安全儀表系統SIL 評估技術在煤氣化裝置的應用

2019-09-16 03:36:36趙振峰

云南化工 2019年7期

胡川，趙振峰

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東青島 266101）

1 引言

近年來，隨著國內外大力發展煤化工項目，煤氣化裝置也越來越多的出現在大家的視野。煤氣化裝置生產過程中，氣化反應生成的粗合成氣中含H2、CO 和H2S 等具有易燃易爆性質的危險物料，同時粗合成氣溫度和壓力都高，一旦泄露會引起火災，CO 和H2S 還可能導致人員中毒。安全儀表系統作為氣化單元重要的保護層，安全儀表系統的準確評估對裝置的安全運行有著重大的意義。

煤氣化的基本原理是將經過適當處理的煤送入氣化爐內，在一定的溫度和壓力下，通過氧化劑以一定的流動方式轉化成氣體，得到粗制水煤氣。

煤氣化技術可按反應器（氣化爐）內煤與氧化劑接觸的方式分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化和熔浴氣化。

本文以GE 德士古（TEXACO）水煤漿氣化為例，對其安全儀表系統進行SIL 評估分析。GE德士古（TEXACO）水煤漿氣化技術屬于氣流床氣化技術。水煤漿氣化的特點是對煤的適應范圍較寬、煤氣質量好、技術成熟、設備簡單、投資低、連續生產性強。

2 安全儀表系統SIL 評估簡介

安全儀表系統作為石化及化工企業各裝置中重要的保護層，是事故發生前的最后一道保護措施，因此可靠有效的安全儀表系統對石化裝置的安全穩定運行有著十分重要的意義。

與基本過程控制系統（BPCS）不同，安全儀表系統（SIS）是靜態的，正常生產過程中，系統的輸出不變，對生產過程不產生影響，在異常工況下，它將按著預先設計的策略進行邏輯運算，使生產裝置安全停車。

SIL 評估是基于國際功能安全標準《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》（GB/T 20438-2017）[1]和《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》（GB/T 21109-2007）[2]。SIL 評估工作分為SIL 定級和SIL 驗證。

SIL 定級是確定各SIF 回路的SIL 等級的過程。定級方法有風險矩陣法、風險圖法和保護層分析法（LOPA）。其中保護層分析法（LOPA）是一種半定量的風險評估方法，用于確定發現的危險場景的危險程度，定量計算危害發生的概率，已有保護層的保護能力及失效概率，如果發現保護措施不足，可以推算出需要的保護措施的等級。SIL 定級步驟如圖1 所示。

SIL 驗證工作是評估各SIF 回路的現有儀表設置情況能否滿足所需的安全完整性等級要求。SIL 驗證是從結構約束和要求時的平均失效概率（PFDavg）兩個方面進行評估。

SIF 回路結構約束的影響因素有儀表類型（邏輯控制器、傳感器、最終元件、非邏輯控制器）、安全失效分數（Safe Failure Fraction，SFF）和硬件故障裕度（Hardware Fault Tolerance，HFT）。

SIF 回路的PFDavg 建模計算方法[3]主要有可靠性框圖法（RBD）、故障樹法（FTA）和馬爾可夫模型法（Markov）。其中馬爾可夫模型更加準確，但模型復雜，一般需采用軟件進行建模計算。

圖1 LOPA 分析流程圖

3 SIL 定級分析

3.1 工藝流程簡介

煤氣化裝置中聯鎖設置主要集中在氣化單元，本文以氣化單元中典型的聯鎖為例進行定級分析，介紹SIL 評估技術。

氣化單元中氣化爐有兩路進料，一路為來自煤漿槽（T201）的水煤漿，通過高壓煤漿進料泵（P201）輸送至氣化爐（R001），另一路為來自空分裝置的氧氣進入工藝燒嘴的外環隙及中心管。在氣化爐中，氧氣和水煤漿進行切割霧化，在氣化爐燃燒室內發生部分氧化反應，生成以H2和CO 為主的粗合成氣，然后進入氣化爐洗滌室進行洗滌。流程簡圖見圖2。

3.2 主要聯鎖簡介

氣化爐停車順控啟動條件如下：

1）煤漿流量低低；

2）氧氣流量低低；

3）氧煤比高高；

4）氣化爐合成氣出口溫度高高；

5）氣化爐激冷室液位低低；

6）燒嘴冷卻水流量差高高；

7）燒嘴冷卻水出入口溫差高高；

8）煤漿壓力和氣化爐出口工藝氣壓差低低。

氣化爐停車動作如下：

1）關氧氣切斷閥XV104、XV105、XV106；關氧氣流量調節閥FV101、FV102、HV103；

2）停煤漿給料泵P201；

3）關煤漿切斷閥XV201、XV202；

4）開氮氣吹掃閥；

5）關合成氣調節閥HV401、HV402。

3.3 SIL 定級

本文以停車條件中的煤漿流量低低為例展開SIL 定級分析。

由于LOPA 分析方法是針對單一場景的分析方法，因此應對該聯鎖進行分析，將各聯鎖動作按其保護的場景進行拆分。分析步驟如下：

1）選擇事故場景。

煤漿進料流量低低，將造成汽化爐氧煤比增高，達到爆炸極限，造成汽化爐爆炸，導致人員傷亡。

根據中國石化安全風險矩陣分別從健康和安全影響、財產損失影響、非財務與社會影響、環境影響四個方面確定相應的事故后果嚴重性等級。

考慮現場日常巡檢人員的巡檢頻率以及該裝置檢維修任務較多，當汽化爐發生爆炸，在爆炸范圍內可能造成界區內3～9 人死亡的后果，健康和安全影響后果等級為E；

爆炸后果導致汽化爐及相關設備損壞，財產損失影響可能達到1000 萬以上，后果等級為E；

綜合考慮事故發生導致人員及財產后果的嚴重性，非財務與社會影響可能造成國內或國際媒體的短期負面報道，后果等級為D；

該場景下發生爆炸導致CO 等有毒氣體泄漏，可能造成企業界區內的環境受到影響，環境影響的后果等級定為B。

2）使能條件、點火概率及人員暴露概率確認。

使能條件是指當初始事件發生后，需在一定條件下才可能導致事故后果的發生。根據企業氣化爐的使用及檢維修頻率，每臺氣化爐的年使用時間比例約為0.7，僅有當氣化爐使用期間才可能發生該事故。因此該場景考慮采用使能條件因子0.7 來進行修正。

點火概率是指當物料泄漏等情況出現，發生火災或爆炸的概率，該場景下由于處于高溫情況下，一旦氧煤比達到爆炸極限，會立即發生爆炸事故，因此此處點火概率取1。

人員暴露概率是指泄漏火災爆炸等事故發生時，人員出現在影響區域內的時間比例。根據裝置的巡檢人員數量及頻率、日常檢維修人員數量及頻率等裝置情況綜合考慮，該場景下人員暴露概率取1。

3）初始事件（IE）確認。

本場景分析的觸發條件為煤漿流量低低。通過討論，導致煤漿流量低低的初始事件如下：

a）煤漿泵故障停；

b）煤漿泵單缸入口閥卡澀；

c）煤漿管道堵塞；

d）煤漿泵變頻器控制回路失效，煤漿泵轉速變小。

4）獨立保護層（IPL）分析。

依次分析每一個初始事件下獨立保護層。獨立保護層按功能分為本質安全設計、基本過程控制系統、報警及人員響應、安全儀表系統、物理保護、工廠及社會響應。

考慮到一旦初始事件發生，煤漿流量低或機泵停車觸發報警，人員沒有足夠的時間進行操作避免后果的發生，因此報警及人員響應不作為該場景的獨立保護層。

當煤漿流量降低時會導致汽化爐氧煤比升高，因此汽化爐氧煤比高高聯鎖汽化爐停車可作為該場景的保護層，按SIL3 進行考慮。

5）場景頻率計算。

綜合該場景下的初始事件、使能條件、點火概率、人員暴露概率及后果嚴重性等級，得到該場景的初始風險，如表1 所示。初始風險計算公式見式1。

式中：PI為初始風險的頻率，PIE為初始事件頻率，λEN為使能條件概率，λFI為點火概率，λEP為人員暴露概率。

各初始事件所在場景考慮保護層后，得到各自的未考慮SIF 的剩余風險，進一步將未考慮SIF 的剩余風險進行累積得到該場景下總的未考慮SIF 的剩余風險。未考慮SIF 的剩余風險計算公式見式2。將該風險頻率與各風險后果的可容許頻率進行比較后即得到該SIF 回路所需的SIL等級及風險降低倍數（RRF）。RRF 的計算公式見式3。要求時的失效概率（PFDavg）的計算公式見式4。

式中：為未考慮SIF 的剩余風險頻率，為第i 個初始事件初始風險的頻率，為第i 個初始事件的獨立保護層。

式中：PR為各風險后果的可容許頻率。

該場景下未考慮SIF 的風險計算表見表2。根據式2 計算得到各后果未考慮SIF 的剩余風險頻率為1.54×10-3。風險降低倍數RRF 計算見表3。各后果的最大風險降低倍數及SIL 等級作為該場景的最終風險降低倍數RRF 與SIL 等級，即該場景風險降低倍數RRF 為650，SIL 等級為SIL2。該結果即為該SIF 回路所需達到的SIL 等級及風險降低倍數。