6万吨/年双氧水装置安全仪表系统的SIL定级及SIS系统改造

陶 倩 徐德刚

中盐常州化工股份有限公司 江苏 常州 213200

一、前言

随着氯碱化工行业技术与设备的发展,使得化工项目的规模逐渐扩大,配套的技术要求也在不断地提升。本公司双氧水工艺涉及到加氢、氧化高危工艺部分,改造前只采用了DCS、有毒有害、可燃气体报警系统,根据国家监管要求,对现有涉及到高危工艺的装置进行SIS改造具有积极的意义。

二、风险分析方法辨识

目前,SIS的SIL定级应用最为广泛的有三种方法,分别为：矩阵法、风险图法、保护层分析法(LOPA)。

矩阵法或风险图法,可对大量的场景进行快速的梳理,因此适用于安全仪表回路的初步筛选。该法的优点是简单明了,易于掌握,适用范围广。缺点是确定风险可能性、后果严重程度过分的依赖于经验,主观性较大,另一个缺点该分析方法为定性的分析方法,在对风险分析时,只起到了参考作用,在做风险辨识的时候的权威性往往会受到挑战。

保护层分析法(LOPA)作为一种公认的半定量的分析方法,相对矩阵法或风险图法更加量化,其分析结果也更加准确。通常对矩阵法或风险图表识别出SIL等级较高的回路,可使用LOPA方法进行再次分析确认。LOPA的分析危害以确定是否需要安全功能,如果需要,则确定每项安全功能的SIL要求。该方法从危害识别中开发的数据开始,并通过记录启动原因和防止或减轻危害的保护层来解决每个已识别危险,然后可以确定风险降低的总量,并分析对降低风险的需求。LOPA法可以确定适当的SIL,对于每种危害,确定适当的SIL以将风险降低到可容许的水平。

图 HiaGuard PFD参数计算

LOPA是用来确定SIL等级的一个方法,但是LOPA方法无法用来识别过程安全事故场景；而HAZOP是用来识别过程安全事故场景的一个很好的工具,但没法计算场景事故发生频率。使用HAZOP和LOPA结合,把HAZOP中相关信息导入LOPA中,可以用来进行SIF的平均要求时失效概率(PFD)的计算,从而确定SIF的SIL等级。

三、现场技术改造方案

中盐常州化工股份有限公司的一期6万吨/年双氧水装置于2011年开车,现阶段生产稳定。在2017年1月至7月期间,公司的安全、工艺、设备、操作代表等相关人员组成HAZOP分析团队,以危险可操作HAZOP分析方法为基础,对公司“6万吨双氧水装置”(一期装置)、“5万吨高纯度食品级双氧水装置”(二期装置)工艺系统进行详细审查、技术讨论和分析,并形成HAZOP分析报告。当HAZOP分析考虑了已有安全措施的作用下,仍存在的事故场景的风险等级高、风险不能接受,且又无法通过其他手段降低风险时,建议增加SIF来降低风险、直至剩余风险不高于可容许风险,但没有确定该SIF的SIL等级。在确定SIS系统设计方案前,首先需对HAZ0P分析提出的每个SIF进行SIL等级的确定；然后再根据确定的SIL等级设计每个单元的SIS系统。6万吨装置确定了几个SIF分别为：1.氧化塔上塔超温导致闪爆；2.氧化塔下塔超温导致闪爆；3.氧化塔压力偏高引起氧化塔超压损坏、爆炸；4.萃取塔双氧水分解、温度剧升致使发生跑料、设备超压、爆炸事故等。

本次SIL定级是基于HAZOP分析的结果,采用LOPA法。每个SIF的SIL等级采用LOPA方法进行核算,该SIF按照以下步骤进行SIL等级的确定：1)确定SIF；2)确定SIF所需保护的场景；3)确定所需保护的场景的后果、初始事件及其他独立保护层；4)确定后果的可容许风险、初始事件发生频率、其他独立保护层的PFD；5)计算SIF的PFD=可容许风险/所有独立保护层总的平均要求时失效概率(不包括SIF的PFD)；6)根据计算结果确定SIL等级：①假如计算出的PFD大于1,则从控制风险的角度来说,可以不需要SIL等级,但考虑到安全生产的要求,通常建议保留此SIF功能,但不做SIL等级要求(即定为SILA)；

②假如计算出的PFD小于1,则按照表确定该SIF的SIL等级。

部分输出成果见下表：

序号 检测仪表 联锁原因 执行动作 SIL等级1 温度TZ1201氧化塔T201上塔温度过高 联锁停车 SIL2 2 温度TZ1202氧化塔T201下塔温度过高 联锁停车 SIL 3 压力PZI202、PZI203 氧化塔T201压力过高 联锁停车 SIL1 4 温度TZ1301 萃取塔T301温度过高1.联锁停车2.打开塔底快开阀TV1301 SIL1

在完成SIL定级后,根据上表中每个SIF的SIL等级来设计SIS系统,采用了和利时的安全仪表控制系统对现场进行改造升级。

四、SIS系统可靠性介绍

本次改造的SIS安全仪表系统采用和利时的HiaGuard系统,该系统采用了自带诊断的三取二架构(2oo3D),已通过TÜV莱茵公司认证。安全仪表系统的控制逻辑组态软件,即和利时公司专门为工业安全仪表系统而自主研发的工业控制策略组态软件,满足IEC61508对T3工具要求并通过了TUV莱茵SIL3认证。

中心控制室和各现场机柜室所用的电源规格为220VAC,50Hz不间断电源(UPS),电压允许波动范围为AC180V-240V。SIS系统采用双路供电方式(1+1冗余),在任何一路失电的情况,系统卡件都能正常工作,功能不受影响。

该系统的控制器采用双CPU结构,具有强大的数据处理能力和完备的自诊断功能。三重化的控制器物理上相互独立,可有效避免共因失效造成的危险失效。控制器中的SRAM和内存具备掉电数据保持功能,可连续保持6个月数据不丢失,便于停车维护。

安全回路中各组件的检验测试间隔均为1年,传感器的PFDavg-S=4E-04；执行器的PFDavg-A=5E-04,HiaGuard的PFDavg-HiaGuard=5E-05(以上数据均为例子)。则整个安全回路的

该值在10-4至10-3范围之内,因此该安全回路满足SIL3安全功能的要求

采用《HiaGuard PFD参数计算表》计算HiaGuard的PFDavg如图所示。当MRT选取8h、T设置为4years、环境温度选取60℃时,若安全回路组态情形为1路常闭DI信号和1路应用于SIS的DO信号(控制器的模块数固定为3,系统电源和现场电源的模块数固定为2),HiaGuard的PFDavg为5.56138E-05。

五、结论

随着国家对高危工艺的加强监管,不论是在新建项目中,还是针对现役装置的安全仪表系统改造,其安全仪表系统的设置都十分有研究的必要。本次技术改造利用SIS安全仪表系统,实现对化工装置的联锁控制与安全监控,既能够保证化工厂生产的安全性,又能够有力地提升化工企业的自动化控制水平,促进化工行业的长效发展。