基于保護層分析的液化氣球罐區SIL定級

張星華

(河北生特瑞工程設計有限公司，河北 石家莊 050011)

液化氣儲罐的安全風險很大，國內液化氣罐區的安全事故近年也時有發生，損失慘重。為了削減風險，國內新出臺多個指導意見，從自動控制系統對構成一、二級重大危險源的液化氣罐區作出明確規定，必須配備獨立的安全儀表系統(SIS)。SIS在大型液化氣罐區中的應用勢在必行，對其安全完整性等級(SIF)的定級也成為工藝安全專業一項重要的研究內容。

SIF定級的方法有安全層矩陣法、校正的風險圖、風險圖和保護層分析(LOPA)等方法[1]。由于給定了場景頻率和后果的具體數值，LOPA這種半定量分析方法提供了更具可靠性的風險判斷，并且與定量分析方法相比花費的時間少，可以更快地達成風險判斷。綜合考慮較高的精確分析、易于操作和高效等因素，本文選擇采用LOPA方法，進行了液化氣罐區SIS的SIL定級。

1 LOPA簡介[2-3]

LOPA即保護層分析，是一種風險評估方法，是在定性危害分析(HAZOP等)的基礎上，進一步對具體的場景的風險進行相對量化(準確到數量級)的研究，其過程為分析工藝風險，評估獨立保護層(IPL)的效果，確定現有保護層的總體性能。比較風險程度與可容忍標準之間的差距，確定是否需要安全儀表功能(SIF)，并確定每個SIF所需的安全完整性等級(SIL)。

LOPA基本流程圖見圖1。

圖1 LOPA基本流程圖

2 分析過程

2.1 場景識別和篩選

LOPA分析中的場景信息來源于HAZOP分析、故障假設分析、安全檢查表、事故樹假設分析等危害分析的結果，以及生產運行問題、變更、事故事件或安全儀表功能審查。HAZOP分析雖然需要更多的詳細信息，但卻能更加全面地識別出給定系統的危險和設計缺陷。HAZOP分析節點中每個偏差、原因、后果構成了一個場景，且采用定性的方法對場景后果的嚴重性進行了評估，后果嚴重性評估分級可參考文獻[4]。由于HAZOP分析的節點較多，根據事故后果嚴重性進行篩選，篩選出嚴重后果4級及以上的節點作為LOPA分析的場景。

2.2 初始事件的確認

將HAZOP分析中引起偏差的原因再細分為獨立的初始事件(如“冷卻失效”可細分為冷卻劑泵故障、電力故障或控制回路失效)，以便于識別獨立保護層。并確認已辨識出所有的潛在初始事件，確保無遺漏。

2.3 獨立保護層評估

HAZOP分析中的現有安全措施包含了獨立的或非獨立的保護層，注意獨立保護層需要滿足獨立性、有效性和可審查性。

典型的獨立保護層有固有的安全設計特征、基本過程控制系統(BPCS)、報警系統和人員響應、安全儀表系統、壓力釋放系統、釋放后的保護設施、工廠和公眾緊急響應等。作為獨立保護層需要特別注意以下要求：

a)安全儀表系統在功能上獨立于BPCS；

b)報警后的操作人員應有足夠的時間響應，其任務具有單一性和可操作性；

c)壓力釋放系統起作用后避免造成其他危害，還需考慮在腐蝕、堵塞、不恰當維護等環境下使用高的PFD值；

d)釋放后的保護設施應獨立于場景中的其他保護層，因此可燃有毒氣體檢測報警系統、防中毒的正壓通風系統及中和系統、與消防聯動的控制系統等需要獨立于BPCS系統。

2.4 場景頻率的計算

單一場景、低要求模式下的后果發生頻率計算如下：

式中：

PFDij—初始事件i中第j個阻止后果C發生的獨立保護層IPL的失效概率PFD；

表1 安全儀表功能的安全完整性等級(低要求操作模式)[6]

初始事件的發生頻率和IPL的PFD數據可采用行業統計數據或企業歷史數據，低要求操作模式時安全儀表功能的失效概率按照表1確定。

2.5 風險評估與建議

根據場景頻率計算結果和后果等級，與表2風險評估矩陣比較。以風險盡可能低為原則，將表2中的低風險作為可容許風險。計算風險小于場景可容許風險，繼續下一場景的LOPA分析；計算風險大于場景可容許風險，應建議滿足可容許風險標準所需采取的措施，并確定擬采取措施的PFD，以將風險降低到可容許風險之下。

表2 風險評估矩陣

注：風險等級說明：低：不需要采取行動；中：可選擇性的采取行動；高：選擇合適的時機采取行動；很高：立即采取行動。

3 液化氣球罐區的保護層分析

本文以單臺液化氣球罐為例，球罐設有液位、壓力、溫度的連續監測儀表，并在DCS系統設有液位高限、高高限報警，壓力高限報警和溫度高限報警；球罐頂部設有2個安全閥，每個都能滿足事故狀態下泄放量的要求，安全閥前后分別設置1個全通徑切斷閥，實現安全閥定期校驗時的在線備用；另外設置一個安全閥副線，作為緊急放空線。

根據HAZOP分析作為場景信息來源，篩選出后果等級5級的節點組成如表3所示LOPA場景。

表3 篩選出的LOPA場景

根據表2的風險評估矩陣，對于事故后果嚴重等級為5級，事件頻率大于1×10-4/a即無法接受，應采取行動對其進行改正。事件頻率小于1×10-6/a為可接受，無需采取行動。介于此兩者之間的場景則依成本、可行性等允許有一定的靈活性。

3.1 場景1分析

選定IE為液位BPCS回路失效，根據相關的工業經驗，其發生頻率取值為10-1/a；液位BPCS回路失效而出現超壓導致設備法蘭密封泄漏條件下的概率為1；著火概率1，影響區域內的人員存在概率0.5，人員傷亡概率0.5。

現有的安全閥泄放排至火炬系統，并且一用一備，在定期維護前提下可以作為獨立保護措施，其失效概率取10-2/a；雖然設有可燃氣體檢測報警系統，但由于是事后補救措施且無法量定其效果，故不將其作為獨立保護層。

減緩前的事故概率為：

f減緩前=0.1×1×1×0.5×0.5×10-2=2.5×10-4/a

事故頻率已經超過可接受值，因此需要考慮增加SIF功能，在球罐的進口管線上設置緊急切斷閥，球罐增加液位開關，液位高高限聯鎖切斷進口切斷閥，其最低的PFD值為1×10-3，按照表1，對應的完整性等級可取SIL2。

3.2 場景2分析

選定大的外部火災為初始事件，其發生頻率取值10-2/a；火災情況下出現超壓導致設備法蘭密封泄漏條件下的概率為1；著火概率1，影響區域內的人員存在概率0.5，人員傷亡概率0.5。

根據場景1中的分析，安全泄放系統可作為獨立保護層。

減緩前的事故概率為：

f減緩前=0.01×1×1×0.5×0.5×10-2=2.5×10-5/a

上述事故頻率為企業可接受值，但根據風險盡可能低原則，如有條件可考慮增加其他保護層，采取進一步行動降低風險。

3.3 場景3分析

球罐切水作業過程中的人員操作失誤(人員操作結束未關閉切水閥門而離開)作為初始事件，其發生頻率取值為10-1/次，每年切水作業共4次，總的發生頻率為4×10-1/a；人員操作失誤引起液化氣泄漏的概率為1，著火概率為1，影響區域內的人員存在概率0.5，人員傷亡概率0.5。

減緩前的事故頻率為：

f減緩前=0.4×1×1×0.5×0.5=1×10-2/a

現有的事故頻率遠大于容許值，因此將排水閥改為彈壓式開關閥，由于其具有自行關閉功能，人員離開將會自動關閉，確保操作安全，因此此場景彈壓式開關閥的失效成為場景3的使能條件，其發生概率為0.1。減緩前的事故頻率改為：

f減緩前=0.4×1×1×0.5×0.5×0.1=1×10-2/a

上述事故頻率依然高于可接受值，仍需進一步行動。分析認為脫水作業主要依靠人員操作完成，人員的安全風險較高，因此建議增加二次脫水罐，實行密閉脫水，通過本質安全設計消除此場景的事故風險。

4 結論

本文通過保護層分析法，對液化氣球罐區的安全儀表系統進行了SIL評估，確定增加液位高高聯鎖切斷緊急切斷閥的SIF功能，其安全完整性等級為SIL2。通過分析，從本質安全設計角度出發，還提出了改進脫水作業操作的建議。

參考文獻

[1]國家安全生產監督管理總局.GB/T 21109-2007 過程工業領域安全儀表系統的功能和安全[S].北京:中國標準出版社,2007.

[2]中國機械工業聯合會.GB/T 32857-2016 保護層分析(LOPA)應用指南[S].北京:中國標準出版社,2017.

[3]國家安全生產監督管理總局.AQ/T 3054-2015 保護層分析(LOPA)方法應用導則[S].北京:煤炭工業出版社,2015.

[4]中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院.HAZOP分析指南[M].北京:中石化出版社,2008:61-62.

[5]白永忠,黨文義,于安峰,譯.保護層分析-簡化的過程風險評估[M].北京:中國石化出版社,2015:49-56.

[6]中國石油化工集團公司.GB/T 50770-2013 石油化工安全儀表系統設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2013.