IPF分析在長慶油田地面工程設計中的應用研究

張鑫，王迪，楊丹陽

1.長慶工程設計有限公司（陜西 西安710018）

2.中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司（陜西 西安710018）

長北氣田是中國石油與殼牌公司合作開發的區域，位于陜西省榆林市，自2006年底投產以來一直成功運行，形成了33×108m3∕a的供氣能力。長北二期是針對整個長北區塊主力層山2層上下的次級層（主要包括盒8、山1和太原）的開發。長北二期采用了“地面初期節流，井口注醇，單井氣液連續計量，氣液混輸、集氣增壓站高中壓混合集氣、集中增壓，處理廠集中處理”的主體工藝技術路線[1]。長北二期地面工程新建1座集氣增壓站、4類共11座井叢，并對已建中央處理廠進行改造[2]。集氣增壓站設置過程控制系統PCS、儀表保護系統IPS、火氣系統FGS和配套操作站各1套，完成生產過程的監控、緊急停車和火、氣、煙檢測。各類井叢分別設置IPS 1套，對井叢生產各項工藝參數進行監控，負責井叢故障或緊急狀況下緊急停車，并可監測到火、氣、煙信號。在長北二期項目初步設計過程中，開展了多個專項分析，IPF分析是重要組成部分之一。

1 儀表保護功能簡介與開展IPF分析的意義

1.1 儀表保護功能與安全完整性等級簡介

儀表保護功能（IPF），又被稱為安全儀表功能（SIF）。一個典型的IPF回路包括了一個或多個傳感器（如壓力變送器）、一個邏輯解算器（如PLC）、一個或多個最終執行單元（如控制閥）[3]。IPF回路用于阻止工藝過程風險或降低風險造成的影響，其實質在于風險事件發生時將工藝裝置維持在一個相對安全的狀態。一個油氣站場的安全儀表系統（SIS）是由許多個IPF回路組成。IPF回路的性能通過安全完整性等級（SIL）衡量,根據IEC 61508—2010標準，可劃分為4個等級，SIL等級越高說明安全級別越高[4]。按照安全聯鎖動作發生的頻率可將SIL分為兩種模式，當頻率低于每年一次時，為低要求操作模式，否則為高要求操作模式。在油氣工業領域，一般按照低要求操作模式考慮，即安全聯鎖動作的頻率一般在每年一次以內，SIL等級由安全聯鎖動作的年平均失效概率(PFD)確定，見表1。

表1 安全完整性等級按操作模式劃分表

1.2 IPF分析的意義

IPF分析，又被稱作SIL分析或SIS分析，其最基本的作用是確定安全儀表系統的安全完整性等級。IPF分析是一種基于保護層分析（LOPA）方法的半定量風險評價方法[5]。其基本原理是在定性分析（如危險與可操作性HAZOP分析）的基礎上，對場景風險進行相對量化的研究，確定采用何種等級的SIL可以將場景發生時的風險降低到可承受范圍內，是否需要增加額外的保護層等。

長北二期工程在新建的井叢和集氣增壓站均設置了安全儀表系統，在殼牌公司的《設計和工程實施規范》（Design and Engineering Practice）中強制規定：在工程設計過程中，任何識別出涉及安全儀表系統的風險場景均必須進行IPF分析，以此確定安全儀表系統的安全完整性等級。

近年來國內新建的油氣田地面工程同類項目中，安全儀表系統由于其降低過程風險、保障本質安全的作用，應用越來越廣泛。但是在應用中，仍存在以下兩點不足：

一是對工程的危險與風險分析不足，一般只有定性分析，而無定量分析，如長慶各氣田新建的處理廠∕凈化廠都進行了HAZOP分析，但沒有對安全儀表進行過專項分析。HAZOP分析可用于辨識設計缺陷和工藝過程危害，并提出合理可行的風險消減、緩解措施，以期將風險降低到可接受范圍之內[6]。HAZOP分析方法存在一定的局限性，當識別出后果較嚴重的風險時，無法給出各類措施對風險的削減程度，也無法判斷剩余風險與風險可接受標準之間的差距。

二是目前安全完整性等級的確定主要依靠設計人員的經驗和參照同類項目，會出現安全儀表系統過度設計的情況，增加不必要的投資。

在長北氣田二期工程設計過程中應用IPF分析的意義可歸納為以下3點：

1）在分析過程中通過半定量計算，明確每一個IPF回路的安全完整性等級，從而確定整個安全儀表系統的規格。

2）識別場景風險，分析現有設計的安全措施是否能夠滿足工程實際需要。當某些IPF回路安全完整性等級過高時，說明場景風險過高，需要通過改進工藝設計降低風險。

3）通過IPF分析，可以明確識別出各個場景的中間事件、安全措施和事故后果，幫助參與分析的團隊成員更深刻地理解工藝過程和場景。

2 IPF分析的過程

在長北二期項目初步設計過程中，對集氣站、井叢和處理廠擴建所有的安全儀表回路均進行了IPF分析。IPF分析流程如圖1所示。

2.1 準備工作

1）成立專門的IPF分析團隊。團隊成員包含設計工程師、業主工程師、運行操作人員、第三方咨詢公司。所有的團隊成員應接受IPF分析培訓，理解分析意圖，掌握分析方法。

2）準備輸入資料。IPF分析的核心輸入資料包括危險和可操作性（HAZOP）分析報告、管道和儀表流程圖（P&ID）、安全連鎖系統因果邏輯圖（Cause&Effect Matrix）、平面布置圖和設備表等。HAZOP分析報告中的偏差、引起偏差的原因、偏差引起的后果、現有的安全措施可以分別對應IPF分析的場景描述、風險和初始事件、后果描述和保護層描述[7]。

圖1 IPF分析流程圖

3）場景識別和篩選。對可能存在的風險場景進行識別和篩選，每個風險場景對應一個IPF回路，以便進行分析。

2.2 分析過程

以集氣增壓站高壓分離器液位高高安全儀表回路為例說明IPF分析全過程。分離器的基本流程是：井場來濕氣進分離器進行氣液分離，分離后氣相進壓縮機進行增壓，液相進閃蒸罐進行閃蒸分離[8]。該IPF回路包括傳感器（分離器的液位變送器）、邏輯解算器（用于該回路的SIS控制器）和最終執行單元（分離器進口管線氣動切斷閥），基本邏輯是在分離器液位高高時切斷進口管線。該部分管道和儀表流程如圖2所示。

1）第一步，選取一個IPF回路并假設其安全儀表功能失效。在此例中，先假設該液位高高關斷IPF回路失效。

2）第二步，描述一個導致風險的初始事件。初始事件即為導致風險發生的起因，通常可以有控制系統故障、機械系統故障、人的失效以及外部事件等。在此例中，導致分離器液位高高的事件可能有分離器排液截斷閥失效關閉、分離器液位控制回路失效、操作員誤操作導致手動閥門誤關等。

3）第三步，列出現有的保護層。IPF分析是一種基于保護層分析方法的半定量分析方法。按照保護層分析方法的理論，工廠的保護措施可以劃分為若干層，分別是工藝過程裝置、基本過程控制系統、警報與人員干預、安全儀表系統、物理防護（如安全閥）、釋放后物理防護（如防護堤）、工廠緊急響應和社區緊急響應，如圖3所示。

圖2 集氣增壓站高壓分離器P&ID

圖3 典型工廠保護層示意圖

在IPF分析中，需要列出現有的獨立保護層，保護層應當具備有效性、獨立性和可審查性。如基本的過程控制回路，其傳感器、控制器和執行元件必須與IPF回路在物理上相互獨立，方能被視為獨立保護層。

分離器下游的壓縮機進口洗滌罐帶有獨立的SIL2級別的液位高高安全儀表回路，可以為分離器液位高高時攜液這種情況提供保護，可視為一個獨立的保護層。

4）第四步，計算風險發生概率，單一事件風險發生概率=初始事件發生概率×保護層修正系數，總的風險發生概率是各自單一事件風險發生概率的累加。初始事件發生的概率一般來自于國內外通用數據源。在此次SIL分析過程中，使用了殼牌公司RRM軟件的SIFPro模塊，初始事件發生概率由該軟件內置的數據庫提供。通過查詢數據源，得出手動球閥誤關的概率為0.016 7～0.066 7，液位控制回路失效的概率為0.2，SIL2級別的獨立保護層可以提供0.01～0.1的概率減小修正。

5）第五步，預估風險發生時產生的不利后果。后果的信息來源可以是國際慣例、通用數據源、行業經驗或實踐積累等，也可以由項目成員根據實際情況進行估算，可以劃分為人員傷亡、環境污染和財產損失3類。在評估時，一般按照最壞結果考慮。在此例中，分離器液位高高會造成液體溢罐，多余液體流入壓縮機可能對其造成損害，最壞后果評定見表2。

表2 最壞后果評定

6）第六步，計算最終后果頻率，按后果頻率與最壞后果查表確定SIL。最終后果頻率計算公式為：

式中：fiC為初始事件i造成后果C的頻率，單位為次每年；為初始事件i的發生頻率，單位為次每年；PiE為使能事件或使能條件發生的概率,假如沒有使能事件或使能條件，則取1；為條件修正因子,假如沒有任何條件修正,則取1；PFDij為初始事件i中第j個阻止后果C的獨立保護層要求時危險失效概率。

查表規則遵循了殼牌公司《設計和工程實施規范》（DEP標準）中關于安全儀表系統的相關規定［9］，見表3、表4。

查表結果是人員傷亡情況對應SIL1、環境污染情況無對應SIL等級、財產損失情況對應SIL1，應選擇最高的等級，此IPF回路最終確定為SIL1級。

7）第七步，風險評估與建議。如果某些IPF回路分析結果顯示SIL等級過高，說明潛在風險過高，需要改進工藝設計，應通過提高本質安全降低風險。如在集氣增壓站的設計中，污水罐區液位高高聯鎖的IPF分析結果初始為SIL3，風險過高，設計團隊改進了氣田污水的裝卸車方式，之后該IPF回路等級降低到SIL1，從而使風險達到可接受范圍。

表3 人員傷亡情況與SIL對照表

表4 財產損失情況情況與SIL對照表

IPF回路的分析結束，每一個IPF回路均應按照該方法進行分析，最后取所有回路中最高等級的SIL作為整個安全儀表系統的配置。

3 應用效果及建議

在長北二期初步設計過程中，共對集氣站、井叢和處理廠擴建的59個IPF回路進行了分析。IPF分析取得了以下應用效果：

1）確定合理配置，顯著降低投資。長北二期安全儀表系統在項目可研階段暫定等級為SIL2級，其控制系統部分概算投資為648萬元。經過IPF分析后，計算得出井叢和集氣增壓站全部58個IPF回路的最高等級為SIL1，因此安全儀表系統的定級可下調至SIL1。在滿足安全需求的前提下，通過確定合理的SIL定級，控制系統部分投資下降到522萬元，直接節省投資126萬元，占該部分投資總量的19.5%。

2）優化工藝流程，提升本質安全。在IPF分析過程中，如果某IPF回路計算所得安全完整性等級明確偏大，則說明該處設計不合理，有較大的優化空間。通過系統的梳理、分析和半定量計算，共找出初步設計中存在的各類問題72個并分別進行優化，盡可能將安全風險消滅在萌芽中，提高了裝置的本質安全水平。

3）掌握分析方法，應用前景廣闊。IPF分析是國際上通用的有效安全分析方法，但國內上游油、氣工業領域對其掌握不足，應用較少。通過此次分析，設計團隊掌握了該分析過程，長慶油、氣田各類新建工程在設計階段均可進行IPF分析，尤其是處理廠、凈化廠和輕烴回收等大型工程，以此分析風險、改進設計并確定安全儀表系統配置。除新建工程外，IPF分析也適用于在役的油、氣田危化生產設施。通過風險分析確定安全儀表功能及其風險降低要求，并評估現有安全儀表功能是否滿足風險降低要求，對提高現有裝置安全水平具有重要意義。