硫磺回收裝置安全儀表系統安全完整性等級評估研究

劉彥昌，陳 鑫

(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266500)

硫磺回收裝置安全儀表系統安全完整性等級評估研究

劉彥昌，陳 鑫

(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266500)

介紹了新建10萬t/a硫磺回收裝置在基礎設計階段，應用LOPA方法開展安全完整性評估過程和結論。探討了LOPA方法在實際項目中應用的注意事項，最后指出安全完整性等級SIL評估的現實意義和存在的問題。

保護層分析； 硫磺回收；安全完整性；危險與可操作性

硫磺回收裝置工藝介質均為劇毒、易燃、易爆特性，且工藝開停工及流程切換較為復雜，一旦事故發生將對人身傷害極大。為保護人身及設備安全，提高裝置自動控制水平，需要設置安全聯鎖保護系統，在裝置出現緊急事故時能夠切換到安全狀態，從而使操作人員危險性大大降低。在具體實施上，哪些部位設置聯鎖，聯鎖是否可以在DCS中實現，沒有做統一要求。而且存在過度設置聯鎖問題，不但造成設備配置的浪費，有些過于苛刻導致裝置誤停車或者聯鎖無法投用。為合理設置聯鎖，某企業在新建10萬t/a硫磺回收裝置SIS設計前，開展了安全完整性評估，深入討論分析基礎上合理設置聯鎖，取得了較好的效果。

1 概述

1.1 硫磺回收裝置工藝說明

某廠10萬t/a硫磺回收裝置原料為酸性氣，產品為液體和固態硫磺，采用采用山東三維開發的“無在線爐”硫回收工藝技術。制硫部分采用部分燃燒法，即一級高溫轉化，兩級催化轉化工藝。尾氣處理部分采用加氫還原吸收工藝。

自溶劑集中再生裝置來的清潔酸性氣，一部分進入制硫燃燒爐的火嘴，其余部分進入制硫燃燒爐爐膛中部。自制硫燃燒爐排出的高溫過程氣進入制硫余熱鍋爐，發生的飽和蒸汽送至蒸汽過熱器過熱。過程氣再經一級轉化器、二級轉化器提高收率，之后制硫尾氣進入尾氣處理部分。

尾氣分液罐出口的制硫尾氣經尾氣加熱器加熱后進入加氫反應器。反應氣經蒸汽發生器后進入尾氣急冷塔。急冷水自尾氣塔底部抽出經急冷水后冷器冷卻后返塔循環使用。尾氣急冷塔頂出來的尾氣進入尾氣吸收塔。自溶劑再生來貧胺液進入尾氣吸收塔上部，自溶劑再生部分來的半貧胺液進入尾氣吸收塔中部，吸收了H2S的富胺液返回溶劑再生部分。尾氣吸收塔定出來的凈化尾氣進入尾氣焚燒爐。焚燒后的高溫煙氣經蒸汽過熱器、尾氣余熱鍋爐后由煙囪排入大氣。

1.2 安全完整性SIL評估概念

安全完整性等級SIL評估主要的概念：

安全儀表系統(SIS)： IEC61511將SIS定義為用來執行一個或多個儀表安全儀表功能(SIF)的儀表系統。其他也有稱為緊急停車系統、安全聯鎖系統等。

安全儀表功能(SIF)：由SIS執行的安全功能，特征是“應對特定的危險事件”并實現必要的風險降低。

安全完整性等級(SIL)：反映了SIS執行SIF時，圓滿完成SIF要求的能力和可靠性水平，IEC61511中分為SIL1到SIL4四個等級。常見的工藝ESD應用是典型的要求操作模式，每個SIL等級對應SIF一個數量級的平均失效概率PFDavg，每提升一個SIL等級，SIF的平均失效概率降低一個數量級，也意味著危險事件發生的可能性降低10倍。

SIL定級包括確定是否需要安全儀表功能SIF和確定SIF需要的安全完整性等級SIL。定量確定SIL常用的技術和方法有風險矩陣、安全層矩陣、風險圖分析、保護層分析、事件樹分析等， IEC61511推薦HAZOP-LOPA結合的方法，以危險與可操作性分析HAZOP給出的數據為基礎，對每個辨識出的風險，確定所需要的SIF，以及SIF應滿足的SIL。

2 評估過程

2.1 準備工作

開展工作前先由裝置管理人員收集齊資料文件，包括 LOPA分析程序文件、硫磺回收HAZOP報告、硫磺回收裝置管道儀表流程圖(P&ID)、聯鎖因果關系圖、工藝操作說明、裝置爆炸危險介質表及區域劃分、有毒可燃氣體檢測器平面布置圖等。

工作團隊的組建對評價質量影響很大，我們盡量安排經驗豐富、專業技術強的人員參加，分析主席和記錄員為經驗豐富的專業公司職員，通過了功能安全工程師認證，設計單位參加工藝和自控專業參加，業主單位安排工藝、設備和儀表工程師，一線操作班長，硫磺裝置老專家，還特意多安排一些列席人員以培養后備力量。由于有些之前沒有參加過SIL定級分析，討論前先開展了專業理論和技術培訓，形成統一思路，提高工作效率和質量。

2.2 評估步驟

SIL分析需要依據以下步驟順序執行：

(1)設置安全目標(風險矩陣及風險可接受標準)；

(2)執行危害辨識及風險分析來評估現有風險；

(3)識別需要的儀表安全功能；

(4)將需要的安全保護功能分配到不同的保護層；

(5)確認是否需要配置SIF回路；

(6)為配置的SIF回路指定其所需的SIL等級。

2.3 SIL等級評估舉例

首先HAZOP通過工藝參數的偏差，識別可能導致的后果，根據嚴重程度提出保護措施，例如HAZOP分析報告節點01，清潔酸性氣從界區到進制硫爐，當爐膛壓力過高，可能產生人員傷亡、爐膛爆炸的惡劣后果，因此提出聯鎖保護措施的需求。

表1

LOPA對此進行進一步細化和量化分析，例如一種可能“尾氣分液罐出口管線上HV 70901誤關”。

表2

表3

(1)能引起制硫爐后路不暢通的具體事件之一是進尾氣焚燒爐管線上HV 80501誤關，該事件的頻率通過查詢失效數據庫，閥門誤動概率為1.00E-02。

(2)造成的后果分兩類，熄火爆炸損壞制硫爐，1套裝置停工、200萬元以下損失，按照《公司風險矩陣》屬于嚴重(3級)后果；另一個人員傷亡，由于酸性氣流量和濃度都極高，可能造成3人以上傷亡，屬于特大(5級)后果，這里選最嚴重的5級示例。

(3)高濃度硫化氫泄漏時，人員不一定在現場泄漏范圍內，因此計算人員暴露概率引起的削減。2h巡檢一次，每組2人，單體設備平均停留時間15min(15/120)；維修人員每天白班作業4h，每組4人(4/24)，兩個概率相加得出人員暴露概率為0.29。

(4)未削減事件頻率=初始事件頻率(1.00E-02)*初始風險削減概率(2.9E-01)=2.9e-3。

(5) 現有措施包括通過尾氣急冷塔頂PAH 80204; 吸收塔塔頂PI 80301兩個參數監控、報警，及時發現問題處理。在LOPA分析時同種類型的措施只削減一次，通過查數據庫，報警及人員干預起到的削減作用為1.00E-01。這里要求必須是獨立保護層才能起到削減作用。

(6) 削減后事件頻率=未削減事件頻率(2.9e-3)*獨立保護層削減頻率(1.00E-01)=2.90E-04。

(7)通過查《公司安全風險矩陣》，對涉及人員傷亡的特大后果事件容忍概率為1.00E-06，那么LOPA的差距=削減后事件頻率(2.90E-04)/容忍概率(1.00E-06)=2.9e+2

(8)LOPA的差距需要通過SIS來削減，低需求模式下需要降低風險目標在100-1000的，對應的SIL等級為SIL2。就是說應對這個閥門誤動風險，必須要設置SIS系統，而且要求SIL2等級。

3 評估成果

本次共計分析了10萬t/a硫磺回收裝置的12個SIF回路，結果見表4。

表4 SIL定級分析結果

*---：無特殊要求；A：無SIL等級要求(在聯鎖邏輯中保留)。

通過分析，硫磺回收裝置需要設置SIS系統且等級至少為SIL2，對結果起關鍵作用的是制硫爐爐膛壓力高高回路 。制硫爐火焰熄滅、酸性氣分液罐液位高高只要求SIL1即可，另外9個聯鎖沒有SIL等級硬性要求。在設備選型時，有SIL需要的回路應配備滿足相應SIL等級的測量儀表和執行機構。

依據SIL評估結果，一些不必要的聯鎖可以在設計階段取消，聯鎖值和聯鎖結構可以優化，從而提高了設計的標準，減少給開工和操作留下的問題。通過評估梳理清楚各SIF回路，得到了描述比較完整的安全要求規格書，使聯鎖設置的目的和作用非常清晰，為生產運行期間維護管理提供參考。

SIL定級分析中還提出8條建議，例如增設關鍵測量儀表的報警、更改酸性水泵自動啟動設定值、對鼓風機出口閥動作速度要求等。另外對HAZOP報告中建議措施再次討論，確定采納或拒絕。所有結論均得到設計院、建設單位等與會人員的一致同意。

4 結論

在設計階段開展安全完整性分析，有利于設計和建設單位之間，工藝、設備和自控專業間充分深入溝通，用數據來解決矛盾和問題，得出的結論可以直接采納實施，從而使聯鎖設計更趨于合理，有利于裝置安穩長周期運行。

通過這次依據HAZOP-LOPA方法進行安全完整性分析的實踐，結論為類似工藝的硫磺回收裝置提供一定參考，整個裝置安全儀表回路SIL等級評估方法，以及人才的培養和鍛煉，為全廠開展SIL評估，提高安全儀表系統管理水平打下了基礎。

保護層分析是一種定量的分析方法，數據的選取對結果有直接影響，合理選擇數據需要依據各公司實際情況斟酌，獨立保護層的識別需要豐富的經驗，因此這項工作不是一勞永逸，而應根據生產實際和類似裝置事故事件不斷完善。

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[3] 張元元.安全儀表系統SIL分析在汽柴油加氫精制裝置得實踐.山東化工[J].2016,45(16):118.

[4] 李榮強,姜巍巍,曹德舜.保護層分析在確定安全完整性等級中的應用[J].安全健康和環境,2016,16(12):14.

2017-07-21

劉彥昌(1983—)，2005年畢業于天津大學自動化專業，獲工學學士學位，現工作于中國石化青島煉化公司，任儀表及自控工程師。

TH707

A

1008-021X(2017)18-0123-02

(本文文獻格式劉彥昌，陳鑫.硫磺回收裝置安全儀表系統安全完整性等級評估研究[J].山東化工，2017，46(18)：123-124，126.)