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1、80万吨/年甲醇项目安全完整等级（SIL）回路计算实例分析企业：自动化博览日期： 2011-07-08作者赵亮中海石油化学股份有限公司海南省东方市 572600摘要：安全完整性等级（SIL）评估技术是近几年发展起来的针对石化行业一种基于风险的资产管理方法， 国际标准IEC61508和IEC 61511的制定为石化工业等过程工业的安全完整性水平评估提供了依据，对于石化行 业的安全生产水平具有重要的促进作用。本文根据80万吨/年甲醇项目的安全完整性等级计算的过程介绍安全 完整性等级的计算方法，为项目的建设验收以及装置的技术改造提供理论依据。关键词：工艺危害性分析（PHA）；危险与可操作性分析（HA
2、ZOP）；安全完整性等级（SIL）Abstract: Safety Integrity Level （SIL） evaluation technology is an asset management way for risk on oil and chemical industries. It is developed in the closed years. The foundation of IEC 61508 and IEC 61511 provide theory base for SIL, which promote greatly for industry safety oper
3、ation level. This article takes the plant with 800K tons of methanol per year for instance to detail SIL counting method, therefore to set a theory foundation for project built and acceptance as well as the reforming of a plant.KEY WORDS: Process Hazard Analysis （PHA）, Hazard and Operation Analysis
4、（HAZOP）, Safety Integrity Level （SIL）安全完整性等级（SIL）是安全仪表系统（SIS）中的重要组成部分，在国际电工委员会（IEC）标准IEC 61508 以及IEC 61511中有详细的规定，同时在ISA S84.01中有类似的规定，不过ISA S84.01关于SIL的模型已经逐步 被IEC 61508代替，但是在安全完整性等级的计算中还有重要的意义。目前国内大型化工装置中关于安全仪表 的相关论述很多，包括如何进行HAZOP分析，如何进行过程安全保护层分析（LOPA），对于安全完整性等级（SIL） 的确定，但是如何指导工厂的技术工程师对项目的安全完整性等级进
5、行验证，如何收集相关参数论述的较少， 本文从具体安全完整性等级的过程出发，介绍如何进行安全完整性的验算过程，为项目的验收和日后的技术改 造提供计算的方法。1 项目的基本情况介绍80 万吨/年甲醇项目是中海石油化学股份有限公司投资的项目，目前是国内的天然气制甲醇项目单套规模 最大的装置，该项目采用英国DAVY公司的的工艺包，该工艺包代表当今世界最先进的技术。在引进合同的技 术附件中，我们要求DAVY公司在工艺包设计的同时对其所设计的项目进行工艺危害性分析（PHA），提供工厂 的危险与可操作性分析（HAZOP）供业主共同审查，经过HAZOP审查后，DAVY公司在因果图文件中将项目的 安全仪表回路所
6、需要达到的安全完整性等级进行了界定，业主在根据单台设备所需要的要求进行设备采办，然 后在根据采购的设备厂商反馈的参数，验证安全仪表回路的安全完整性等级能否满足设计要求。2 安全完整性等级的验证安全仪表系统在设计安装完成后需要对其进行功能安全评估，以明确其安全功能所达到的安全完整性等级， 即使在装置运行多年后，进行技术改造时也要对装置的完整性等级进行计算，同时装置的检修周期也应该按照 安全完整性等级计算所采用的周期进行检修。在对装置的安全完整性等级计算的结果与装置需要的安全完整性等级进行比较，如果答不到根据风险评估 选择的安全完整性等级，则安全仪表系统应重新设计或进行改造，因此，对于安全完整性等
7、级的演算非常重要。 对于SIL演算常用的主流方法有可靠性框图、故障树和马尔可夫（Markov）模型。2.1 可靠性框图可靠性框图是一种传统的可靠性分析方法，它用图形的方式来表示系统内部元件的传递过程，显示了相关 元件的串并联关系，具有简单、清楚直观的特点，如图1所表示的是一个具有三个通道的2oo3传感器表决组 的可靠性框图。仆腻藝I（寅医实JRJ佚聒耳1（丰共因实妊I怯感嘟L非井因卖妓4图1具有三个通道的2oo3传感器表决组的可靠性框图IEC 61508-6 的附录中给出了使用可靠性框图法的 5 种表决结构的平均停止工作时间和平均要求失效概率 PFDAVG并给出了 PFDAVG的计算公式，结合
8、厂商提供的相关参数，可以计算出相关的安全完整性等级，如果 没有厂商提供的数据，根据IEC 61508提供的经验数据，也可以计算出大致的结果。2.2 故障树故障树（Fault Tree Analysis, FTA）是根据布尔逻辑用图表示系统的特定故障（称为定上事件）它对故障发 生的基本原因进行推理分析，然后建立从原因描述故障的有向逻辑图。2.3 马尔可夫模型马尔可夫模型（Markov）模型定义系统中全部互斥的成功/失效状态，这些状态由带编号的圆圈来表示。系 统由一种状态以某种概率转移到另一种状态，无论发生失效还是进行维修，状态之间的转换用箭头转移弧来表 示，并标注相应的失效率和维修率，从而描述了
9、系统随时间变化的行为，如图2所示。图2马尔可夫模型（Markov）模型定义系统但是构造大型的马尔可夫模型非常费时、费力，求解也非常困难，在反应系统设备间的可靠性关系不如故 障树和可靠性框图直观，在工程项目的验算过程中使用的非常少。在关于安全完整性等级计算还有其它的很多中方法和模型，如混合计算等，但是在工程项目的 SIL 验算以 及装置的技术改造所进行的SIL验算只需要利用IEC 61508或ISA TR84.00.02中的可靠性框图进行计算即可，而 且该框图直观，便于工程技术人员理解和使用。3安全完整性（SIL）验算实例3.1 安全完整性的定义安全仪表系统的的安全功能在要求时的平均失效概率，是
10、计算和组合所有提供安全功能的子系统的平均失 效概率来确定的（如图3），安全仪表系统的平均失效概率计算公式如下：件 -吓咕迷FF吐十円退+阳茲其中：PFDSYS其中为安全仪表系统在要求时的平均失效概率PFDPOWER 为安全仪表的供电电源的平均失效概率PFDS为传感器子系统在要求时的平均失效概率PFDL 为逻辑控制器在要求时的平均失效概率PFDFE 是最终执行元件在要求时的平均失效概率如果安全仪表设计为故障失电，则安全仪表的电源的PFD不影响安全完整性等级的计算，因为系统故障后 处于安全状态，如果安全仪表设计为故障带电状态，则安全仪表的电源的PFD则影响安全完整性等级的计算, 因为80万吨甲醇/
11、年项目的设计理念是正常带电，因此，可以不考虑电源的PFD，电源也无须采用安全仪表电 源。 PFDPOWER 为 0。图 3 安全仪表系统3.2安全完整等级（SIL）与PFD的关系根据IEC 61508中关于SIL与PFD的关系如表1：表1IEC51508S5LS8+.01 SHTUDIN可能前故暉草CPFDSIL1SIL1AK2, AK312SIL2SEL2AK44wJ prD -io12SIL3&EL3AK5, AK石sSIL4AK 匚 AKSn1(APFD锻3.3安全完整等级(SIL)的PFD计算关于安全完整等级(SIL)的计算在IEC 61508第六章和ISA TR84.00.02第二部
12、分有不同的计算方法，两者间 的方法不同，但计算结果大致相同，下面分别对1oo1、1002、2oo3的计算方法进行阐述。3.3.1 IEC 61508 的 PFD 计算在IEC 61508中对1oo1的计算公式如下：对于 1oo2 的计算公式如下：对于 2oo3 的公式如下：张=a一+ M777? + ” “& =(+啦kfg十山心？咕-+血3再 =6(1-PAm +(1-空筝品跖 一 pGMTTff 十 2 卩心，弓其中：TI为验证测试周期MTTR 平均修复时间0为公共故障系数入DD可能检测危险的故障入DU可能没有检测到危险的故障3.3.2 ISA TR84.00.02 的 PFD 计算对于1
13、oo1的计算公式如下：对于 1oo2 的计算公式如下：円从占4心.M7T吋斗 2对于 2oo3 的计算公式如下：FFR师=心一哥+轴M皿-G - %牛其中： TI 为验证测试周期MTTR 平均修复时间B为公共故障系数入DD可能检测危险的故障入DU可能没有检测到危险的故障3.3.3 安全回路认证元件的参数收集安全回路所有的元件包括变送器、安全栅、逻辑控制器、继电器、电磁阀、阀门等元件都需要经过 TUV Rheinland的认证，在认证证书上都有计算安全完整等级所需要的参数，80万吨/年项目几个主要的元件参数见 下表：Honeywell ST 3000 transmitter 见表2表2Mchie
14、lTheSFFk DUlife rimeST 3000AJ1 data P trail emitter92.5驱10伽50 reaisSafety Barriers for transmitter见表 3。表3ModelTaX MlSFfKDF2-STC4-EX 1H-dangeroaii50.8x10亜嗽KDF2-STC4-EX1L-uageiuiis. H-afe156x10113P(rVhPhoenix safety relay 见表 4。表4ModelFFHPFDSFF71PSR-SCP-24TOC/TSDL 益 10”99.5%祈 yearXdsDCX DD50o0%99% 眈IffASCO 3/2-way solenoid valves 见表 5。表5ModelHFTPIES.FF1 - -32704.0 jlKT9g馄D匚琢DCh su扎EflJ0A9S%Li畑】瞠kdMTBFDJk sVfIBF4.57 KiO%2.19 xIO0*l.ioxityS 6(X)(XhB|-L - j J _： 8ESD 切断阀 (Daframs.p.a) 见表 6表6ModelksXdModelXdFka ting Ball1.65 kIOTrilUJLlQD vakes1.82 Klf71.72x
