全閥背壓、管道壓力、管道馬赫數(shù)、噪聲等參數(shù)。假設(shè)在所有泄放路徑中共有K條出現(xiàn)火炬管網(wǎng)參數(shù)超高的情況，火炬管網(wǎng)參數(shù)超高的概率PFD事故發(fā)生頻率f由式（4）得出：式中，P(4）判斷是否需要對部分泄放裝置進行SIF回路再定級。確定火炬管網(wǎng)參數(shù)超高可能導(dǎo)致的事故及其后果，并根據(jù)廠區(qū)提供的風(fēng)險矩陣確定事故的后果嚴重性等級(5）選取一個裝置，對其SIF回路的SIL等級進行重新定級。選取重新進行SIL定級的裝置時應(yīng)遵循盡量減少重新定級的SIF回路個數(shù)的原則，并優(yōu)先將對風(fēng)險影響較大的泄放裝置的SIF回路重新定級。因此定義N個裝置的選取順序：依據(jù)所有可能存在風(fēng)險的泄放路徑中同一裝置的出現(xiàn)次數(shù)由大到小為泄放裝置進行排序（需要注意的是僅對由SIF回路保護的裝置進行排序）。通常第一次選取裝置進行SIL等級重新定級時應(yīng)選取順序中位于第一位的裝置。所選裝置的SIF回路風(fēng)險降低因子RRF由式（5）得出：式中，f計算選取裝置未實施SIS保護層時的危險頻率f人員傷亡概率式中，P式中,PFD所選裝置的SIF回路風(fēng)險降低因子RRF與SIL等級的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。根據(jù)GB/T21109的要求：分配給安全儀表系統(tǒng)儀表安全功能的安全完整性等級不能高于4，且由于安全完整性等級4需滿足苛刻的條件，安全完整性等級4的應(yīng)用較為罕見(6）若滿足風(fēng)險降低要求，則輸出各裝置SIF回路的SIL等級；若不能，則進行下一步。(7）再次選取裝置，進行SIF回路重新定級。將步驟（5）所選裝置的SIF回路SIL等級調(diào)整為廠區(qū)可接受的最大等級，并依據(jù)裝置選取順序選取下一位裝置，重復(fù)步驟（5）～步驟（7），直到滿足風(fēng)險降低需要。(8）得到所有需要進行SIF回路重新定級的裝置及符合要求的SIL等級?？紤]關(guān)聯(lián)泄放的SIL定級方法流程圖如3所示。2安全閥的設(shè)置某石化廠一聯(lián)合裝置群共有五套設(shè)備，簡記為A、B、C、D、E，這五套設(shè)備均泄放至同一火炬系統(tǒng)，設(shè)備A、B、C、D、E對應(yīng)的安全閥編號分別為1、2、3、4、5。圖4為本實例的火炬系統(tǒng)流程示意圖。精餾塔C、精餾塔D、精餾塔E均由2oo3結(jié)構(gòu)的SIF回路C、SIF回路D、SIF回路E保護。本實例選擇停電工況進行泄放裝置SIL等級分析，停電工況發(fā)生時設(shè)備A、B、C、D、E均可能發(fā)生泄放。已知部分部件的參數(shù)如表2所示。2.1sif回路的風(fēng)險降低因子使用LOPA技術(shù)確定SIL等級的程序可由標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻獲得SIF回路C的風(fēng)險降低因子RRF由式（8）可得。式中，PFD精餾塔D、精餾塔E的風(fēng)險降低因子計算同理。由LOPA方法確定的各SIF回路SIL等級如表3所示。2.2火炬系統(tǒng)泄放路徑(1）場景分析。停電工況下，設(shè)備A、設(shè)備B、精餾塔C、精餾塔D、精餾塔E均可能發(fā)生泄放，其最大泄放量如表2所示。停電導(dǎo)致精餾塔C、D、E的底泵全部停機，精餾塔C、D、E由于塔內(nèi)壓力升高同時泄放至火炬管網(wǎng)，超過火炬處理能力，火炬管網(wǎng)壓力超高導(dǎo)致安全閥無法正常打開，造成裝置和管道憋壓、破裂，導(dǎo)致重大可燃物料泄漏(2）求解泄放路徑及泄放路徑出現(xiàn)概率。(1)在本實例中，設(shè)備A、B在裝置停電工況下通過安全閥向火炬系統(tǒng)泄放，根據(jù)廠區(qū)歷史數(shù)據(jù)，停電工況下設(shè)備A的泄放概率PFD(2)精餾塔C、D、E分別由2oo3結(jié)構(gòu)的SIF回路和安全閥保護，以精餾塔C為例，停電工況下SIF回路C和安全閥3同時失效時，精餾塔C會泄放至火炬系統(tǒng)。精餾塔C、D、E的泄放概率如表4所示。因此停電工況下的泄放組合、泄放路徑如表5所示，每條泄放路徑下各設(shè)備的泄放量及泄放路徑的出現(xiàn)概率如表6所示。(3）計算超壓事故發(fā)生頻率。使用AspenFlarenet軟件對本實例中的火炬管網(wǎng)建模由表7可知，背壓超高的泄放路徑有M1、M4、M5、M6、M10、M11、M12。根據(jù)式（3）可得背壓超高的概率為：PFD(4）判斷是否需要SIF回路再定級。由場景分析可知后果嚴重等級評定為5。據(jù)后果等級和事故發(fā)生頻率得到風(fēng)險等級為“中”，因此可通過部分裝置SIF回路重新定級將風(fēng)險等級降至“低”。2.3考慮關(guān)聯(lián)泄放的sif回路再分級由2.2節(jié)可知背壓超高的泄放路徑有M1（裝置ABC同時泄放）、M4（裝置ABCD同時泄放）、M5（裝置ABCD同時泄放）、M6（裝置ABCE同時泄放）、M10（裝置ABCDE同時泄放）、M11（裝置ABCDE同時泄放）、M12（裝置ABCDE同時泄放），根據(jù)上述泄放路徑中同一裝置的出現(xiàn)次數(shù)，裝置選取序列為：精餾塔C(7次）>精餾塔D(5次）>精餾塔E(4次）。本節(jié)選擇精餾塔C進行SIF回路重新定級。停電工況下精餾塔C無SIS系統(tǒng)保護時獨立保護層為安全閥3，所以此時精餾塔C的泄放概率應(yīng)為安全閥3的失效概率，即0.085。精餾塔C無SIS系統(tǒng)保護狀態(tài)下超壓泄放路徑及出現(xiàn)概率如表8所示。“低”風(fēng)險等級對應(yīng)最大可接受危險頻率f對比2.1節(jié)，本節(jié)由“考慮關(guān)聯(lián)泄放的SIL定級方法”確定的精餾塔C的SIF回路C的SIL等級（SIL2）高于傳統(tǒng)LOPA方法確定的SIL等級（SIL1），說明傳統(tǒng)LOPA方法確定的SIL等級過低，不能滿足本實例中廠區(qū)風(fēng)險降低的需要。兩種方法確定的SIF回路C的SIL等級的不同主要來源于以下兩方面：(1)在對SIF回路C進行定級時，與僅考慮精餾塔C泄放的傳統(tǒng)LOPA方法相比，本節(jié)考慮了停電工況下聯(lián)合裝置的五套設(shè)備同時泄放的可能，此時火炬管網(wǎng)承受的總泄放量和負荷明顯大于僅考慮精餾塔C泄放時火炬管網(wǎng)承受的泄放量與負荷。更大的泄放量與火炬管網(wǎng)負荷將導(dǎo)致更嚴重的事故后果，因此本節(jié)場景分析得到的事故后果等級（5級）高于2.1節(jié)傳統(tǒng)LOPA方法得到的后果等級（4級），進而導(dǎo)致了兩種方法確定的最大可接受危險頻率f(2)停電工況（初始事件）發(fā)生時，使用傳統(tǒng)LOPA方法和“考慮關(guān)聯(lián)泄放的SIL定級方法”對SIF回路C定級時使用的初始事件發(fā)生頻率（P3sil分級“校核”的必要性(1）針對目前廠方對泄放裝置SIF保護回路進行SIL定級時不考慮同一初始事件導(dǎo)致多個裝置泄放的情況，本文基于多源同時泄放的火炬負荷疊加技術(shù)，提出了