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sil 技术在加氢裂化装置联锁系统上的应用 董绍平 陈捷 （中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司机动处，浙江宁波 315207） 摘 要 以加氢裂化装置联锁系统为例，介绍了 sil 定量评估技术的特点及其在石化装置中的应 用情况， 对 sil 评估的内容及方法以及评估中发现的具有代表性的问题进行了逐一探讨， 并就 sil 的进一步应用提出一些建议。 关键词 sil 加氢裂化 定量分析 联锁 完整性 1 概述 安全联锁系统（safety instrumented systems， sis） ，是一种自动安全保护系统，它是保证正常生 产和人身、设备安全的必不可少的措施，是工业自动化的重要组成部分。联锁回路对装置的可靠性和 安全运行影响极大。联锁系统设计不当，一种可能的后果是该跳车时不跳，即拒动；另一种可能的后 果是不该跳车时跳车，即误跳。拒动会造成严重甚至灾难性的后果，误动的直接后果是装置停车，造 成巨额的经济损失。如 i 套加氢裂化装置，一次误跳车造成的经济损失达 188 万元，由此引起的日停 产损失高达 100 万元。可见，对安全联锁系统进行安全和误跳车分析，使联锁系统的性能具有合理的 水平，既能防止拒动，又能避免发生误动，对于减小事故的发生以及避免经济损失具有重要的意义。 联锁系统安全完整性水平（safety integrity level，sil）评估技术是随着 rbi、rcm 技术逐渐发 展起来的基于风险的评估技术。所谓 sil 就是：在一定时间、一定条件下，安全相关系统执行其所规 定的安全功能的可能性。该技术最初源于国际上著名的石化公司如 shell、esso、bp 等企业的安全技 术及管理措施，自提出以来，先后经历了方法的提出、标准的出台及应用推广等阶段。国际上先后出 台了 isa s84 1 、iec61508 2 、iec61511 3等国家标准及国际标准，用于指导联锁系统的安全完整性 水平。我国也于 2006 年推出了与 iec61508 对应的 gb/t 20438 国家标准 4 ，用于指导 sil 定量评估 技术的应用。 2 sil 的特点及适用条件 5 sil 作为一种定量分析新技术，具有以下特点： 1）综合性：为评估装置中联锁回路的安全完整性水平，需要对装置存在的危险（hazard） 、装置 的定量失效后果、控制系统的安全保障能力、安全控制装置的安全功能以及联锁回路的安全水平进行 综合评估。 通常一个评估项目需要进行大量的过程安全分析（pha） 、 危险及可操作性分析 （hazop） 、 安全保护层分析（lopa） 、失效后果定量计算（qra）以及联锁系统可靠性计算等工作。 2）定量化：sil 是真正意义上的定量分析方法。sil 评估前需依据装置的运行特点，制定相应的 定量控制目标。在制定的可接受风险矩阵（risk accept matrix， ram）时将装置的大修周期以及装 置的实际情况考虑在内；当风险控制目标确定后，再进行 sil 分析，假如结果表明，可以达到安全控 制目标的，则被视为是安全的，否则就需要对联锁系统进行改进，并重新进行定量计算。 3）客观性：sil 定量分析是以系统各组成的可靠性数据为基础的，这些数据在联锁回路可靠性计 算过程将发挥重要作用。通常此类数据的应用需要大量的专家经验并与现场相结合，数据来源的客观 性为评估结果的可靠性提供重要保障。 4） 实际性： sil定量分析真正做到与现场的紧密结合。 sil定量分析将集成过程危险分析技术pha、 危险及可操作性分析 hazop 以及保护层分析 lopa 等，每一步分析中都需要生产一线的技术人员与 专业分析人员密切合作。反过来，分析结果又应用到实际。 3 评估内容及范围 套加氢裂化装置自投产以来，经历了多次扩建，处理量由原来的 80 104 t/a 提高到 220 104 t/a。 由于装置涉及高温高压及临氢操作条件，为确保安全，系统配备了由 honeywell 提供的 fsc 安全联锁 系统。自投产以来，装置发生过由于联锁误动作引起的事故，给企业造成了巨大经济损失。为摸清联 锁中存在的安全误跳车问题，我们与浙江工业大学等研究单位合作对该装置联锁系统的安全完整性水 平进行定量评估。 依据 iec61511 相关标准，结合加氢裂化装置的实际情况，选择了 11 个重要要联锁回路，主要考 虑了五类不同类型的联锁系统，即高压串低压联锁回路系统、加热炉联锁回路系统、原料油泵及贫液 泵联锁回路、压缩机联锁回路系统、紧急泄压联锁回路，各联锁回路名称及编号见表 1。考虑到联锁 回路的实际情况， 项目实施过程中追加了一个联锁回路； 由于循环氢压缩机在整个装置中的重要作用， 将其 sis-c301 联锁回路由原先一般联锁路改为关键回路进行研究； 由于联锁失效后果较轻， 把原先认 定的关键联锁回路 sis-t313 作为一般联锁回路处理。 表 1 sis 项目联锁回路 序号 联锁回路名称 联锁编号 1 0.7 mpa 自动/手动紧急泄压阀联锁 sis-xcv3108 2 2.1 mpa 手动紧急泄压阀联锁 sis-xcv3109 3 c301 循环氢压缩机联锁 sis-c301 4 v303 冷高分出口自保联锁 sis-v303 5 v336 热高分出口自保联锁 sis-v336 6 c302a 新氢压缩机联锁 sis-c302 7 t313 低液位自保联锁 sis-t313 8 p301a 原料油泵联锁 sis-p301 9 p342a 高压脱硫乙醇胺溶济循环泵联锁 sis-p342 10 f302 氢气加热炉联锁 sis-f302 11 t301 塔底循环加热炉联锁 sis-f303 注：编号 16 为重要关键联锁回路，711 为一般联锁回路。 4 sil 定量分析 4.1 可接受风险的确定 在开展定量分析前，依据企业及装置的实际情况，制定了用于评估的风险矩阵。风险矩阵包括人 员安全、环境影响及经济损失共三个风险控制矩阵。例如，为实现风险的量化，以人员伤亡的控制要 求为 10-4 次/人年为例， 风险矩阵中确定了可能造成一人死亡的事故， 若事故发生的频率为 10 年每次， 则联锁需要达到 sil2 级，才能满足上述安全要求。以此为基点，制定了对人身伤亡的风险矩阵（见表 2） 。 表 2 人员安全控制要求 事故概率 sil 选择 0t1 年/次 sil 1 sil 2 sil 3 sil 4 x xx t1t2 年/次 sil b sil 1 sil 2 sil 3 sil 4 x t2t3 年/次 dcs sil b sil 1 sil 2 sil 3 sil 4 t3t4 年/次 dcs dcs sil b sil 1 sil 2 sil 3 t4 年/次 dcs dcs dcs sil b sil 1 sil 2 事故分级 厂级 一般事故 公司级 一般事故 集团公司级 一类事故 集团公司级 二类事故 集团公司级 重大事故 集团公司级 特大事故 sil 值是以一般国际标准为依据。 依据 iec61508 及 iec61511 标准，对装置其他安全功能如 dcs、安全阀、独立报警及被动安全措 施（消防围堰、应急救援）在降低风险方面的能力进行了量化，上述标准的建立为评估过程的顺利进 行提供了保障。 4.2 sil 定量评估的内容 4.2.1 sif 分析 在 sil 分析中，采用过程危险性分析（pha）以及危险及可操作性分析（hazop）方法，对各联 锁回路的功能进行了分类，确定了评估范围内对装置具有重要影响的六个联锁回路为关键回路，剩余 五个一般联锁回路。在分析安全联锁功能（sif）中，对每一个联锁功能的目的、预防的危险以及除联 锁外装置的保护进行了分析。上述分析过程经现场确认，作为进行后续分析的依据；以加氢裂化反应 器入口温度联锁为例，对可能造成温度联锁动作的原因，包括工艺、仪表、设备以及人为失误等各种 原因进行了分析，并对无联锁功能或联锁功能无法执行的后果进行了深入分析。结合工艺、设备、仪 表等多方面的知识系统地研究了无温度联锁可能导致的反应器飞温、容器失效以及失效后果。并依据 美国过程安全中心（ccps）的推荐方法进行了联锁失效后果的定量计算 6 。 4.2.2 联锁回路失效后果的计算 在加氢裂化装置联锁系统的 sil 分析中，依据 ccps 推荐的计算方法，对联锁失效可能造成重大 失效后果的裂化反应器、低压分离器进行了定量失效后果计算。依据世界银行以及国际广泛接受的失 效后果标准进行分析计算后发现了部分操作室安全距离不足，结合装置的日常维护人员配置情况，又 评估出极端情况下可能造成一次多人死亡的重大风险。 4.3 联锁安全水平及误跳车的计算 在定量分析的基础上，收集了联锁回路中仪表的类型、冗余结构、系统设置等资料，依据各联锁 回路的配置情况，利用自行开发的软件对联锁的安全水平及误跳车进行了计算。在计算过程中，全面 考虑了装置的大修周期以及维修策略。采用基于马尔科夫模型（markov model）的可修复系统可靠性 计算方法对各联锁回路在指令模式（demand mode）下的联锁失效概率进行了定量计算，同时还对各 联锁回路发生一次无故障跳车情况进行了定量计算。 综合考虑了装置的其他安全保护层及其安全保护能力后 7 ，依据 iec61511 标准，获得了各联锁 回路的联锁功能的安全与误跳车分析结果，见表 3。 表 3 项目包括的联锁回路安全与误跳车分析结果 编 号 联锁编号 安全不足的 sif 误跳车过高 的 sif 合理的 sif 备注 1 sis-c301 2（18.2%） 7（63.6） 2（18.2） 包括入口分液罐 sif 及冷高分液位高 高 sif 2 sis-xcv3108 1（50%） 1（50%） 入口分液罐sif及冷高分液位高高sif 归到 sis-c301 中 3 sis-xcv3109 作为 sis-xcv3108 备用联锁处理 4 sis-v303 1（100%） 手动联锁 5 sis-v336 1（100%） 6 sis-f302 1（25%） 1（25%） 2（50%） 7 sis-f303 3（100%） 8 sis-p301 2（100%） 9 sis-c302 1（50%） 1（50%） 10 sis-t313 1（100%） （经 zrcc 改造后） 存在设计压力不合理的问题，原始设 计中存在安全问题 11 sis-p342 2（100%） 5 评估结果 5.1 评估前后对比 本项目的主要研究成果包括：依据集团公司及镇海炼化实际情况，制定了适用于套加氢裂化装 置的联锁回路定量安全评估适用的风险矩阵；对十一个主要联锁回路进行定量安全评估，发现部分联 锁回路存在联锁不足及误跳车等问题；在定量安全评价过程中发现的一些公共安全问题提出了相应的 改进意见，包括安全附件的安全能力问题、外操室的选址问题、智能仪器仪表的选型问题以及仪表及 设备的共因失效问题。针对联锁回路设计过程中误跳概率过高和安全不足的问题提出了合理可行的改 进意见，使联锁回路达到企业要求的安全等级。联锁改进前后的安全及误跳车情况对比见表 4。 表 4 改进前后的联锁回路安全与误跳车情况 编号 联锁编号 安全不足的 sif 误跳车过高的 sif 合理的 sif 改进前 改进后 改进前 改进后 改进前 改进后 1 sis-c301 2 0 7 0 2 11 2 sis-xcv3108 1 0 1 2 3 sis-xcv3109 4 sis-v303 1 0 1 5 sis-v336 1 0 1 6 sis-f302 1 0 1 0 2 4 7 sis-f303 3 3 8 sis-p301a 2 2 9 sis-c302a 1 0 1 2 10 sis-t313 1 1 11 sis-p342 2 2 注：sis-xcv3109 作为 sis-xcv3108 的备用联锁处理。 5.2 评估取得的成果 1）高压串低压的安全阀排放能力不足问题。在评估联锁回路的安全保护层时，发现了三个具有串 压危险的联锁回路存在联锁失效时的安全阀排量不足问题，这是由于设计过程中偏保守设计导致失效 时的偏不安全后果。该问题具有一定的代表性。 2）仪表选型及设置问题。发现不少联锁回路的仪表选型及设置不大合理。例如，存在大量输出信 号为开关量的传感器，如高压串低压联锁回路的液位开关与低压容器上的压力开关。输出信号为开关 量的传感器特别是液位开关存在故障率高、可靠性低的特点。 3）sis 与 dcs 的仪表及设备的共用问题。评估中发现有的联锁回路仪表与 dcs 共用问题，此类 共用可能造成严重的失效后果。如裂化反应器 r302 入口温度传感器同时用于控制回路与联锁回路， 存在较大的安全隐患。 6 结语 联锁回路安全和误跳车分析是石化行业一项新兴的安全保障技术，相应的国际标准的制定时间为 2003 年。依据国际著名石化公司的统计结果，sis 定量安全评价技术对于提升企业的安全水平，提高 企业经济效益具有重要的促进作用，本项目正是在这一背景下展开的。作为该技术在国内的第一个示 范项目， 在项目成员单位通力合作下， 圆满完成了所提出的十一个联锁回路的安全和误跳车分析报告， 取得了多项重要的研究成果，为现有加氢裂化装置的安全运行以及新上加氢裂化装置的联锁回路设计 起到了重要的指导作用。 鉴于加氢裂化装置联锁回路 sil 评估的成功应用，结合目前其它装置的运行现状，又启动了循环 流化床 cfb 电站锅炉联锁回路系统安全与误跳车分析项目，选择在我公司的电站中予以实施，主要 包括了锅炉主燃烧切断 mft、炉膛吹扫、管式燃烧器、石油焦给料系统、一次风机、引风机、过热器 保护等主要工艺过程和设备保护联锁系统回路。 评估循环流化床 cfb 锅炉的安全联锁回路是否满足装 置长周期安全生产的要求、是否有联锁过度或不足。 今后还将该技术用于对现有联锁系统摘除或新增的评估中。目前的评估是定性的，对摘除以后的 风险凭经验而定， 所采取的降风险措施也不完全能起到相应的作用。 采用 sil 评估可以使得风险量化， 降风险措施更为合理，使得公司仪表联锁管理水平提高，降低由联锁变更所带