安全仪表系统的功能安全分析.ppt

安全仪表系统的功能安全分析,电子信息与自动化学院,王鹏,目录,1.课题背景及研究现状,2.安全仪表系统的可靠性与安全性评估,3.火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析,4.锅炉炉膛爆炸的保护层分析,5.炉膛安全监控系统的功能安全评估,6.总结与展望,2,3,研究背景及意义,随着现代化工业的快速发展，工业生产过程的控制规模在不断扩大，复杂程度不断增加，工艺过程不断强化，对过程控制系统的要求也越来越高。,在生产过程中，用于监视生产过程，在危险条件下采取相应措施防止危险事件发生的安全仪表系统已经得到了广泛使用。,但安全仪表系统的产业化应用，遇到了系统功能安全难以保证这个最大的阻力。1976年意大利化工厂二噁英泄漏、1984年印度Bhopal农药厂毒气泄漏、1986年切尔诺贝利核电站事故连接发生的工业事故起因都是安全仪表系统的功能失效。,4,安全仪表系统（SIS）监视控制系统状态，完成安全保护功能，注重安全性,研究背景及意义,控制系统分为两类：,基本过程控制系统（BPCS）实现对过程的连续控制或顺序控制，强调可靠性,研究背景及意义,5,安全仪表系统(SIS),功能安全理论,安全功能（SafetyFunction）,功能安全（FunctionalSafety）,研究背景及意义,6,火电厂炉膛安全监控系统（FSSS）,统一SIS的范围：包括ESD、FSSS、FGS等安全完整性等级（SIL）作为功能安全的评价标准安全生命周期（SLC）为架构广泛应用到化工、冶金、铁路、机械等领域，电力行业开始引进和渗透。,功能安全理论,功能安全技术的研究内容,7,以功能安全标准为基础,以安全生命周期为架构,基于风险降低原理,功能安全技术的发展现状,8,功能安全技术的发展现状,可靠性数学可靠性物理可靠性工程,危险识别风险评价风险控制,功能安全标准功能安全理论功能安全产品的评估和认证,9,危险辨识及风险分析,确定目标安全完整性等级(SIL),FSSS的SIL验证及改进措施,FSSS的功能安全分析,火电厂锅炉的危险辨识建立炉膛爆炸后果的数学模型,炉膛爆炸事故保护层分析采用风险矩阵及风险图法，确定FSSS的目标SIL,主燃料跳闸（MFT）硬跳闸回路安全性与可靠性分析风量30%触发MFT，对比实际SIL与目标SIL，提出整改措施。,目录,1.课题背景及研究现状,2.安全仪表系统的可靠性与安全性评估,3.火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析,4.锅炉炉膛爆炸的保护层分析,5.炉膛安全监控系统的功能安全评估,6.总结与展望,10,可靠性与安全性指标,11,可靠性指标,可靠度R(t)、可用率A(t)、失效率(t)、平均故障前时间MTTF、平均故障修复时间MTTR、维修率(t)及平均故障间隔时间MTBF,安全性指标,要求时失效概率PFD、安全失效概率PFS、平均无危险故障时间MTTF及诊断覆盖率C,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,SIS控制器的冗余结构,12,1oo1结构,1oo2结构,2oo3结构,2oo2结构,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,13,失效模式,安全（S）,危险（D）,无影响,安全检测到的（SD）,安全未检测到的（SU）,危险检测到的（DD）,危险未检测到的（DU）,安全检测到的共因（SDC）,安全检测到的独立（SDN）,安全未检测到的共因（SUC）,安全未检测到的独立（SUN）,危险检测到的共因（DDC）,危险检测到的独立（DDN）,危险未检测到的共因（SUC）,危险未检测到的独立（SUN）,失效模式分类,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,定义出12种状态：OK、DDN、DUN、SDN、SUN、DDNSDN、DDNSUN、DUNSDN、DUNSUN、FS、FDD、FDU,14,四种冗余结构的马尔可夫模型,1oo1结构,1oo2结构,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,15,2oo3结构,2oo2结构,16,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,安全性和可用性指标,安全完整性等级（SIL）是SIS安全性能最重要的衡量标准,可用率(A)用来表征可维修系统的正常工作特性,稳态可用率,时变可用率,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,基于连续马尔可夫模型求取PFD、PFS,17,初始状态矩阵,为状态转移矩阵,，,经过n个时间间隔,安全失效向量,危险失效向量,令时间增量趋于0，得到连续时间马尔可夫模型,假设条件,推导过程,离散时间马尔可夫模型,或,基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估,N取M(MooN)结构的PFS、PFD曲线,PFS最终趋于稳态,曲线分析,PFD都呈线性增加趋势,与1oo1结构相比,1oo2：PFDPFS,2oo2：PFDPFS,2oo3：PFDPFS,MooN结构的时变可用率,18,2oo21oo11oo210-1,操作员干预110-2,安全仪表系统SIL分类,安全阀/爆破片10-110-5,防火堤/防爆墙10-210-3,耐火材料/通风口10-210-3,阻火器或防爆器10-110-3,锅炉炉膛爆炸事故的保护层分析,47,分析场景识别,锅炉炉膛外爆的场景路径,锅炉炉膛内爆的场景路径,锅炉炉膛爆炸事故的保护层分析,48,初始事件频率确定,炉膛瞬间灭火燃料漏入炉膛未经适当吹扫进行点火燃烧器火焰丧失吹扫风量过大将灰斗的可燃物扬起,外爆事故初始事件,内爆事故初始事件,送风和引风设备运行不正常燃料输入急剧减少主燃料跳闸,根据OREDA数据库中的相关数据，结合电力公司调研结果，确定外爆和内爆初始事件的发生频率分别为16次/年和31次/年,锅炉炉膛爆炸事故的保护层分析,49,场景风险量化,锅炉炉膛外爆的保护层分析图,锅炉炉膛内爆的保护层分析图,炉膛安全监控系统的目标安全完整性等级确定,50,风险矩阵法,事故后果分类,事故可能性分类,风险矩阵,炉膛安全监控系统的目标安全完整性等级确定,51,风险图法,事故后果分类,人员处于危险区域的频率分类,未能避开危险事件的概率分类,未安装SIS的后果发生频率,目录,1.课题背景及研究现状,2.安全仪表系统的可靠性与安全性评估,3.火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析,4.锅炉炉膛爆炸的保护层分析,5.炉膛安全监控系统的功能安全评估,6.总结与展望,52,FSSS的工作原理、结构及安全功能,53,FSSS的工作原理,燃烧控制系统（CCS）:控制燃烧状态、空气/燃料比炉膛安全监控系统（FSSS）:安全保护、顺序控制,FSSS的组成结构,FSSS的安全功能,点火前油泄漏试验、炉膛吹扫运行中油燃烧器管理、煤燃烧器管理危险状况主燃料跳闸、油燃料跳闸,主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析,54,主燃料跳闸（MFT）的功能实现,带电动作MFT硬跳闸回路,MFT原理,失电动作MFT硬跳闸回路,主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析,55,两种动作方式硬跳闸回路结构对比,主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析,56,MFT硬跳闸回路的失效模式、影响及诊断分析（FMEDA）,带电动作MFT硬跳闸回路的失效率分类,失电动作MFT硬跳闸回路的失效率分类,主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析,57,MFT硬跳闸回路的故障树分析,带电动作MFT硬跳闸回路故障树,主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析,58,失电动作MFT硬跳闸回路故障树,主燃料跳闸的功能安全评估,59,SIS的组成,炉膛风量30%信号生成,炉膛风量30%MFT的信号流图,主燃料跳闸的功能安全评估,60,风量小触发MFT的SIS组成,主燃料跳闸的功能安全评估,61,SIL的确定,主燃料跳闸的功能安全评估,62,整改措施包括：（1）执行机构部分采用冗余配置；（2）缩短执行机构部分的功能测试周期；对原有阀门、电动执行器、跳闸继电器组均采用双重冗余，构成二取一逻辑，共因失效因子1取0.1。功能测试周期缩短为0.5年，重新计算执行器的要求时失效概率,目录,1.课题背景及研究现状,2.安全仪表系统的可靠性与安全性评估,3.火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析,4.锅炉炉膛爆炸的保护层分析,5.炉膛安全监控系统的功能安全评估,6.总结与展望,63,总结与展望,64,本文以FSSS为研究对象，运用功