安全监测与控制系统培训

1、安全监测与控制系统 左 信 中国石油大学（北京）自动化系 2011年11月北京燕山,提 纲,一、背景及引言 二、安全、风险及安全技术 三、安全监测与控制系统 四、功能安全及安全完整性等级 五、安全生命周期管理与安全评估 六、存在的问题及进一步工作,仪表、自动化 能为安全做些什么？,一、背景及引言,自动化与安全 重庆开县井喷 开始思考 自动化能为安全做点什么 从自动化角度对事故案例进行分析 事故原因： 大多伴随着高温高压 自动化技术的应用可以避免很多事故的发生 安全监测与控制系统早已有之 自动化技术应用 重视不够，使用和管理不规范,重庆开县井喷事故,2003年12月23日22时04分，中石油在四

2、川开县的罗家16井，在起钻过程中发生天然气井喷失控，从井内喷出的大量含有高浓度硫化氢的天然气四处弥漫、扩散，导致243人因硫化氢中毒死亡、2142人因硫化氢中毒住院治疗、65000人被紧急疏散安置、直接经济损失达6432.31万元的严重后果。,重庆开县井喷事故,重庆开县井喷事故,由两位院士、五位教授级高级工程师组成的专家组经过5天的紧张工作，得出了事故原因的初步结论 国家安全生产监督管理局副局长孙华山指出:有关人员对这口高产出的气井预测不足，对水平井钻井工艺还不够成熟，现场作业人员违章违规，在起钻过程中，泥浆的循环时间严重不足，又不按规定进行灌注，没有及时发现溢流的征兆，采取有效的措施，这些是

3、产生井涌、井喷的直接原因。 孙华山说，有关人员违反有关规定拆除了在钻具中安装的回压阀，也就是防井喷的装置，导致了井喷的严重失控。井喷失控以后，没有及时对放喷管线实施点火，以致大量含有高浓度硫化氢的有害气体喷出，造成了这次事故的扩大和恶化。,事故原因公开报道,当时井内的压力高达40兆帕，即正常大气压的400倍。 地层压力大于井内液柱压力时，地层中的液体就像摇晃的香槟酒冲开瓶塞一样，把泥浆顶出来。其过程为泥浆溢流井涌井喷。 即使井喷了，也是可以控制的防喷器 防喷器自动封住井口，同样也可以控制井喷 防喷装置一般有3种，一种是手动的，一种是油压的，还有是气压的。 从发现溢流1.1立方到关井需要6分钟，

4、但是有专家问:“关闭防喷器6分钟时间还不够吗？” 发生事故的川东钻井公司无论技术还是设备，都是一流的。 为什么罗家16号井在6分钟内没有封井。多位专家提示，这里是调查井喷失控的核心问题。 一点火星或许就能挽救200多条性命 为什么不在井喷后立即点燃？,吉林石化双苯厂爆炸事故,2005年11月13日下午1时45分，中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸，在随后的2个小时内，厂内又接连发生5次爆炸。共造成8人死亡，60人受伤，直接经济损失6908万元。事故导致该厂四套装置停产，松花江严重污染，哈尔滨停止供水四天。,吉林石化双苯厂爆炸事故,吉林石化双苯厂爆炸事故,2005年11月13日深夜，吉林石化公司召

5、开了新闻发布会称，吉林石化公司双苯厂爆炸原因初步查明，是由于该厂苯胺装置硝化单元发生着火爆炸，102塔发生堵塞，循环不畅，因处理不当造成。 吉林省安全生产监督管理局牵头的事故调查组经分析一致认为：该事故直接原因是由于当班操作工停车时，疏忽大意，未将应关闭的阀门及时关闭，误操作导致进料系统温度超高，长时间后引起爆裂，随后引发爆炸。 质疑： 报警？ 自动关闭系统 ？,河北沧州硝化装置爆炸,2007年5月11日，河北沧州大化公司硝化装置发生爆炸，造成5人死亡，80人受伤，几千名群众疏散转移。调节阀内漏是导致此事故发生的直接原因，也是技术原因；管理原因是生产技术管理混乱，工艺参数控制不严，人员技术培训

6、不够等；另外工厂布局不合理、消防泵设计不合理、硝化装置防护措施不合理、选用调节阀的质量较差、紧急停车系统不到位等都是这次事故发生和造成较大损失的重要原因。,印度博帕尔(Bhopal)剧毒气体泄漏,1984年12月3日凌晨，美国联合碳化物有限公司印度博帕尔农药厂，装有液态剧毒气体异氰酸甲酯的储罐内温度上升，压力过大，导致储罐泄漏，中和毒气的净化器失灵，自动点火装置失效，浓雾状毒气游移于博帕尔市内外，直至 45吨剧毒气体泄漏殆尽。 事故导致2万5千多人死亡，万多人失明，万多人受到严重毒害，近万人终身残疾，0多万人接受治疗，多达余万受影响，约占博帕尔市总人口的一半。 是有史以来最残酷的工业污染事故，

7、是一起震惊世界的惨案。,自动化与安全 工业测控系统中仪表阀门控制器： 本质安全 防爆 防辐射等 工业测控系统中其他与安全有关的内容 测量信号的报警 故障诊断与报警 计算机控制系统 集中/分散 结构冗余 快稳准 调节阀的选择 风开/风关 阀位限制 控制系统中的低选/高选控制，连锁逻辑控制 安全相关测量控制系统（暂时记为 SrCS) 很早就存在，使用得越来越多 渐渐地形成一个独立的专用的SrCS 如: ESD SIS 随着对安全的重视，对 SrCS要求越来越高,一、背景及引言,自动控制系统的分类（按功能分类方法之一） 生产运行控制系统：生产功能 基本过程控制系统 BPCS(Basic Proces

8、s Control System) 过程控制系统 PCS (Process Control System) 生产控制系统 Production Control System 安全保护控制系统：安全功能 安全仪表系统 SIS(Safety Instrumented System) 安全控制系统 SCS(Safety Control System) 安全保护控制系统 SGCS (Safeguard Control System) 安全监测与控制系统 SrCS (Safety Related Control System) 目前：命名不统一不规范 ， SIS 不够贴切 比较通用,一、背景及引言,仪表

9、控制与安全的关系 生产运行控制系统：BPCS PCS 提高可靠性，减少事故隐患 安全保护测控系统：SrCS SIS 安全监测 故障诊断与报警 安全控制（人工/自动） 应急调度指挥中心 问题： 如何合理设置SrCS?,一、背景及引言,IEC61508 1998年发布 GB/T20438 2007-01-01实施,IEC61511 2003年发布 GB/T21109 2007-12-01实施,SrCS 存在的问题 对安全发挥作用认识和重视程度不够 已经设计和使用的SIS系统 合理性 经济性 有效性 新的标准GB/T 21109, GB/T20438 如何执行 安全相关测量控制系统 有关标准 199

10、4年，德国标准 DINV19250 1996年，美国标准 ISA 84.01 1998年，国际标准 IEC61508-1:1998 IEC61508-7:2000 2003年，国际标准 IEC61511-1:2003 IEC61511-3:2003 2006年前 中国标准 SH/T 3018:2003 , SY/T 10045:2003 2006年，中国标准 GB/T 20438:2006, 2007年1月1日实施 2007年，中国标准 GB/T 21109:2007, 2007年12月1日实施,一、背景及引言,二、安全、风险及安全技术,安全的定义： 定义: 不存在不可接受的风险 GB/T21

11、109-1:p13 绝对安全不存在 不可控，安全与风险并存 风险的定义： 定义：出现伤害的概率与该伤害严重性的组合 GB/T21109-1:p13 风险=发生概率*造成后果 允许风险：根据当前社会水准，在给定的环境内能够接受风险 风险标准：装置 车间 分厂 公司 企业 国际 过程风险: 由于过程、BPCS系统和相关人员因素而存在的发生 特定危险事件的风险（GB/T21109-3:p3） 残余风险：增加安全保护功能(如SIS)后 发生特定危险事件的风险,二、安全与风险及安全技术,GB/T 21109 20438 风险降低：通用概念,二、安全与风险及安全技术,如何降低风险？ 安全保护层,二、安全与

12、风险及安全技术,安全保护层 (自动化)ZX ：,第一级：本质安全设计,第二级：可靠控制系统,第三级：多重隔离措施,第五级：安全管理体系,第四级：监测处理手段,第六级：沟通联动机制,第二级,第三级,第四级,第五级,第六级,中国化工集团公司六级安全管理防护体系,中国化工集团公司六级安全管理防护体系,二、安全、风险及安全技术,风险降低与安全技术 按照专业领域从四个方面做工作ZX： （1）工艺 原料/产品等的毒性/爆性；生产工艺的安全性协调性等 （2）设备 机械强度，耐压、磨损、腐蚀等 （3）电控 BPCS系统的可靠性 / 专门的安全保护自动控制系统 （4）管理 法规的制定与执行 人员的培训 等,三、

13、安全监测与控制系统,安全监测与控制系统的内容ZX 安全相关变量的测量显示与报警 生产运行状态的故障诊断与预警 监测的含义 执行安全保护功能的自动控制系统 各级应急指挥调度中心自动化相关系统 SrCS系统 其功能的实现手段ZX ： （1）DCS/SCADA/PLC 风险小，可靠性要求低时 （2）SIS/ESD/F&G 风险大，可靠性要求高时 （3）综合使用DCS/SIS 可降低总成本,三、安全监测与控制系统,安全监测与控制系统的特点ZX （1）目的是减少危险，而不是保证生产运行产品合格； （2）对测量环节要求更多功能、更智能、更实时，长期不停运行状态； （3）对控制器和执行单元要求更快、执行单元

14、长期处在备用状态 ； （5）对控制器，更多的是逻辑控制，也有连续控制（少），理论性少； （4）对测量、控制、执行及辅助系统(通讯、供电等)可靠性要求更高。,SrCS和BPCS的区别ZX： （1）目的功能不同 生产功能 / 安全功能 （2）运行状态不同 实时运行 / 功能长期备用(部分实时运行) （3）可靠性要求不同 SrCS要求更高的可靠性 （4）控制方法不同 连续控制为主 / 逻辑控制为主 （5）使用和维护方法不同 SrCS更严格 安全监测与控制系统 的重要性 ： （1）和其他安全措施技术相比的重要性 （2）在自动化专业领域中的重要性,三、安全监测与控制系统,安全功能 Safety Func

15、tion 针对特点的危险事件，为达到和保持过程的安全状态，由 SIS、其他技术安全相关系统或外部设施实现的功能(21109-1:p13) 功能安全 Functional Safety SrCS本身的安全性（如仪表的本质安全，无辐射等） SrCS的安全功能是完整的、可靠的（功能是安全的）(21109-1:p8) 安全仪表系统 SIS(Safety Instrumented System) 用于实现一个或多个安全功能的仪表及仪表系统 包括：传感器、逻辑解算器和最终单元。 SIS 广义/狭义 安全仪表功能 SIF(Safety Instrumented Function) SIS系统 所实现的 安全

16、功能。 21109译为“仪表安全功能” ZX: 存在“非安全仪表的非安全功能” 多种组合,四、功能安全及安全度等级,安全完整性 Safety Integrity 在规定的时间内、在所有规定的条件下, 成功 实现所要求的安全功能的平均概率(21109-1:p14) 安全完整性等级：SIL(Safety Integrity Level) 简称：安全度等级 定义：一种离散的等级，用于规定分配给SIS的安全仪表功能的 完整性要求(21109-4:p14) 作为衡量安全功能重要因素，是安全系统的核心. ZX:可理解为整体可靠性 代表着使过程风险降低的数量级 SIS的操作模式： 要求模式/连续模式 要求操

17、作模式/连续操作模式 要求时平均失效概率：PFDavg (average Probability of Failure on Demand) 注意： Fault/ Failure 故障/失效 用失效更好, 故障了可能还可以用 连续时危险失效概率：PDFperhour(Probability of Dangerous Failure),四、功能安全及安全度等级,SIL等级与PFD、PDF的关系：,四、功能安全及安全度等级,安全生命周期 Safety Life Cycle 安全仪表功能实现过程中所发生的所有的必要活动 (21190:1p15) 安全生命周期图 GB/T20438 ：包括了系统的概念

18、、范围定义、风险分析、安全分配要求、计划编制、设计与实现、安装试运行、操作维护修改、停用等。 安全生命周期图 GB/T21109 ：过程危险与风险分析、安全功能分配、安全要求规格确定、工程设计、安装调试确认、运行维护、修改和停用等。 安全生命周期是用系统的方式建立的一个框架，用以指导安全仪表系统的需求分析、设计和评价等所有活动。,五、安全生命周期管理及安全评估,GB/T20438-1:p6 安全生命周期框图,五、安全生命周期管理及安全评估,GB/T21109-1:p20 安全生命周期框图,五、安全生命周期管理及安全评估,安全生命周期各阶段及工作内容： 1. 过程危险与风险评估（按GB/T211

19、09的要求至少进行一次） 组织或参与进行PHA/HAZOP分析 确定生产过程及BPCS基本控制系统的危险事件及相关联的风险 确定达到必要风险降低所需要的安全功能 确定每个安全功能是否需要安全仪表功能 2. 安全功能保护层分析与功能分配 进行LOPA保护层分析, 给保护层分配安全功能 确定所需要的安全仪表功能(SIF) 确定每个安全仪表功能所要求的安全度等级 (SIL定级） SIL定级方法：风险图、风险矩阵、LOPA分析等；定性/定量方法,五、安全生命周期管理及安全评估,安全生命周期各阶段及工作内容： 3. 确定SIS设计安全要求规格 规定SIS设计应达到的安全要求及技术规格 描述每个安全仪表功能及安全要求 确定SIS运行模式、启用条件、停机复位、检验测试间隔等要求规格 分析和识别失效模式、共因失效及相关要求 4. SIS系统的设计及安全度等级核算 SIS系统的工程设计 仪表选型等 SIS系统每一个SIF的安全度等级核算（SIL核算） 5. SIS系统的安装运行和确认 6. SIS系统的操作和维护 7. SIS系统的修改或停用,五、安全生命周期管理及安全评估,整体安全生命周期也可以分为三个大阶段ZX： 需求分析阶段 21109规定的阶段1 设计实现阶段 21109规定的阶段2+3 运行维护阶段 21109规定的阶段4+5 风险分析与评估 按GB/T21109要求