安全仪表系统1

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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 1.1.1 IEC61511的定义l传感器l逻辑控制单元l最终执行机构 1.1.2 SIS系统各单元的故障概率(PFDavg)l传感器：42%l逻辑控制单元：8%l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,1l不伤亡人员l不损伤设备l不对环境造成破坏 1.3 SIS与DCS的区别l与DCS所处层面不同l与DCS工作性质不同l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

2、个装置的安全度等级划分为4级: SIL1-4级(Safety Integrity Level):lSIL 1 级lSIL 2 级lSIL 3 级lSIL 4 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) 2.2.1 IEC61508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) (Probability of Failure on Demand)风险 降低因子(RRF). (Risk Reduction Factor)410-510-4

3、104105310-410-3103104210-310-2102103110-210-110100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l连续操作模式(System with a Continuous Mode of Operation)其故障率(Failure Rates)以每年中的每小时故障次 数表示。l按指令操作模式(Systems Operating on Demand)其故障率

4、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(Failure Model)l安全故障(Safe Failure)可以检测到的安全故障(Safe Detected)，其故障率 为sd不可以检测到的安全故障(Safe UnDetected)，其故 障率为sul危险故障(Dangerous Failure)可以检测到的危险故障(Dangerous Detected)，其故 障率为dd不可以检测到的危险故障(Dangerous UnDetected)， 其故障率为du5l安全故障率为s= sd + su l危险故障率为d= dd + du l显性故障(Over Fault)即为安全

5、故障,(对出现的故障能够报 警显示)l隐性故障(Cover Fault)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).l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 Stuck On/Stuck Off 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lSIS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

6、率平均值为 0.010.001，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。l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（Markov Model）计算，确定选取 1OO2D、2OO3、2OO4D等配置方案。l为使一个工艺装置达到安全目标需在IEC61508与61511及ISA S84.01安全标准的基础上，对工艺过程进行故障分析，

7、采用风险 评估的方法，来确定装置及SIS系统的SIL等级要求。7l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A110-1-10-20.90-0.99 210-2-10-30.99-0.999 310-3-10-40.999-0.9999 410-4-10-50.99998l关于HAZOP（Hazard and Operability Study）目前有些装置在设计SIS系统时，采用HAZOP方法，来确定 装

8、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

9、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lMTTF、MTTR、MTBFl实用性 A （Safety Availability）MTTF MTTF MTTF+MTTR MTBF +l故障率(Failure Rate) A= =A=lSIS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（Safe Failure Fraction）1011l风险降低因子RRF(Risk Reduction Factor)RRF=1/PFDl维修率(表示SIS系统部件维修成功的可能性)=1/MTTRl可靠性 R(t) (Reliability)可靠性是时间的函数

10、R(t)=1-F(t)dR(t)/dt=f(t)f(t)=e-tR(t)=e-tl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-t ex =1+x+x2/2!+x3/3!+x4/4!+1+x e-t=1-t F(t)=1-e-t t 12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（Logic Solvers）的容错要求

11、。SIL 安全度等级硬件容错要求（Hardware Fault Tolerance）SFF90%1100221033214IEC 61508 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IEC 61508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TV认证等级如下所示：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 2.8.1 SIS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SILSFF10MPa，C50% 加氢处理（Hydr

12、otreating）P15% (主要生产低密度，低芳烃及高 十六烷值的柴油馏分) 缓和加氢裂化 （Mild to moderate Hydrocracking）P30% (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： 高温，高压，临氢环境，要求仪表的压力等级及材

13、质严格满足 工艺条件。 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H2 40000NM3/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。 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ANSI B36.10，B36.19标准，加氢裂化常用工艺

14、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 SCH 160SCH XXS 1/2”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”SCH 140 10”10.750”1.00”SCH 140 12”12.75”1.125”SCH 140大口径工艺管线根据ANSI B31.3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”(壁厚)， 耐压6200psi。材质通常

15、用31SSS或321SS。23243.4 常用工艺管线材质标准代号.(ASTM: 美国材 料协会)Casted GradeForgedCarbon Steel(CS)A216/WCBA105C-1/2Mo SteelA217/WC1A182/F11 1/4Cr-1/2MoA217/WC6A182/F112 1/4Cr-1MoA217/WC9A182/F22304SSA351/CF8A182/F304304LA351/CF3A182/F304L316SSA351/CF8MA182/F316316LA351/CF3MA182/F316L347SSA351/CF8CA182/F347321SS/A1

16、82/F321通常DN40以下的阀门要求用锻钢，可用承插焊连接。DN50以上的阀门可用铸钢，通常用对焊（BW）或法兰连接。253.5 加氢装置的紧急停车及安全联锁系统 3.5.1 加氢装置安全的特殊重要性3.5.2 加氢装置安全度等级要求：一般为SIL3级，TV6级认证。 3.5.3 安全联锁的内容 -加氢裂化是炼油厂中爆炸和火灾最危险的甲类装置。因此重要 的工艺参数，关键的单体设备（机组）以及它们之间的相互关系构 成了加氢裂化装置紧急停车/安全联锁系统，其因果关系如表3.1所 列。26表3.1 加氢裂化装置安全联锁系统因果关系表273.6 加氢装置紧急泄压系统1、紧急泄压设计方案(1)、有限流孔板时，加电磁阀，当需泄压时，ESD的输出接 点使泄压阀立即完