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    過(guò)程安全:SIS系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)(SIL)評(píng)估
    發(fā)布者:wsdkingdom  發(fā)布時(shí)間:2019-01-12 08:53:12
    在過(guò)程工廠安裝的安全儀表系統(tǒng)(SIS),主要用于減輕過(guò)程風(fēng)險(xiǎn),但在確定下一步行動(dòng)之前,必須先為其指定目標(biāo)安全完整性等級(jí)(SIL)

    。
    安裝在過(guò)程工廠的安全儀表系統(tǒng)(SIS),在過(guò)程值超過(guò)設(shè)定值時(shí)或偏離安全運(yùn)行工況時(shí),可以將過(guò)程帶入“安全狀態(tài)”,從而緩解過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。
    沒(méi)有單一的安全措施可以消除所有的風(fēng)險(xiǎn),SIS只是多層安全體系中的一層。保護(hù)層分析(LOPA)方法,可以識(shí)別、分析所有已知的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)以

    及保護(hù)層。如果在LOPA分析中得出結(jié)論,認(rèn)為現(xiàn)有的保護(hù)措施不能將風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受或可容忍的水平,那就需要SIS系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)每一種過(guò)程

    風(fēng)險(xiǎn)。并不是所有的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)都需要SIS系統(tǒng)。每個(gè)需要SIS系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn),都必須指定一個(gè)目標(biāo)安全完整性等級(jí)(SIL)。

    SIL等級(jí)是什么?
    SIL等級(jí)來(lái)自于兩個(gè)非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),工廠所有者/經(jīng)營(yíng)者通常用其來(lái)量化應(yīng)對(duì)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的安全性能要求:
    IEC 61508: 電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全I(xiàn)EC 61511: 過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全正如國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)

    標(biāo)準(zhǔn)的定義,安全等級(jí)分為1-4級(jí)。較高的SIL,意味著更大的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn),也就需要SIS系統(tǒng)需要提供更高水平的保護(hù)。SIL是風(fēng)險(xiǎn)頻率和危害

    嚴(yán)重程度的函數(shù)。發(fā)生頻率高、或具有更嚴(yán)重后果的風(fēng)險(xiǎn),其SIL等級(jí)越高。
    為了確定過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)的SIL等級(jí),理解安全生命周期會(huì)有所幫助。

    安全生命周期
    IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)被稱之為安全生命周期的概念,它提供了一個(gè)可重復(fù)的框架,在此框架中,所有的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)都被識(shí)別和分析,以了解哪些

    危害需要使用SIS系統(tǒng)進(jìn)行緩解。從設(shè)計(jì)上看,這是一個(gè)周期性的過(guò)程。任何工藝設(shè)計(jì)、操作工況或設(shè)備的變更,都需要從頭開始重復(fù)該過(guò)程

    ,以確保任何變更都能正確實(shí)施。
    要確定SIL,需要遵循諸多步驟。該過(guò)程從執(zhí)行過(guò)程危險(xiǎn)分析(PHA)開始。PHA是對(duì)與工業(yè)過(guò)程相關(guān)的所有潛在風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)評(píng)估。有必要分析下

    列情況的所有潛在原因和后果:
    火災(zāi);;釋放有毒、風(fēng)險(xiǎn)或易燃物質(zhì)等。關(guān)注任何可能影響該進(jìn)程的內(nèi)容,包括:設(shè)備故障;儀表故障或校準(zhǔn)問(wèn)題;公用設(shè)施(電力、冷

    卻水、儀表空氣等)的喪失;人為錯(cuò)誤或行為;外部因素,如風(fēng)暴或地震。必須分析每種過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)的頻率和嚴(yán)重程度,例如:
    發(fā)生的頻率是多少?如果手動(dòng)執(zhí)行填充操作,任何情況下都有可能會(huì)發(fā)生溢罐事故(每年多少次)。結(jié)果嚴(yán)重程度如何?局部損壞、火災(zāi)、

    ,毒氣釋放、死亡。PHA分析的核心基于這樣一個(gè)事實(shí):任何事情都可能而且確實(shí)會(huì)出錯(cuò)。不要考慮它是否會(huì)發(fā)生,而應(yīng)該考慮它何時(shí)發(fā)

    生。識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn),都應(yīng)指定一個(gè)“可接受的”頻率。不能假定一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。例如:
    一個(gè)需要基本急救干預(yù)的風(fēng)險(xiǎn),如果一年僅發(fā)生一次,那么這種風(fēng)險(xiǎn)可以視為“可接受”;由于油罐破裂而引起的和火災(zāi),其“可接受

    ”頻率為每10000年一次。PHA分析的最終結(jié)果,是一系列可能的工藝風(fēng)險(xiǎn)列表,為每個(gè)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)分配了可接受的發(fā)生頻率。安全生命周期的

    下一步是保護(hù)層分析。單靠單一的安全措施無(wú)法消除風(fēng)險(xiǎn)。因此,有效的安全體系必須由多個(gè)保護(hù)層組成。
    這樣,如果一個(gè)保護(hù)層出現(xiàn)故障,則后續(xù)層將使該過(guò)程處于安全狀態(tài)。隨著保護(hù)層數(shù)量的增加和可靠性的提高,整個(gè)過(guò)程的安全性也隨之增

    加。有一點(diǎn)非常重要,在一個(gè)或多個(gè)層失敗時(shí),每層必須能夠獨(dú)立于其它層運(yùn)行。
    保護(hù)層的具體例子包括:
    滅火系統(tǒng);防泄漏系統(tǒng)(堤防或雙壁);卸壓閥;氣體檢測(cè)/報(bào)警系統(tǒng)。對(duì)于在PHA中識(shí)別的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)該:
    列出所有可用的非SIS安全措施;為每一層指定其風(fēng)險(xiǎn)降低因子;計(jì)算保護(hù)層應(yīng)用后的有效風(fēng)險(xiǎn)頻率;例如:罐體填充操作,發(fā)生每年的頻率

    為250次,因此溢罐事件發(fā)生的頻率為250次每年;適當(dāng)?shù)呐艢?排水系統(tǒng)作為保護(hù)層,可以將風(fēng)險(xiǎn)降低(風(fēng)險(xiǎn)系數(shù))100倍;儲(chǔ)罐溢出危險(xiǎn)的

    有效頻率為每年250/100=2.5次。每個(gè)危害的有效危害頻率確定后,要問(wèn)的關(guān)鍵問(wèn)題是:“采用非SIS保護(hù)層后,有效頻率是否能夠低于可接

    受頻率?”
    一旦識(shí)別出所有的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn),并為其分配保護(hù)層后,如果PHA/LOPA的研究得出結(jié)論,認(rèn)為現(xiàn)有的保護(hù)不能將風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的或可容忍的

    水平,那就需要安裝SIS系統(tǒng)。然而,并不是每一個(gè)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)都需要使用SIS系統(tǒng)。

    安全儀表系統(tǒng)和功能
    SIS的目的,就是在超過(guò)設(shè)定值或當(dāng)超過(guò)安全運(yùn)行工況時(shí),使過(guò)程處于“安全狀態(tài)”。SIS的作用是通過(guò)實(shí)施安全儀表功能(SIF)來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)

    。
    SIF的兩個(gè)示例包括:
    危害:水箱溢流。SIF:SIS系統(tǒng)將灌裝泵停止,將液位維持在安全水平。危害:高溫。SIF:SIS打開繼電器,以在預(yù)定的安全溫度下切斷對(duì)

    加熱器電路的電源。在任何情況下,SIF都是SIS實(shí)現(xiàn)或保持安全狀態(tài)的安全功能。SIF的傳感器、邏輯運(yùn)算器和最終元件協(xié)同動(dòng)作,以檢測(cè)風(fēng)

    險(xiǎn)并將過(guò)程帶入到安全狀態(tài)。
    每個(gè)SIF作為保護(hù)層,將有效風(fēng)險(xiǎn)頻率降至可接受的風(fēng)險(xiǎn)頻率以下。要做到這一點(diǎn),每個(gè)SIF必須有一個(gè)最小的風(fēng)險(xiǎn)降低因子。
    安全生命周期模型的實(shí)例,改編自IEC61511。圖片來(lái)源:Cross 公司。
    SIF的SIL目標(biāo)水平
    在罐溢出實(shí)例中,在實(shí)施非SIS保護(hù)層之后,其有效頻率為每年2.5次。如果可接受的危害頻率為每10年一次,那SIF必須有不低于25的風(fēng)險(xiǎn)降

    低因子(RRF)。
    SIF的最小風(fēng)險(xiǎn)降低因子(RRF)=未實(shí)施SIS的有效頻率/可接受頻率=2.5/0.1=25。每個(gè)SIF所需的最小RRF被用于確定SIF的目標(biāo)SIL等級(jí)。通過(guò)

    表1,可以直接從RRF確定目標(biāo)SIL等級(jí)。注意SIL和RRF之間的關(guān)系。SIL1具有的最小RRF為101,SIL2具有最小的RRF為102,以此類推。
    對(duì)于罐體過(guò)量填充的例子,最小RRF為25,SIF的目標(biāo)SIL為SIL1,因此,這是一個(gè)等級(jí)為SIL1的風(fēng)險(xiǎn)。
    對(duì)于PHA和LOPA所識(shí)別的每個(gè)風(fēng)險(xiǎn),使用相同的方法為SIF的分配目標(biāo)SIL。請(qǐng)注意,可能有不同的目標(biāo)SIL。過(guò)程的下一個(gè)步驟,是設(shè)計(jì)一種

    能滿足需求的SIF,以便達(dá)到目標(biāo)SIL。
    SIF可實(shí)現(xiàn)的SIL等級(jí)
    SIS是由許多組件組成的系統(tǒng),例如:
    信號(hào)輸入傳感器;輸入信號(hào)接口與處理;具有電源和通信的邏輯運(yùn)算器;輸出信號(hào)處理、接口和電源;執(zhí)行器(閥門、開關(guān)裝置),用于最終

    控制功能。舉個(gè)SIF的例子:在高溫工況下繼電器斷開,負(fù)責(zé)加熱器電路的SIS系統(tǒng),應(yīng)包含以下回路部件中的任何一種或全部:熱電偶、變送

    器、輸入信號(hào)調(diào)節(jié)器或隔離器、模擬輸入卡、通訊卡、中央處理器、離散輸出卡、輸出信號(hào)調(diào)理器或隔離器、以及加熱器繼電器。
    必須假定某一時(shí)刻會(huì)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。你不能認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。同樣,必須假定SIF的任何組成部分都可能無(wú)法根據(jù)需求采取行動(dòng)。
    一個(gè)比較常見(jiàn)的故障是有關(guān)正常工藝條件下保持開啟的隔離閥的。如果需要關(guān)閉此閥門才能實(shí)現(xiàn)特定的SIF,則風(fēng)險(xiǎn)可能是在需要關(guān)閉閥門時(shí)

    此閥保持在開的位置,而不是按要求關(guān)閉。因此,我們必須知道SIF的失效概率。
    給定SIF的總體故障概率,通過(guò)執(zhí)行SIL計(jì)算來(lái)確定。SIL計(jì)算有些復(fù)雜,但本質(zhì)上,該計(jì)算過(guò)程就是收集SIF部件的故障率數(shù)據(jù),如測(cè)試頻率

    、冗余、表決安排等。最終結(jié)果是每個(gè)SIF,都可以獲得可能出現(xiàn)故障的總體概率(PFD)。
    構(gòu)成SIF回路的眾多設(shè)備的制造商,都會(huì)公布設(shè)備的故障率數(shù)據(jù)。過(guò)程企業(yè)經(jīng)常與咨詢公司簽訂合同,以確定失效概率。
    這些故障概率數(shù)據(jù),是進(jìn)行SIF計(jì)算所需的輸入數(shù)據(jù),而本身并不是SIL數(shù)據(jù)。并沒(méi)有自帶SIL等級(jí)的設(shè)備。您無(wú)法購(gòu)買到具有SIL等級(jí)的變送

    器或SIL等級(jí)的控制系統(tǒng)。
    一旦已知了SIF的PFD,那么它的RRF就是PFD的倒數(shù)(RRF=1/PFD)。然后,就可以比較SIF的RRF與所需的最低RRF。如果SIF的RRF大于所需的最

    小RRF,那SIF就可以將整體風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的水平。
    回到前面罐體溢出的例子,假設(shè)SIL計(jì)算證明SIF具有300的RRF。由于該值大于25,SIF大大滿足要求。如果SIL計(jì)算發(fā)現(xiàn)RRF小于25,那就需要

    改變或重新排列SIF組件。
    增加RRF的一種方法,是在表決機(jī)制中配置冗余的變送器,或者購(gòu)買故障率較低的變送器。SIL等級(jí)、PFD和RRF之間的關(guān)系如表2所示。
    回到罐填充實(shí)例中,SIF的RRF為300,而需求的最小RRF為25(SIL1)。SIF可實(shí)現(xiàn)的SIL等級(jí)是SIL2。這意味著有SIL2的SIF可用于保護(hù)SIL1風(fēng)險(xiǎn)

    。這是完全可以接受的,而且比較常見(jiàn)。
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