安全仪表系统的功能安全分析精选

1、安全仪表(ybio)系统的功能安全分析 电子信息与自动化学院(xuyun)王鹏共六十六页目录(ml)1. 课题(kt)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共六十六页3 研究(ynji)背景及意义 随着现代化工业的快速发展(fzhn)，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

2、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。共六十六页4安全仪表系统（SIS） 监视控制系统(kn zh x tn)状态，完成安全保护功能，注重安全性 研究(ynji)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，强调可靠性共六十六页 研究背景(bijng)及意义5安全(nqun)仪表系统 (SIS)功能安全理论安全功能（Safety Function）功能安全（Functional

3、Safety ）共六十六页 研究(ynji)背景及意义6火电厂炉膛(ltng)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。功能安全理论共六十六页 功能安全技术(jsh)的研究内容7以功能安全标准(biozhn)为基础以安全生命周期为架构基于风险降低原理共六十六页功能安全技术(jsh)的发展现状8功能(gngnng)安全技术的发展现状可靠性技术安全评价技术功能安全技术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

4、准功能安全理论功能安全产品的评估和认证共六十六页9123危险辨识(bin sh)及风险分析确定目标安全(nqun)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。共六十六页目录(ml)1. 课题背景及研究(ynji)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

5、统的功能安全评估6. 总结与展望10共六十六页可靠性与安全性指标(zhbio)11可靠性指标(zhbio)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共六十六页基于连续(linx)时间马尔可夫模型的系统可用性评估SIS控制器的冗余(rn y)结构121oo1结构1oo2结构2oo3结构2oo2结构共六十六页基于连续(linx)时间马尔可

6、夫模型的系统可用性评估13失效(sh xio)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）失效模式分类共六十六页基于连续时间(shjin)马尔可夫模型的系统可用性评估定义出12种状态(zhungti)：OK、DDN、DUN、SDN、SUN、DDN SDN、DDN SUN、DUN SDN、DUN SUN、FS、FD

7、D、FDU14四种冗余结构的马尔可夫模型1oo1结构1oo2结构共六十六页基于连续(linx)时间马尔可夫模型的系统可用性评估152oo3结构(jigu)2oo2结构共六十六页16基于连续时间(shjin)马尔可夫模型的系统可用性评估安全完整性等级低要求操作模式下的PFD高要求操作模式下的PFH410-410-510-810-9310-310-410-710-8210-210-310-610-7110-110-210-510-6安全性和可用性指标(zhbio)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共六十六页基于连

8、续时间(shjin)马尔可夫模型的系统可用性评估基于连续马尔可夫模型(mxng)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共六十六页基于连续(linx)时间马尔可夫模型的系统可用性评估 N取M(MooN)结构(jigu)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： PFD PFS2oo2： PFD PFS2oo3： PFD PFSMooN结构的时变可用率182oo2 1oo1 1oo22.94大部分人员死亡，

9、大型钢架结构破坏80%2.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏100%2.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏部件爆炸比例冲击波超压 （MPa）后果水冷壁1%0.0790.126人员内脏严重损伤或死亡，砖墙倒塌防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌5%0.2350.33大部分人员死亡，大型钢架结构破坏10%0.500.76大部分人员死亡，大型钢架结构破坏30%1.271.67大部分人员死亡，大型钢架结构破坏50%1.672.06大部分人员死亡，大型钢架结构破坏80%2.062.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏100%2.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏省煤器爆破能量、冲击波超压及后果水冷壁爆破

10、能量、冲击波超压及后果共六十六页直流锅炉的爆炸风险(fngxin)分析40部件爆炸比例冲击波超压（MPa）后果分离器1%0.013人员轻微损伤，受压面的门窗玻璃大部分破碎5%0.013人员轻微损伤，受压面的门窗玻璃大部分破碎10%0.013人员轻微损伤，受压面的门窗玻璃大部分破碎30%0.0210.0235人员轻微损伤，墙裂缝50%0.02350.027人员轻微损伤，墙裂缝80%0.0330.043人员听觉器官损伤或骨折，墙大裂缝，屋瓦掉落100%0.0330.043人员听觉器官损伤或骨折，墙大裂缝，屋瓦掉落部件爆炸比例冲击波超压（MPa）后果过热器1%10-1操作员干预 110-2安全仪表系

11、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 共六十六页锅炉炉膛(ltng)爆炸事故的保护层分析47分析场景(chng jng)识别 锅炉炉膛外爆的场景路径锅炉炉膛内爆的场景路径共六十六页锅炉炉膛爆炸(bozh)事故的保护层分析48初始事件频率(pnl)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

12、爆初始事件的发生频率分别为16次/年和31次/年共六十六页锅炉炉膛爆炸事故(shg)的保护层分析49场景(chng jng)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共六十六页炉膛(ltng)安全监控系统的目标安全完整性等级确定50风险(fngxin)矩阵法事故后果分类严重程度描述较轻影响一开始只限制在本地区域，若无相应保护措施，可能造成严重后果严重可能造成严重损害或死亡，造成出事地500万元或出事地周边100万元财产损失特别严重超过“严重”的程度5倍事故可能性分类事故可能性描述低事故发生小于10-4次/年，具有非常低的可能性中事故发生介于10-4与10-2次/年，具有中等可

13、能性高事故发生大于10-2次/年，具有高可能性风险矩阵共六十六页炉膛安全监控系统的目标安全完整性等级(dngj)确定51风险(fngxin)图法事故后果分类分类描述CA轻微受伤CBPLL=0.01至0.1CCPLL=0.1至1.0CDPLL1.0人员处于危险区域的频率分类分类描述FA较少处于危险区域，处于危险区域的时间少于总时间的10%FB经常或永久处于危险区域未能避开危险事件的概率分类分类描述PA一定条件下可能PB几乎不可能未安装SIS的后果发生频率分类描述W10.03次/年W20.03次/年0.3次/年W30.3次/年3次/年共六十六页目录(ml)1. 课题背景(bijng)及研究现状2.

14、 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共六十六页FSSS的工作(gngzu)原理、结构及安全功能53FSSS的工作(gngzu)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、油燃料跳闸共六十六页主燃料(rnlio)跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析54主燃料(rnlio)跳闸（MFT）的功能实现带

15、电动作MFT硬跳闸回路 MFT原理失电动作MFT硬跳闸回路共六十六页主燃料跳闸(tio zh)硬跳闸(tio zh)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(jigu)对比 带电动作 失电动作手动按钮 触点串-并联 触点并-串联DCS输出继电器组 常开型继电器三取二 常闭型继电器三取二跳闸继电器 SIMTT KDN-B 型继电器 SIMTT D8-ULB型作继电器共六十六页主燃料跳闸(tio zh)硬跳闸(tio zh)回路的安全性与可靠性分析56MFT硬跳闸回路的失效模式(msh)、影响及诊断分析（FMEDA）带电动作MFT硬跳闸回路的失效率分类名称各失效模式下的失效率 ( )

16、冗余结构12SUSDDUDD电源单元004477121oo20.02手动跳闸按钮404002oo20.05按钮常开触点10200正逻辑串-并联DCS输出继电器80102oo30.0250.3SIMTT KDN-B型继电器77010101oo1OMRON带电跳继电器4406901oo1失电动作MFT硬跳闸回路的失效率分类名称各失效模式下的失效率 ( )冗余结构12SUSDDUDD电源单元447712001oo20.02手动跳闸按钮1103302oo20.05按钮常闭触点20010负逻辑并-串联DCS输出继电器80102oo30.0250.3SIMTT D8-ULB型继电器3007201oo1OM

17、RON失电跳继电器6205101oo1共六十六页主燃料跳闸(tio zh)硬跳闸(tio zh)回路的安全性与可靠性分析57MFT硬跳闸回路(hul)的故障树分析带电动作MFT硬跳闸回路故障树跳闸方式名称要求时失效概率 PFD安全失效概率PFS带电动作电源单元0手动跳闸按钮按钮常开触点DCS输出继电器SIMTT KDN-B型继电器OMRON继电器MFT跳闸回路共六十六页主燃料跳闸硬跳闸回路(hul)的安全性与可靠性分析58失电动作(dngzu)MFT硬跳闸回路故障树跳闸方式名称要求时失效概率 PFD安全失效概率PFS失电动作电源单元0手动跳闸按钮按钮常开触点DCS输出继电器SIMTT U8-U

18、LB型继电器OMRON继电器MFT跳闸回路共六十六页主燃料跳闸的功能(gngnng)安全评估59SIS的组成(z chn)炉膛风量30%信号生成炉膛风量30%MFT的信号流图共六十六页主燃料跳闸的功能安全(nqun)评估60风量(fngling)小触发MFT的SIS组成SIF传感器部分逻辑部分执行机构风量小触发MFT测量左侧二次风流量的3台差压变送器（2oo3），测量右侧二次风流量的3台差压变送器（2oo3），测量6台磨煤机入口一次风流量的12台差压变送器（分6组，1oo2）DPU1，DPU10，DPU12，DPU13，DPU14；DPU10中的AI模件A1、A2、A3（2oo3），DO模件B

19、5、E2、F2（2oo3）；DPU12/13/14中的AI模件A1、A2（1oo2），B1、B2（1oo2）；DPU1中的DI模件B5、C3、D1（2oo3），DO模件B4、C4、C5（2oo3）。硬跳闸回路，采用失电动作方式；电气开关柜；6台磨煤机、6台给煤机、2台一次风机、2台给水泵；过热器、再热器减温水相关电动门共10个；燃油进油快关阀、燃油回油快关阀、燃油泄漏试验阀；6磨煤机各分离器出口风粉关断门共24个；各油角阀共32个。共六十六页主燃料(rnlio)跳闸的功能安全评估61SIL的确定(qudng)部件12二次风FT（2oo3）059318861720.10.3一次风FT（1oo2）

20、059318861720.1AI模件(1oo2)31452060.025AI模件(2oo3)31452060.0250.3DO模件（2oo3）16121730.0250.3DI模件（2oo3）231636150.0250.3DPU109169412514通信系统1757515892 第一层跳闸继电器21931040第二层跳闸继电器661011截止阀0201144224电动执行器4619052510388共六十六页主燃料跳闸的功能(gngnng)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(ynz)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 动作方式传感器逻辑控制器执行机构SIF带电动作失电动作截止阀电动执行器跳闸继电器组执行机构SIF带电动作失电动作共六十六页目录(ml)1. 课题背景(bijng)及研究现状2. 安全仪表系统的可靠性与安全