作者：高嗣晟 中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司 葫蘆島設(shè)計(jì)院
安全儀表系統(tǒng)（SIS）在石油化工中的應(yīng)用越來越普及，在提高裝置安全性的同時(shí)，也需重視生產(chǎn)的可用性。儀表安全功能（SIF）回路傳感器子系統(tǒng)、安全型控制邏輯器、執(zhí)行元件子系統(tǒng)存在一定的安全失效概率λS，導(dǎo)致裝置聯(lián)鎖停車。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的石化裝置來說，非計(jì)劃停車將會(huì)帶來一些經(jīng)濟(jì)、安全、考核等方面的影響。
根據(jù)《中國石化安全儀表系統(tǒng)SIL評(píng)估管理規(guī)定（試行）》（中國石化安［2013］259號(hào)文）3.10.4條規(guī)定，“根據(jù)企業(yè)需求，計(jì)算關(guān)鍵過程誤停車率（STR）”。在保證安全的前提下，希望SIS所造成的誤停車次數(shù)越低越好。
1、STR計(jì)算方法
ISATR84.00.02Safety Instrumented Function （SIF）SafetyIntegrity Level?。⊿IL）Evaluation Techniques Part 2：Determining the SILof a SIF Via Simplified Equations中STR的計(jì)算步驟如下：
1） 計(jì)算安全失效概率λS。
a） 若設(shè)備取得SIL的認(rèn)證，則λS按下式計(jì)算［1］：
λS=λsu+λsd （1）
式中：λsu——未檢測(cè)到的安全失效概率；λsd——檢測(cè)到的安全失效概率。λsu，λsd的值可從設(shè)備SIL認(rèn)證證書上獲得。
b） 若設(shè)備未取得SIL認(rèn)證，則λS的計(jì)算按下式計(jì)算：
λS=1/MTTFspurious （2）
式中：MTTFspurious——平均安全失效前時(shí)間， 設(shè)備的MTTFspurious若無數(shù)據(jù)可查，則可參考ISATR84.00.02 Safety Instrumented Functions （SIF）SafetyIntegrity Level（SIL） Evaluation Techniques Part 1： Introduction 表5.1中的參考值。
2）“1oo1”時(shí)：
STR=λS （3）
3）“1oo2”時(shí)：
STR=2Λs （4）
4）“2oo2”時(shí)：
STR=2（λS）2×MTTR （5）
式中：MTTR——平均恢復(fù)時(shí)間，一般取8h。
5）“2oo3”時(shí)：
STR=6（λS）2×MTTR （6）
6）分別計(jì)算SIF回路中的傳感器子系統(tǒng)、邏輯子系統(tǒng)、執(zhí)行元件子系統(tǒng)、電源的STR后，計(jì)算SIF回路系統(tǒng)的∑STRSIS：
∑STRSIS=∑STRS+∑STRL+∑STRFE+∑STRPSI（7）
式中：∑STRS——從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件至邏輯系統(tǒng)的傳感器子系統(tǒng)STR；∑STRL——IO模塊、處理器等的邏輯子系統(tǒng)STR；∑STRFE——從邏輯系統(tǒng)至現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件的執(zhí)行元件子系統(tǒng)STR；∑STRPSI——電源的STR。
7）計(jì)算SIF回路的平均誤動(dòng)作前時(shí)間：
MTTFSIS＝1/∑STRSIS （8）
2、誤停車等級(jí)的確定
SIF回路誤動(dòng)作引起的嚴(yán)重程度性級(jí)別稱為誤停車等級(jí)（STL）［2］，各企業(yè)可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)誤停車造成的時(shí)間、原料、成品、利潤等損失進(jìn)行綜合評(píng)估，如某公司SIF回路的STL要求見表1所列。
可根據(jù)評(píng)估SIF回路誤動(dòng)作導(dǎo)致的損失金額來確定SIF回路的STR，判斷目前SIF回路的設(shè)備配置是否滿足要求，并進(jìn)一步對(duì)SIF回路配置進(jìn)行優(yōu)化，降低STR。
3、應(yīng)用案例
某工業(yè)爐P&ID如圖1所示，當(dāng)爐出口介質(zhì)溫度（TE101）高高、長明燈壓力（PT102）低低、爐燃料氣壓力（PT101）低低其中發(fā)生任何1項(xiàng)時(shí)，則聯(lián)鎖關(guān)閉工業(yè)爐燃料氣進(jìn)料切斷閥（XV101），同時(shí)關(guān)閉長明燈燃料氣進(jìn)料切斷閥（XV102），使工業(yè)爐熄滅。
圖1工業(yè)爐P&ID示意一
工業(yè)爐熄滅后造成產(chǎn)品不合格，中斷了企業(yè)連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)時(shí)間，對(duì)工業(yè)爐進(jìn)行吹掃后重新點(diǎn)火至正常生產(chǎn)約6h，綜合評(píng)估后此SIF回路聯(lián)鎖造成的損失為200萬元，根據(jù)表1，SIF回路為STL2。圖1所示 P&ID中SIF回路配置如下：
1） 安全型控制邏輯器選用霍尼韋爾SM系統(tǒng)，其MTTFspurious值約為180a，年失效概率λSy=5.6×10-3，根據(jù)式（3），則邏輯子系統(tǒng)∑STRL=5.6×10-3。
2） 安全型控制邏輯器采用冗余UPS配電，電源MTTFspurious值取20a［3］，λSy=0.05，根據(jù)式（5），雙UPS組成的“2oo2”結(jié)構(gòu)的∑STRPSI=4.6×10-6。
3） SIF回路采用辰竹CZSR8001系列SIL3安全型繼電器，查詢其認(rèn)證報(bào)告可知λSy=1.37×10-2，MTTFspurious值約為73a；安全柵采用辰竹SIL3的GS8547-EX系列，安全柵安全失效時(shí)的輸出電流：或小于3.6mA，或大于21.5mA，或?yàn)?；機(jī)柜間內(nèi)浪涌保護(hù)器 采用辰竹SIL3的T系列產(chǎn)品，串聯(lián)在回路中，當(dāng)浪涌保護(hù)器失效時(shí)回路斷開；現(xiàn)場(chǎng)儀表端浪涌保護(hù)器選用辰竹SIL3的CZLBX系列，可串聯(lián)或并聯(lián)在回路中，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)回路發(fā)生斷路或短路。上述儀表回路電流發(fā)生異常均可通過安全型控制邏輯器組態(tài)實(shí)現(xiàn)只報(bào)警不聯(lián)鎖，故浪涌保護(hù)器、安全柵對(duì)SIF回路的STR沒有影響。
4） 當(dāng)熱電偶、壓力變送器、電磁閥、切斷閥均采用未經(jīng)SIL認(rèn)證的普通儀表，其MTTFspurious值見表2所列。
取A～E 5個(gè)工廠將各設(shè)備的MTTFspurious求平均值，帶入式（2）～式（8），得出表3所列的“MooN”結(jié)構(gòu)下現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的STR。
圖1中的P&ID儀表均采用了“1oo1”結(jié)構(gòu)，其STR=λS，則含2個(gè)壓力變送器、1個(gè)熱電偶的傳感器子系統(tǒng)∑STRS=8.5×10-2；含2個(gè)繼電器、電磁閥和氣動(dòng)切斷球閥的執(zhí)行元件子系統(tǒng)∑STRFE=0.1914；根據(jù)式（7），SIF回路∑STRSIS=0.28＞0.10，其為STL1，不滿足STL2的要求；根據(jù)式（8），SIF回路的平均誤動(dòng)作前時(shí)間MTTFSIS=3.6a。
5） 當(dāng)壓力變送器、電磁閥、切斷閥均采用取得SIL認(rèn)證的儀表時(shí)，其λSy值及組成“MooN”結(jié)構(gòu)的STR值見表4所列。
圖1中的P&ID儀表均采用了“1oo1結(jié)構(gòu)”，其STR=λS，則含2個(gè)壓力變送器、1個(gè)熱電偶的傳感器子系統(tǒng)∑STRS=4.846×10-2；含2個(gè)繼電器、電磁閥和氣動(dòng)切斷球閥的執(zhí)行元件子系統(tǒng)∑STRFE=4.4×10-2；根據(jù)式（7），SIF回路的∑STRSIS=9.8×10-2＜0.10，滿足STL2的要求；根據(jù)式（8），SIF回路的平均誤動(dòng)作前時(shí)間MTTFSIS=10.2a。
6） 從上述計(jì)算可以看出，此SIF回路中熱電偶和電磁閥的STR占比較大，為了使SIF回路實(shí)現(xiàn)STL2的目標(biāo)，燃料氣壓力變送器（PT101，PT102）選用未經(jīng)過SIL認(rèn)證的“2oo3”結(jié)構(gòu)的壓力變送器、介質(zhì)出口溫度檢測(cè)選用“2oo3”結(jié)構(gòu)的3芯熱電偶（TE101A/B/C），如圖2的P&ID所示，則傳感器子系統(tǒng)∑STRS=1.6×10-5。
圖2工業(yè)爐P&ID示意二
采用經(jīng)過SIL認(rèn)證的電磁閥和未經(jīng)過SIL認(rèn)證的普通氣動(dòng)切斷球閥相組合的形式，則含2個(gè)繼電器、電磁閥和氣動(dòng)切斷球閥的執(zhí)行元件子系統(tǒng)∑STRFE=7.88×10-2。
根據(jù)式（7），SIF回路的∑STRSIS=8.4×10-2＜0.1，滿足STL2的要求；根據(jù)式（8），SIF回路的平均誤動(dòng)作前時(shí)間MTTFSIS=11.9a.
4、結(jié)束語
對(duì)于化工行業(yè)而言開停工過程危險(xiǎn)系數(shù)大，在意外停工后重新啟動(dòng)運(yùn)行過程中容易發(fā)生安全事故，故應(yīng)降低SIF回路的STR。在SIF回路滿足SIL的前提下，SIS設(shè)計(jì)及設(shè)置宜遵循如下幾條建議：
1） 安全型控制邏輯器和基本過程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，組態(tài)實(shí)現(xiàn)儀表信號(hào)斷路、短路、異常（小于4mA或大于20mA）報(bào)警，儀表回路的短路、斷路和信號(hào)的異常不應(yīng)導(dǎo)致聯(lián)鎖停車［6］。
2） 安全柵、浪涌保護(hù)器安全失效不會(huì)導(dǎo)致SIF回路誤動(dòng)作，接線箱內(nèi)的信號(hào)斷路、短路也沒有影響，但是為了減少中間環(huán)節(jié)，SIF回路的儀表可采用隔爆型［7］，不經(jīng)過接線箱直接單拉至機(jī)柜間，當(dāng)采用接線箱時(shí)，SIS和BPCS的信號(hào)不宜共用大電纜。
3） 安全型控制邏輯器輸出至現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的信號(hào)采用繼電器隔離，提高帶載能力，不建議采用DO卡件直接驅(qū)動(dòng)電磁閥。
4） 間隙操作的精細(xì)化工、醫(yī)藥等裝置中，誤停車損失較小，恢復(fù)生產(chǎn)較快，傳感器子系統(tǒng)和執(zhí)行元件子系統(tǒng)可選用“1oo1”結(jié)構(gòu)的儀表設(shè)備；對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的石化裝置中關(guān)鍵的SIF回路（誤停車導(dǎo)致的損失嚴(yán)重），為了降低SIF回路的誤停車率，檢測(cè)元件子系統(tǒng)宜采用“2oo3”結(jié)構(gòu)的未經(jīng)過SIL認(rèn)證的普通儀表，由電磁閥和控制閥組成的執(zhí)行元件子系統(tǒng)宜選用“1oo1”的取得SIL認(rèn)證的儀表設(shè)備。
SIS中的儀表設(shè)備、安裝附件應(yīng)選用知名度高、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品，避免因儀表本身質(zhì)量及安裝等問題，導(dǎo)致聯(lián)鎖停車［8］。
5） 當(dāng)采用“NooM”的方式時(shí)，儀表的取源部件不應(yīng)共用，如1個(gè)孔板接3個(gè)差壓變送器，以免因取源部件的堵塞導(dǎo)致誤動(dòng)作；非模擬量傳感器輸出信號(hào)宜為Namur，避免因繼電器觸點(diǎn)失效導(dǎo)致誤動(dòng)作。
6） 供電是SIS的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，在有條件的情況下可采用雙回路UPS供電的方式，UPS及電池組應(yīng)選用成熟可靠的產(chǎn)品，能輸出綜合故障信號(hào)至基本過程控制系統(tǒng)，以便及時(shí)地進(jìn)行修理［9］。在平時(shí)生產(chǎn)過程中，也應(yīng)注重對(duì)UPS及供電環(huán)節(jié)的維護(hù)，避免因電源的原因?qū)е侣?lián)鎖停車。
7） 對(duì)于聯(lián)鎖停電機(jī)的SIF回路，執(zhí)行元件子系統(tǒng)可理解為安全型控制邏輯器內(nèi)的繼電器和MCC配電回路中的繼電器，對(duì)于重要的SIF回路，電氣專業(yè)的MCC配電回路中間繼電器也宜選用SIL3的。
8） 應(yīng)完善SIS的管理制度，對(duì)能引發(fā)停車的現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵的儀表、閥門、按鈕等進(jìn)行特殊標(biāo)記，并設(shè)置能有效防止操作或維護(hù)人員誤動(dòng)作的措施；安全型控制邏輯器應(yīng)配備專業(yè)人員操作維護(hù)，減少因業(yè)務(wù)不熟練導(dǎo)致的誤停車。
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