油氣站場安全生命周期設計的實施及管控要點分析

高金嶺 孟 瑩

1. 中國石油管道局工程有限公司, 河北 廊坊 065000;2. 聯合橡塑機械設備(廊坊)有限公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

基于安全儀表系統的安全生命周期設計,旨在針對整個安全儀表系統和安全回路,通過對安全回路的設計、認證、現場驗證等活動,優化工藝設計,來實現系統功能安全,保障項目安全運行[1-4]。安全儀表系統的安全生命周期設計于20世紀末開始興起,國內基本處于起步階段,尤其油氣站場安全生命周期設計現場實施的成功案例和經驗少之又少,本文以泰國四號線中間壓氣站工程實際應用過程探究具體的執行細節[5-9]。

1 安全生命周期執行過程管控

1.1 執行過程及角色分配

泰國四號線中間壓氣站工程安全生命周期的執行過程主要有14項活動,由安全工程師(設計單位)、廠家、第三方以及業主共同參與完成。每項活動的執行有較強的邏輯順序,對各方的密切配合提出了更高要求。安全生命周期執行過程及角色分配[10-16]見圖1。

安全生命周期的相關活動是預試運和試運的重要組成部分,原則上要求與站場進氣同步完成,為整個站場安全儀表系統(SIS)的穩定運行奠定基礎。

圖1 安全生命周期執行過程及角色分配圖Fig.1 Execution process and roles play of safety life cycle

14項活動是安全生命周期設計的完整流程,缺一不可,具體項目以業主需求為主。其中重中之重的工作有HAZOP分析、安全完整性(SIL)定級、安全要求規格書(SRS)、SIL認證以及現場安全儀表系統驗證[17-22]。

1.1.1 HAZOP分析

HAZOP分析通過HAZOP會議來完成,由HAZOP主席,工藝、儀表及安全專業工程師,燃氣輪機組廠家,地面火炬廠家等出席會議。會議內容涵蓋除生活供水系統外的所有系統和設備,利用頭腦風暴方法對現有工藝流程進行風險分析,找出風險點,列出清單項,在詳細設計階段結束后對所有清單項逐一列出解決方案,形成最終HAZOP關閉報告。

1.1.2 SIL定級

SIL定級是對可能存在的風險進一步識別,對于可能發生但損失大的風險賦予安全儀表功能,通過安全儀表系統予以實現,降低風險。SIL定級就是對已認定的安全儀表功能進行安全完整性定級,即對安全儀表功能所能達到降低風險能力提出的要求,定為SIL 1級至SIL 4級,其中SIL 4級為最高定級。

1.1.3 安全要求規格書(SRS)

安全要求規格書(SRS)是對安全儀表系統的詳細要求,包括應用程序和安全儀表系統的硬件配置。

1.1.4 SIL認證

SIL認證也叫SIL驗算,就是運用組成安全儀表功能回路的所有單元的可靠性數據來達到安全性能指標SIL等級、RRF(風險降低因子)等的要求,從理論計算角度對安全儀表系統的詳細設計以及所使用的設備進行驗證,即傳感器、控制系統和終端執行機構整個回路的平均失效系數低于國際標準IEC 61511《工業領域功能安全與安全儀表系統》要求。

1.1.5 現場SIS驗證

現場SIS驗證由獨立的第三方到現場對相關文件和現場安全儀表系統的具體功能實現進行驗證,是安全生命周期設計的現場應用與驗證環節,包括對現場儀表的重新校驗、SRS中相關要求的實現、控制邏輯的校驗、報警信息的顯示和記錄等,所有檢查項均在Work Pack文件中列出并逐一核實確認。現場SIS驗證過程中,傳感器信號輸入采取實物和4～20 mA模擬信號相結合方式,儀表信號達到報警閾值后,信號傳輸至調控中心,調控中心顯示報警信號及故障記錄信息的存儲,主控系統隨即執行安全邏輯,通過手動或自動的方式實現終端執行機構動作,保障系統安全,完成整個安全回路及安全邏輯的驗證。

現場SIS驗證完成后,整個油氣站場安全儀表系統的功能檢測也已完成,安全儀表系統得到驗證并能正常運行,可交付使用。

1.2 安全生命周期執行過程難點

1.2.1 國際標準高

泰國四號線中間壓氣站工程按照國際標準IEC 61511《工業領域功能安全與安全儀表系統》執行的安全生命周期設計工作,該標準要求高、執行嚴格。例如,回路圖Loop Drawing要求按照國際標準ISA包含各單元的詳細信息,按照正常出圖經驗,單是這個文件的編制所需時間將超過30 d。必須指出的是，從標準應用深度以及普遍性而言,國際標準更具有普遍的適用性和合理性。

1.2.2 安全生命周期執行順序嚴格

安全生命周期的14項活動具有嚴格的邏輯順序,前一個文件的要求及結果將是下一個文件編制的指導性文件,環環相扣,不能并行,不能跨越,安全生命周期的工作只能是順序操作,無法通過提前完成后續工作而加快進度。

1.2.3 廠家安全證書及附屬文件提供困難

廠家提供的文件包括安全儀表系統安全認證證書、子系統或子單元的安全認證證書、相應的證書報告及參考文件、相應的安全手冊及參考文件等。一方面,廠家只能提供部分證書和文件,如提供安全證書,但沒有安全報告和安全手冊;另一方面,廠家有相關文件但不能提供,有的廠家文件定性為內部涉密文件,不向第三方提供。由于無法提供所有安全證書及附屬文件,導致安全生命周期相關活動的推動面臨挑戰。泰國四號線中間壓氣站工程最終通過第三方機構掌握的數據庫予以借鑒以及采用類似產品的較大失效系數等措施,來保證最終計算結果的可靠并符合要求，進而通過驗證。

1.2.4 關鍵參數的計算

安全回路的工藝安全時間(PST)是安全要求規格書(SRS)中的關鍵參數,如進氣過濾器集液包報警到排污閥開啟實現排液整個工藝系統動作所需時間,通常由設計單位的安全工程師完成計算,該參數將直接決定設備選型是否符合安全儀表系統的要求以及通過安全儀表來實現對現有設備的保護。如果該參數不能及時完成計算和驗證工作,就會出現已選設備不能滿足要求的情況,將面臨更換已買或已安裝設備的不利局面，尤其是長周期物資。

1.3 安全生命周期過程控制點

1.3.1 HAZOP關閉報告完成時間

建議HAZOP關閉報告在HAZOP會議之后90 d內完成,盡量避免在所有的設計方案確定后由于HAZOP關閉報告對設計方案進行修改。

1.3.2 SIL等級確定及驗證范圍控制

SIL等級確定以及最終驗證范圍都將對整個安全生命周期工作產生影響,所以SIL等級越低越好,驗證范圍越小越好,控制定級和驗證范圍,盡量避免對設計方案造成影響。

1.3.3 文件Work Pack編制時間

由于每一個回路的Work Pack包括每一個報警信息的顯示、警燈是否亮起、執行機構正常開啟與關閉等檢查項清單,一個回路的檢查內容超過600項以上,一個壓氣站的總量會達到90萬項,Work Pack編制必須提前準備,要在現場驗證前40～60 d啟動編制工作,難度雖不大,但工作量巨大,需要詳細地核實各項信息。

1.3.4 準確把握現場驗證時間

由于第三方到場的動遷費用及現場工資較高,要在第三方到現場見證前做好所有準備工作,包括審核所需文件的打印、現場安全儀表系統安裝、內部功能測試等,待第三方進場后,直接進入測試,最大限度避免窩工時間,控制分包成本,同時保證在進氣之前完成,確保進氣安全。

1.3.5 安全儀表系統適用范圍界定

針對實現工藝系統安全的方法選擇,能夠采用改編工藝設計或者采用基本過程控制實現的保護,堅決不使用安全儀表系統,使用安全儀表系統設計意味著成本的成倍增加,控制邏輯更加復雜、安全生命周期執行內容增多。

2 結論

安全生命周期設計在管道項目的應用已成為趨勢，并在項目安全性、可靠性提升方面意義重大。安全生命周期設計結合了理論分析、驗算和現場認證;充分發揮了第三方的專業化監督職能,整合了總承包商和供應商及業主對項目安全管理設計要求并予以實現;總承包商HAZOP會議、SRS的編制及PST關鍵參數的計算等環節是制約整體工作進展的重點。項目安全儀表系統回路的界定、設計以及回路各組成部分PST的計算仍是未來研究重點。