安全仪表系统1

安全仪表系统及其在加氢装置的应用中国石化工程建设公司（SEI）王为华2006.4.261.安全仪表系统概述1.1安全仪表系统主要构成1.1.1IEC61511的定义传感器逻辑控制单元最终执行机构1.1.2SIS系统各单元的故障概率(PFDavg)传感器：42%逻辑控制单元：8%最终执行机构：50%1.2功能安全仪表系统的概念IEC61511提出,系统故障时,1不伤亡人员不损伤设备不对环境造成破坏1.3SIS与DCS的区别与DCS所处层面不同与DCS工作性质不同与DCS对可靠性要求不同22.安全度等级的概念2.1安全度等级的划分IEC61508将一个装置的安全度等级划分为4级:SIL1-4级(SafetyIntegrityLevel):SIL1级SIL2级SIL3级SIL4级根据IEC61511”功能安全”的要求，综述这4级的不同内容。2.2安全度等级与系统发生故障概率(PFDavg)2.2.1IEC61508与IEC61511对不同的安全度等级所要求的系统发生故障的概率作出了规定。如下表所示。3SIL系统发生故障的概率(PFDavg)(ProbabilityofFailureonDemand)风险降低因子(RRF).(RiskReductionFactor)410-5~10-4104~105310-4~10-3103~104210-3~10-2102~103110-2~10-110~100可见，装置所要求的安全度等级越高，则要求它所采用的安全仪表系统发生故障的概率越低，相应地，要求系统所具有的风险降低因子越高。SIL与PFD是安全仪表系统的目标值。42.2.2安全仪表系统的工作模式SIS系统分为两种类型，具有不同的工作模式连续操作模式(SystemwithaContinuousModeofOperation)其故障率(FailureRates)以每年中的每小时故障次数表示。按指令操作模式(SystemsOperatingonDemand)其故障率按每个指令发生的故障次数表示。2.2.3.安全仪表的故障模式(FailureModel)安全故障(SafeFailure)可以检测到的安全故障(SafeDetected)，其故障率为λsd不可以检测到的安全故障(SafeUnDetected)，其故障率为λsu危险故障(DangerousFailure)可以检测到的危险故障(DangerousDetected)，其故障率为λdd不可以检测到的危险故障(DangerousUnDetected)，其故障率为λdu5安全故障率为λs=λsd+λsu危险故障率为λd=λdd+λdu显性故障(OverFault)即为安全故障,(对出现的故障能够报警显示)隐性故障(CoverFault)即为危险故障。(对产生的危险性及故障不报警,并任危险性发展下去).检测SIS系统故障的三种方式:通过正常的过程操作,人为使SIS系统某一局部发生S/D,来检测系统。通过定期测试(Test)：例如StuckOn/StuckOff功能。通过SIS系统内部自诊断(Diagnostics),通过内置诊断软件实现。62.3安全度等级的初步确定SIS的安全度等级是由构成SIS系统的三个单元的SIL来初步确定的:SIL装置=SIL传感器+SIL逻辑单元+SIL执行机构例如传感器为SIL2级,而SIL2每年故障概率平均值为0.01~0.001，取中间值为0.005；逻辑单元为SIL3级，取中间值为0.0005；执行机构为SIL1级，取中间值为0.05，则PFDavg=0.005+0.0005+0.05=0.0555，初步确定为SIL1级。即装置的安全度等级由其构成的三个单元中最低的SIL等级决定。对于传感器和执行机构，如果不能满足安全功能的SIL等级要求，可以通过马尔可夫模型（MarkovModel）计算，确定选取1OO2D、2OO3、2OO4D等配置方案。为使一个工艺装置达到安全目标需在IEC61508与61511及ISAS84.01安全标准的基础上，对工艺过程进行故障分析，采用风险评估的方法，来确定装置及SIS系统的SIL等级要求。7采用故障分析和风险评估可以确定一个工艺装置是否需要独立设置SIS系统。SIS的需求是由装置的安全度等级SIL来确定的。SIL安全度等级又与SIS系统的实用性及其可能发生故障的概率PFD相关，如下表所示。SILPFDavg实用性A110-1-10-20.90-0.99210-2-10-30.99-0.999310-3-10-40.999-0.9999410-4-10-50.99998关于HAZOP（HazardandOperabilityStudy）目前有些装置在设计SIS系统时，采用HAZOP方法，来确定装置所需的SIL等级。下面简介一下采用HAZOP的确定SIL等级的步骤。SIL评级前应先进行HAZOP，对工艺流程进行全面的评估并提出需要报警和仪表安全联锁的部分，作为SIL评级的设计输入。所有的报警和联锁都要进行相应的SIL评级。经过SIL评级后，某些报警可能需要提高等级到安全联锁，某些安全联锁也有可能降低等级到报警，某些报警也有可能被取消。不同工程公司的SIL评级方法不尽相同，对于安全的要求也有所不同。评定SIL等级时，一般而言都是先假设没有SIS功能，在只考虑DCS、预报警、机械设备等对危险减低的情况下，根据危险发生的概率和危险发生时带来危害程度，对应于一定SIL等级评定矩阵，最后得出相应的SIL级别。92.4安全仪表系统可靠性基本参数MTTF、MTTR、MTBF实用性A（SafetyAvailability）MTTFMTTFμMTTF+MTTRMTBFλ+μ故障率λ(FailureRate)A==A=SIS系统发生故障的概率PFD，通常用其平均值表示PFDavg安全故障余数SFF（SafeFailureFraction）1011风险降低因子RRF(RiskReductionFactor)RRF=1/PFD维修率μ(表示SIS系统部件维修成功的可能性)μ=1/MTTR可靠性R(t)(Reliability)可靠性是时间的函数R(t)=1-F(t)dR(t)/dt=f(t)f(t)=λe-λtR(t)=e-λt系统部件发生故障的可能性F(t)F(t)是时间的函数，F(t)=1-R(t)=1-e-λt∵ex=1+x+x2/2!+x3/3!+x4/4!+••••≈1+x∴e-λt=1-λt∴F(t)=1-e-λt≈λt12随着时间的推移，安全仪表系统部件发生故障的可能性F(t)逐渐增大。而其可靠性R(t)逐渐降低，两者之间的趋势可用下图表示：132.5对SIS系统硬件的容错要求为保证SIS系统的可靠性，IEC61511提出了对SIS系统硬件的最少容错要求。下表主要是对SIS逻辑运算和控制单元（LogicSolvers）的容错要求。SIL安全度等级硬件容错要求（HardwareFaultTolerance）SFF60%SFF60%~90%SFF90%1100221033214IEC61508规定的特殊应用要求142.6安全度等级所对应的实用性及风险降低因子根据IEC61508标准，安全仪表系统的实用性、风险降低因子与安全度等级及相对应的德国TŰV认证等级如下所示：APFDRRFTUVAK1-6SIL实用性(发生故障的概率)(风险降低因子)GERMANAPPL.CLASS(AK)499.99%0.0001100007399.9%-99.99%0.001-0.00011000-100005-6UtilityBoilers299%-99.9%0.01-0.001100-10004IndustrialBoilers190%-99%0.1-0.0110-1002-3(一般工业应用)ChemicalProcesses(石化装置)NuclearPower(核电站工业)典型应用领域(TypicalApplication)152.7安全仪表系统可靠性基本参数计算实例例1.例2.例3.例4.例5.例6.例7.例8.162.8安全仪表系统对现场仪表的容错要求2.8.1SIS系统对现场变送器及执行机构的最小容错要求如下表所示SILSFF60%SFF=60%~90%1002113214IEC61508特殊要求172.8.2SIS系统一个回路的PFD的确定以国外报导资料为例:传感器Sensor逻辑单元LogicSolver执行机构ControlValvePFD=228X10-95X10-9308X10-2这一回路的PFD=228X10-9+5X10-9+308X10-2≈308X10-2182.8.3现场变送器的安全认证情况据资料报导，截止到2005年6月底，EMERSON公司的3051S型压力变送器及3144P型温度变送器已经取得了SIL2经（非冗余应用）和SIL3级（冗余应用）认证，其PFD=6.38X10-4，其SFF=84%。（最近资料显示，其SFF已达到95%）。经过安全认证的3051S型压力变送器，其内部有许多自诊断线路，功能增强许多。另外，据报导EMERSON的CORIOLIS质量流量计，可以用在要求SIL2级的装置（可能目前尚未认证）。其SFF=92%EMERSON的DVC6000数字定位器，已取得SIL1~3级认证。193.加氢装置对安全仪表系统的要求.3.1加氢装置的定义与分类1、定义：通过加氢反应后，原料中至少有10%以上分子变小了的工艺过程。通常用转化率来描述。（Conversion）2、分类：①加氢精制（Hydrorefining）反应压力P10MPa，转化率C10%②加氢裂化（Hydrocracking）P10MPa，C50%③加氢处理（Hydrotreating）P10MPa，C=0(原料油中没有分子变小的工艺过程)④加氢改质（Upgrading）P10MPa，C15%(主要生产低密度，低芳烃及高十六烷值的柴油馏分)⑤缓和加氢裂化（MildtomoderateHydrocracking）P10MPa，C30%(以生产柴油为主要目的）203.2加氢装置的工艺流程及装置组成：1、流程图（略）2、装置组成：加氢装置由反应部分、分馏部分、加热炉及压缩机组等几部分组成。通常包括：原料油罐、自动反冲洗过滤器、高压原料泵、加氢反应加热炉、加氢精制反应器、加氢裂化反应器、冷（热）高分、冷（热）低分、高压空冷器、高压注水泵、分馏塔、分馏加热炉、循环氢压缩机、补充氢压缩机等。3、加氢装置的特点：①高温，高压，临氢环境，要求仪表的压力等级及材质严格满足工艺条件。②加氢装置是耗氢极强放热反应，必须及时补充氢气（一般每吨原料油耗氢250-350NM3，120万吨/年加氢裂化装置需补充H240000NM3/h，否则压力下降。同时又是强放热反应，热量不及时排出，就会加快反应速度从而放出更多的热量，如21此下去，将会导致反应失控，造成“飞温”，使反应器内件及催化剂损坏。所以温度及压力是两个重要的控制参数。③由高压及低压部分组成，两部分的分界面是在高低压分离器，为避免高压串入低压，发生爆炸，所以高分器的液位及界位是极其重要的控制参数。223.3高压工艺管线的等级划分根据ANSIB36.10，B36.19标准，加氢裂化常用工艺管线及仪表测量引线的pipe管等级为SCH160或SCHXXS，大口径用SCH140。口径外径壁厚SCH160SCHXXS1/2”0.84”0.188”0.294”3/4”1.05”0.219”0.308”1”1.315”0.25”0.358”8”8.625”0.812”SCH14010”10.750”1.00”SCH14012”12.75”1.125”SCH140大口径工艺管线根据ANSIB31.3标准，常用Tube管尺寸如下：1/2”(O.D)X0.065”(W.T)，耐压4700psi；或者1/2”(外径)X0.083