LOPA在化工安全儀表系統(tǒng)SIL定級中的應(yīng)用

陳正南(江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210042)

0 引言

市場上化工企業(yè)對于安全控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用促使人們加強(qiáng)了對安全控制系統(tǒng)中一系列關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量性能的重視。目前我國化工企業(yè)普遍存在對于安全儀表系統(tǒng)的安裝、設(shè)計(jì)、維護(hù)等不同階段的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)控制欠缺、冗余不合理、選擇不恰當(dāng)?shù)痊F(xiàn)象。近年來，我國政府部門頒發(fā)了安全儀表系統(tǒng)管理規(guī)章制度，對安全儀表系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施及HAZOP安全儀表系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)明確，以便在化工生產(chǎn)中有效降低風(fēng)險(xiǎn)事故。

1 安全儀表系統(tǒng)SIL等級、保護(hù)層內(nèi)容分析

1.1 安全儀表系統(tǒng)SIL等級

相對于分散控制為核心的過程控制系統(tǒng)，安全儀表系統(tǒng)具備較為明顯的差異性，在一般情況下，安全儀表系統(tǒng)往往處于休眠或者靜止情形，只有在化工生產(chǎn)設(shè)備及關(guān)聯(lián)設(shè)施出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，安全儀表系統(tǒng)才會(huì)在瞬間做出精準(zhǔn)反應(yīng)，并且及時(shí)停止運(yùn)行中的生產(chǎn)過程或者將運(yùn)行設(shè)備導(dǎo)入安全控制狀態(tài)。安全儀表的功能可以劃分為四個(gè)安全完整性等級(從低到高分別是SIL4、SIL3、SIL2、SIL1)，且主要是以安全儀表系統(tǒng)在喪失其質(zhì)量性能的情況下出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)事故為依據(jù)，在儀表回路的設(shè)計(jì)安裝調(diào)試等不同階段，不同的安全完整性等級也有著不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 保護(hù)層技術(shù)

保護(hù)層關(guān)聯(lián)內(nèi)容在化工生產(chǎn)階段類型較多，除了常見的BPCS和本質(zhì)安全設(shè)計(jì)之外，還需要考慮化工設(shè)備安全閥等物理性保護(hù)和報(bào)警干預(yù)等，保護(hù)層的設(shè)置和安全風(fēng)險(xiǎn)事故的規(guī)避密切相關(guān)，保護(hù)層分析過程中主要采取定性危害識(shí)別，繼而進(jìn)行保護(hù)層是否有效的精確性判斷，為后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)控制提供重要基礎(chǔ)。LOPA分析技術(shù)是常見的半定量化風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)施主要在假定場景事故當(dāng)中對不同類型的保護(hù)措施可能性故障進(jìn)行賦值，并且采取數(shù)理方式進(jìn)行計(jì)算，對其中可降低安全風(fēng)險(xiǎn)的控制措施進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，防止出現(xiàn)保護(hù)過當(dāng)或者保護(hù)欠缺等狀況[1]。

2 保護(hù)層技術(shù)在化工儀表安全度等級評定中的應(yīng)用

2.1 案例介紹

文章結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行化工安全度等級評定中LOPA技術(shù)的應(yīng)用，在采取HAZOP進(jìn)行某化工企業(yè)硅烷生產(chǎn)裝置儲(chǔ)罐工藝流程分析中的結(jié)果如表1、2所示。首先對其中合格硅烷出料容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)V176001閥門產(chǎn)生故障時(shí)誘發(fā)的下游蒸發(fā)器液位超過限制標(biāo)準(zhǔn)，造成的氣相管線出現(xiàn)破壞，且蒸發(fā)器液位超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)出發(fā)高液位報(bào)警提示，此時(shí)，技術(shù)人員需要結(jié)合警示信息進(jìn)行關(guān)閥操作，在氣相管線相應(yīng)位置處進(jìn)行泄壓閥并排火炬的設(shè)置。在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，采取LOPA分析技術(shù)，本文將FV176001閥門故障事件設(shè)定為初始事件，其失效頻率和發(fā)生頻率為10-1，獨(dú)立保護(hù)層則設(shè)定為技術(shù)人員響應(yīng)和報(bào)警提示，后果發(fā)生頻率經(jīng)條件修正設(shè)定為2.5×10-3，經(jīng)過分析可以得知故障產(chǎn)生的危險(xiǎn)事故除了液位超過限制引起氣相管線出現(xiàn)液擊損害外，還包括硅烷泄漏引發(fā)的爆炸火災(zāi)。經(jīng)過LOPA技術(shù)應(yīng)用計(jì)算，點(diǎn)火概率危1，現(xiàn)場人員致死概率危0.5，IPL可以包括以下兩個(gè)內(nèi)容，即PFD2.5×10-5的安全泄放措施和安全儀表功能的增加，在經(jīng)過安全泄放措施后殘留的風(fēng)險(xiǎn)頻率為2.5×10-5，該頻率也超過了10-5，在不可接受風(fēng)險(xiǎn)程度范圍中，而增加安全儀表功能后的失效概率則小于0.4，為此，增加安全儀表功能為SIL1[1]。LOPA具體應(yīng)用流程示意圖如圖1所示。

表1 HAZOP分析結(jié)論

表2 LOPA分析結(jié)論

圖1 具體應(yīng)用流程示意圖

2.2 注意事項(xiàng)

獨(dú)立保護(hù)層有效性的確立在LOPA技術(shù)應(yīng)用中是極其重要的，該案例的調(diào)節(jié)閥故障為初始事件，SIS保護(hù)設(shè)置在下游蒸發(fā)器中為液位高高聯(lián)鎖管開關(guān)閥HV176004，蒸發(fā)器進(jìn)料管道中則需要設(shè)置開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥，這種情況下的SIS保護(hù)體現(xiàn)出獨(dú)立保護(hù)層特性，當(dāng)設(shè)置下游蒸發(fā)器液位高高聯(lián)鎖關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，考慮到該連鎖不獨(dú)立與初始事件，就不能夠形成獨(dú)立保護(hù)層。除此之外，合理的賦值、數(shù)學(xué)計(jì)算方式才能夠獲取良好的LOPA技術(shù)分析結(jié)果，初始事件發(fā)生頻率和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的選取階段，需要保證不同類型場景數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，數(shù)據(jù)來源可靠性也需要引起技術(shù)人員重視，儀表安全度等級評定階段，在風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣的分析或者IE頻率值的確定時(shí)需要明確數(shù)據(jù)確定原則，一般在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析確定時(shí)，需要采取一定區(qū)間范圍中間值來確保結(jié)果的可靠性[2]。

3 LOPA技術(shù)分析中遇見的問題

基于風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和場景計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)的對比進(jìn)行LOPA的分析中需要重視失效數(shù)據(jù)，失效數(shù)據(jù)是開展SIL、LOPA分析的重要支撐，我國對于失效數(shù)據(jù)的采集分析并沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，且工業(yè)化失效數(shù)據(jù)庫也沒有及時(shí)得以建立，對于失效數(shù)據(jù)的計(jì)算分析等應(yīng)用手段也不完善，LOPA失效數(shù)據(jù)的來源主要分為以下幾個(gè)方面，首先是工業(yè)失效數(shù)據(jù)庫和既有研究文獻(xiàn)，如OREDA數(shù)據(jù)庫；其次是安全設(shè)備可靠性研究手冊和國外發(fā)達(dá)機(jī)構(gòu)頒布的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊、檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)目錄等，值得重視的是，這些關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫針對的往往是國外的安全產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，在具體應(yīng)用中，需要重視技術(shù)工藝、標(biāo)準(zhǔn)水平的修正；另外，則是化工設(shè)備供應(yīng)商提供的相關(guān)數(shù)據(jù)信息、第三方認(rèn)證證書、產(chǎn)品測試報(bào)告等，性能測試試驗(yàn)的開展具備一定的標(biāo)準(zhǔn)條件，對于實(shí)際情況下的失效率則不能夠完全反應(yīng)，往往需要工業(yè)數(shù)據(jù)庫、FMEDA數(shù)據(jù)等進(jìn)行組合分析來獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息；再者則是現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)的采集，該數(shù)據(jù)主要和現(xiàn)場記錄的完整性、樣品數(shù)量等密切相關(guān)[3]。

風(fēng)險(xiǎn)決策作為保護(hù)層數(shù)量、類型及SIL等級確定的依據(jù)，實(shí)際中對風(fēng)險(xiǎn)可接受程度的精準(zhǔn)化確定是極難實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)人員主要采取風(fēng)險(xiǎn)矩陣方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策，m×n階風(fēng)險(xiǎn)矩陣主要由后果嚴(yán)重程度S、風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生可能性L構(gòu)成，風(fēng)險(xiǎn)等級確定為行列交叉點(diǎn)數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)矩陣的應(yīng)用需要明確后果風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度劃分規(guī)則，風(fēng)險(xiǎn)等級確定規(guī)則、事故發(fā)生可能性規(guī)則等，上述三項(xiàng)分析規(guī)則的確定主要以技術(shù)人員的主觀判斷為主，為此，人為的主觀隨意性及容易造成風(fēng)險(xiǎn)控制措施的欠缺或者過度[3]。

4 LOPA技術(shù)相關(guān)優(yōu)化控制措施分析

在LOPA的實(shí)際應(yīng)用里，技術(shù)人員不僅要遵循規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)范圍，同時(shí)還要結(jié)合到化工企業(yè)的實(shí)際情況，這樣才可以確保LOPA分析的規(guī)范性以及有效性。在使用LOPA對化學(xué)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行SIL分級的時(shí)候，技術(shù)人員一定要需要注意到獨(dú)立保護(hù)層的有效性、定量數(shù)據(jù)的合理選擇和危險(xiǎn)性分析的準(zhǔn)確性。在LOPA分析的過程里面，我們要合理設(shè)置獨(dú)立的保護(hù)層，這樣可以有效防止場景發(fā)展成一個(gè)意外的結(jié)果，保證初始事件獨(dú)立于其他場景、設(shè)備和操作。技術(shù)人員采取的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施與初始事件的失敗無關(guān)，可作為獨(dú)立的保護(hù)層。對于按SIL分類的化學(xué)安全儀表系統(tǒng)，名稱的應(yīng)用是基于定性風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致名稱問題分析影響風(fēng)險(xiǎn)概率數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致技術(shù)人員返工，對SIL水平產(chǎn)生負(fù)面影響。所以，技術(shù)人員需要確保危害分析的準(zhǔn)確性，這樣才可以提高到SIL分類的合理性以及準(zhǔn)確性[4]。

5 結(jié)語

總而言之，安全儀表系統(tǒng)的建立對于化工企業(yè)的生產(chǎn)安全化具有至關(guān)重要的作用，為此，安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，技術(shù)人員需要對安全等級進(jìn)行有效明確，對安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，控制安全事故的發(fā)生，技術(shù)人員需要充分發(fā)揮LOPA技術(shù)作用，降低安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，最終促進(jìn)整個(gè)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。