用于SIL选择的特定HAZOP技术研究-唐彬

用于SIL选择的特定HAZOP技术研究唐彬天津市居安企业管理咨询有限公司关键词:HAZOP,LOPA,SIF,SIL,PFD摘要本文阐述了如何把特定危险与可操作性分析（HAZOP）分析中的信息导入保护层分析（LOPA），进行安全仪表功能（SIF）的安全完整性等级（SIL）确定。1.介绍SIF是用来降低由于工艺参数偏离而造成的工艺安全事故风险的一层保护，且可以根据需要减低的风险值，选择不同的SIL等级的SIF,把过程安全风险降低到可以接受的程度。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，HAZOP是用来识别过程安全事故场景的一个很好的工具，但没法计算事故发生频率。使用HAZOP和LOPA结合，把HAZOP中的相关信息导入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。但这两种方法在结合时，必须满足特定的条件，才能很好结合。下文将阐述如何把HAZOP和LOPA进行有效结合，确定SIF的SIL等级。2.过程安全风险以及如何降低危险化学品企业安全管理的核心是预防和降低过程安全事故，所谓过程安全事故，是由于危险物料或能量意外释放而造成的安全事故。过程安全事故发生过程参见图1：图1：过程安全事故发生图一个化工装置是依靠图2所示的物料和能量的控制模型来减低或减缓过程安全事故：物料和能量控制模型中的第一层容纳是指直接包容物料的设备，管线，阀门，管件等，参数控制设施是指自控回路，报警，安全仪表，压力释放等设施，减缓设施是指泄漏以后的检测探头，消防系统，火气系统等，第二层容纳是指围堰，收集池等设施，用来收集从第一层容纳中泄漏的液体物料。在正常生产时，预防物料从第一层容纳中泄漏必须同时满足以下两个条件：1.物料的参数在设计范围内；2.第一层容纳完好，即在参数没有偏离时，保证第一层容纳能包容物料。图2：物料和能量控制模型化工装置是依靠图3所示的洋葱模型来保证物料的参数在设计范围：图3：洋葱模型化工装置是依靠工艺设计，基本控制（BPCS）,关键报警加人员干预，安全仪表系统（SIS）,物理保护共5层来控制工艺参数，一个装置究竟需要安装几层保护层来控制工艺参数需要经过过程安全分析与评估，以避免保护不足或过度保护。对于一个化工装置来说，过程风险总是存在的，兼顾安全性和经济性，我们需要把过程安全风险控制在容许风险以内。按照国家标准《过程工业领域安全仪表系统的功能安全第3部分：确定要求的安全完整性等级的指南》-GB/T21109.3-2007，在工艺过程设计时，需要通过保护层把过程安全风险降低到容许风险以下，参见图4：过程安全风险降低模型。图4：过程安全风险降低模型在实际的化工设计过程中，通常没有按照图4的模型通过计算来设置各个保护层，而是根据设计规范和工程经验，在初步设计完成后，各个保护层，包括SIS已经设置完成。这会存在如下的问题：1.保护不足，各个保护层总的平均要求时失效概率（PFD）没有把风险减低到容许风险以下；2.保护过度，设置了过多的保护层，导致残余风险远低于容许风险，造成投资过大，和今后的维护成本过大。为了克服化工过程设计中保护不足或过度保护的问题，需要使用保护层分析（LOPA）的方法对过程风险进行计算，但在化工过程设计时，设计者没有明确把各保护层究竟是如何保护特定的事故场景描述清楚。所以需要使用HAZOP的方法把各个工艺安全事故从设计图纸中分析出来，然后使用LOPA的方法进行残余风险计算，以确定保护层是否合适。3.安全仪表功能的作用以及如何确定SIL等级SIF是指具有一定的PFD，且能降低特定的过程安全风险的联锁回路。安全仪表系统(SIS)是一套化工装置所有SIF的组合。SIS与SIF的关系见图5-安全仪表系统图5：安全仪表系统图5中，一个回路代表一个SIF,所有的SIF组合在一起叫做SIS。过程安全风险是通过洋葱模型来降低，在图4中，可以看出安全仪表是用来降低过程安全风险中的一个保护层，也就是洋葱模型中的一片洋葱。但这片洋葱有如下的特点：1.相对于其他的保护来说，其价格相对比较贵，所以通常只有在其他保护不能把风险降低到容许风险以下时，才考虑使用；2.随着科学技术的发展，对于一个SIF,我们可以通过设计，选型，维护来选择以及保证其PFD，而其他保护层无法通过技术手段来确定一个PFD。对于有特定PFD的SIF来说，对应不同的PFD,其SIL等级是不同的，下表为表1：SIL与PFD的对应关系表表1.SIL与PFD的对应关系表（要求操作模式）安全完整性等级SIL平均要求时失效概率PFD风险降低因子4≥10-5to＜10-4＞10,000to≤100,0003≥10-4to＜10-3＞1000to≤10,0002≥10-3to＜10-2＞100to≤10001≥10-2to＜10-1＞10to≤100按照国家标准《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》GB/T21109-2007，对于SIF以及其SIL的等级要求，按照图6：SIF的选择以及相应SIL等级确定的流程。图6：SIF的选择以及相应SIL等级确定的流程按照标准，应该优先选择非SIF保护，然后使用LOPA的方法计算残余风险，假如残余风险大于允许风险，且又无法通过其他手段降低时，才使用SIF进行降低，且SIF的PFDI与其他保护的PFD一起，要足以把风险降低到允许风险以下，从而根据SIF的PFD选择SIL等级。但在实际的化工设计中，设计者通常没有经过LOPA计算，就已经把SIF设计好了，但没有确定SIF的SIL等级，此时需要按照如下步骤进行SIL等级的确定：1.确定SIF；2.确定SIF所要保护的场景；3.确定所要保护场景的后果，初始事件，其他独立保护层；TI4.确定后果的可容忍风险∫i，始事件发生频率∫i，其他独立保护层PFD；T5.SIF的PFD=∫i∫i×PFD(1)，其中：PFD(1)为所有独立保护层总的平均要求时失效概率（不包含SIF的PFD）；6.假如计算出的PFD大于1，则从风险的角度来说，可以不需要SIL等级，但考虑到生产的要求，通常建议保留此SIF功能,但不做SIL等级要求,假如小于1，则按照表1进行SIF的SIL等级确定；4.用于SIL选择的HAZOP分析传统的HAZOP分析表通常有偏离，原因，后果，现有的保护，风险评估（可选），建议措施。但使用LOPA对所需的SIF进行PFD计算时，需要使用到的数据为：初始事件，初始事件发生频率，后果描述，容忍风险，独立保护层，独立保护层的PFD,触发事件或条件，条件修正。为了把HAZOP中的相关信息导出到LOPA中，需要对HAZOP表格进行调整，并在HAZOP分析时，要为LOPA做好铺垫。HAZOP和LOPA表格之间关系参见表2：从HAZOP中导出用于LOPA数据：表2.从HAZOP中导出用于LOPA数据LOPA所需的信息HAZOP可导出的信息是否需要调整传统的HAZOP表格HAZOP分析的要求含有SIF的事故场景偏离不需要在做HAZOP时，要把所有SIF的场景通过偏离表达出来，且要把导致这一偏离的从原因到后果的所有场景在HAZOP分析表中表达清楚,假如本HAZOP只是用来进行SIL选择，则只选择含SIF中的传感器测出的参数偏离作为HAZOP的偏离，把其他偏离删除。SIF描述无不需要从联锁逻辑图或联锁逻辑表中，把SIF从联锁中挑选出来LOPA所需的信息HAZOP可导出的信息是否需要调整传统的HAZOP表格HAZOP分析的要求后果后果不需要在进行HAZOP分析时，要写到风险可接受的后果，以方便LOPA计算时，查找可容忍风险可容忍风险(频率)没不需要在公司的容忍风险表内查找初始事件原因不需要在进行HAZOP计算时，要写到可以查找到初始事件发生频率的初始事件，以方便LOPA计算时，在公司的初始事件发生频率表内，查找初始事件的发生频率初始事件发生频率无没有在公司的初始事件发生频率表内查找,小组根据需要可以调整触发事件没有没有在HAZOP分析时，需要把初始事件发生的触发事件或条件表达清楚触发事件发生频率没没有小组根据现场运行情况确定独立保护层保护措施需要把保护措施改为非独立保护层和独立保护层在HAZOP分析时，对特定的事故场景，需要把独立保护层分开写独立保护层的失效概率没有没有在公司的独立保护层平均要求时失效概率表中查找，但小组可以根据现场情况，进行调整。条件修正描述（点火，影响区域内人员出现，致死）没有没有在HAZOP分析时，要把物料泄漏以后造成的后果的条件在事故后果中用语言表达清楚条件修正概率（点火，影响区域内人员出现，致死）没有没有在公司的条件修正表中查找，并根据实际情况进行选择5.用于SIL选择的特定HAZOP举例本例是中海油某油气处理平台产品测试分离的SIL选择过程，测试分离器的主要意图是把来自单个油井的水，油，气进行物理分离，分别计量后再混合外输到中央处理平台进行油气处理。应业主要求，需要对平台的油气处理流程的SIF进行SIL等级确定，我们计划先使用特定的HAZOP方法找出事故场景，再使用LOPA的方法进行SIL等级确定。我们的分析按照流程图，每张图一个节点，本图中，我们发现只有6个SIF,及高高油位，低低油位，高高水位，低低水位，高高压力，低低压力。按照我们确定的用于SIL选择特定HAZOP分析原则，本节点只分析这六个偏离。按照表1的特定HAZOP规则，对测试分离器的HAZOP分析如下表3：用于SIL选择的特定HAZOP举例表3.用于SIL选择的特定HAZOP举例节点序号节点描述设计意图1测试分离器对单井的油，气，水进行分离，分别计量图号：XXXX会议日期：XXXX参会人员：XXXXX序号偏离描述原因后果非独立保护层独立保护层(1)独立保护层(2)独立保护层(3)建议措施1.1测试分离器WHPB-V-1301压力高高下游任一阀门故障关闭导致测试分离器超压破坏，物料外漏，有潜在的火灾危险1.压力高报警：2.安全阀PSV1301安全阀PSV1302无无上游单井油嘴故障导致测试分离器超压破坏，物料外漏，有潜在的火灾危险压力高报警安全阀PSV1302无无1.2测试分离器WHPB-V-1301压力低低测试分离器及其附属管线由于外力破坏，导致压力低低物料外漏，有潜在的火灾危险低压报警无无无1.3测试分离器WHPB-V-1301油位高高油相下游系统任何一个阀门故障关导致油满流到气相管线内，导致计量不准确，没有严重安全或生产问题高液位报警无无无1.4测试分离器WHPB-V-1301油位低低油位控制回路LIC1303故障气相进入油相管线，导致油路计量不准，没有明显的安全或生产问题低液位报警无无无1.5测试分离器WHPB-V-1301水位高高水相下游系统任何一个阀门故障关导致水进入油相管线，导致有相，水相计量不准，没有明显的安全或生产问题高界位报警无无无1.6测试分离器WHPB-V-1301水位低低水界位控制回路LIC1301故障油相进入水相管线，导致水路计量不准，没有明显的安全或生产问题低界位报警无无无表3中，第一个事故场景，即下游任一阀门导致测试分离器高压，安全阀失效，导致测试分离器高高压破坏，导致物料外漏，导致火灾事故，造成财产损失。把这一事故场景记录在下面的表4：LOPA计算表进行SIF1：PI1307高高压关闭SDV1201的SIL等级确定。表4.LOPA计算表LOPA事故链号事故名SIF描述#1测试分离器WHPB-V-1301超压破坏PI1307高高压关闭SDV1201后果测试分离器超压破坏，物料外漏，有潜在的火灾危险日期XXXXLOPA事故描述由于测试分离器下游阀门故障关，导致测试分离器超压，在安全阀PSA1302故障，且高高压联锁回路PIP1307高高压关闭SDV1201失效时，导致测试分离器破坏，物料外漏，造成火灾事故，导致财产损失严重性频率（次/每年)可接受概率财产损失可能超过1000万元测试分离器下游阀门关闭41.00E-05初始事件1.00E-01触发事件或条件连续化生产1.000条件修正（如果适用）点火概率（高压油气泄漏，静电