中石油選用上海辰竹儀表產品在安全儀表功能回路中的成功應用經驗
中石油選用上海辰竹儀表產品在安全儀表功能回路中的成功應用經驗 2018-08-07 中石油選用上海辰竹儀表產品在安全儀表功能回路中的成功應用經驗 4198

作者:高嗣晟 中國石油集團東北煉化工程有限公司 葫蘆島設計院

       安全儀表系統(SIS)在石油化工中的應用越來越普及,在提高裝置安全性的同時,也需重視生產的可用性。儀表安全功能(SIF)回路傳感器子系統、安全型控制邏輯器、執行元件子系統存在一定的安全失效概率λS,導致裝置聯鎖停車。對于連續生產的石化裝置來說,非計劃停車將會帶來一些經濟、安全、考核等方面的影響。

       根據《中國石化安全儀表系統SIL評估管理規定(試行)》(中國石化安[2013]259號文)3.10.4條規定,“根據企業需求,計算關鍵過程誤停車率(STR)”。在保證安全的前提下,希望SIS所造成的誤停車次數越低越好。

1、STR計算方法

       ISATR84.00.02Safety Instrumented Function (SIF)SafetyIntegrity Level?。⊿IL)Evaluation Techniques Part 2:Determining the SILof a SIF Via Simplified Equations中STR的計算步驟如下:

           1) 計算安全失效概率λS。

           a) 若設備取得SIL的認證,則λS按下式計算[1]: 

                    λSsusd                              (1)

式中:λsu——未檢測到的安全失效概率;λsd——檢測到的安全失效概率。λsu,λsd的值可從設備SIL認證證書上獲得。

           b) 若設備未取得SIL認證,則λS的計算按下式計算:

                    λS=1/MTTFspurious                      (2)

式中:MTTFspurious——平均安全失效前時間, 設備的MTTFspurious若無數據可查,則可參考ISATR84.00.02 Safety Instrumented Functions (SIF)SafetyIntegrity Level(SIL) Evaluation Techniques Part 1: Introduction 表5.1中的參考值。

           2)“1oo1”時:

                   STR=λS                                     (3)

           3)“1oo2”時:

                   STR=2Λs                                   (4)

           4)“2oo2”時:

                   STR=2(λS2×MTTR               (5)

式中:MTTR——平均恢復時間,一般取8h。

           5)“2oo3”時:

                   STR=6(λS2×MTTR               (6)

           6)分別計算SIF回路中的傳感器子系統、邏輯子系統、執行元件子系統、電源的STR后,計算SIF回路系統的∑STRSIS: 

                   ∑STRSIS=∑STRS+∑STRL+∑STRFE+∑STRPSI(7)

式中:∑STRS——從現場檢測元件至邏輯系統的傳感器子系統STR;∑STRL——IO???、處理器等的邏輯子系統STR;∑STRFE——從邏輯系統至現場執行元件的執行元件子系統STR;∑STRPSI——電源的STR。

           7)計算SIF回路的平均誤動作前時間: 

                  MTTFSIS=1/∑STRSIS                 (8)  

2、誤停車等級的確定

       SIF回路誤動作引起的嚴重程度性級別稱為誤停車等級(STL)[2],各企業可根據生產實際情況,對誤停車造成的時間、原料、成品、利潤等損失進行綜合評估,如某公司SIF回路的STL要求見表1所列。

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       可根據評估SIF回路誤動作導致的損失金額來確定SIF回路的STR,判斷目前SIF回路的設備配置是否滿足要求,并進一步對SIF回路配置進行優化,降低STR。

3、應用案例

       某工業爐P&ID如圖1所示,當爐出口介質溫度(TE101)高高、長明燈壓力(PT102)低低、爐燃料氣壓力(PT101)低低其中發生任何1項時,則聯鎖關閉工業爐燃料氣進料切斷閥(XV101),同時關閉長明燈燃料氣進料切斷閥(XV102),使工業爐熄滅。

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圖1工業爐P&ID示意一

       工業爐熄滅后造成產品不合格,中斷了企業連續平穩生產時間,對工業爐進行吹掃后重新點火至正常生產約6h,綜合評估后此SIF回路聯鎖造成的損失為200萬元,根據表1,SIF回路為STL2。圖1所示 P&ID中SIF回路配置如下: 

           1)  安全型控制邏輯器選用霍尼韋爾SM系統,其MTTFspurious值約為180a,年失效概率λSy=5.6×10-3,根據式(3),則邏輯子系統∑STRL=5.6×10-3。

           2)  安全型控制邏輯器采用冗余UPS配電,電源MTTFspurious值取20a[3],λSy=0.05,根據式(5),雙UPS組成的“2oo2”結構的∑STRPSI=4.6×10-6。

           3)  SIF回路采用辰竹CZSR8001系列SIL3安全型繼電器,查詢其認證報告可知λSy=1.37×10-2,MTTFspurious值約為73a;安全柵采用辰竹SIL3的GS8547-EX系列,安全柵安全失效時的輸出電流:或小于3.6mA,或大于21.5mA,或為0;機柜間內浪涌?;て?  采用辰竹SIL3的T系列產品,串聯在回路中,當浪涌?;て魘被羋范峽?;現場儀表端浪涌?;て餮∮貿街馭IL3的CZLBX系列,可串聯或并聯在回路中,當發生故障時回路發生斷路或短路。上述儀表回路電流發生異常均可通過安全型控制邏輯器組態實現只報警不聯鎖,故浪涌?;て?、安全柵對SIF回路的STR沒有影響。

           4)  當熱電偶、壓力變送器、電磁閥、切斷閥均采用未經SIL認證的普通儀表,其MTTFspurious值見表2所列。

      取A~E 5個工廠將各設備的MTTFspurious求平均值,帶入式(2)~式(8),得出表3所列的“MooN”結構下現場設備的STR。

      圖1中的P&ID儀表均采用了“1oo1”結構,其STR=λS,則含2個壓力變送器、1個熱電偶的傳感器子系統∑STRS=8.5×10-2;含2個繼電器、電磁閥和氣動切斷球閥的執行元件子系統∑STRFE=0.1914;根據式(7),SIF回路∑STRSIS=0.28>0.10,其為STL1,不滿足STL2的要求;根據式(8),SIF回路的平均誤動作前時間MTTFSIS=3.6a。

          5)  當壓力變送器、電磁閥、切斷閥均采用取得SIL認證的儀表時,其λSy值及組成“MooN”結構的STR值見表4所列。

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       圖1中的P&ID儀表均采用了“1oo1結構”,其STR=λS,則含2個壓力變送器、1個熱電偶的傳感器子系統∑STRS=4.846×10-2;含2個繼電器、電磁閥和氣動切斷球閥的執行元件子系統∑STRFE=4.4×10-2;根據式(7),SIF回路的∑STRSIS=9.8×10-2<0.10,滿足STL2的要求;根據式(8),SIF回路的平均誤動作前時間MTTFSIS=10.2a。

          6)  從上述計算可以看出,此SIF回路中熱電偶和電磁閥的STR占比較大,為了使SIF回路實現STL2的目標,燃料氣壓力變送器(PT101,PT102)選用未經過SIL認證的“2oo3”結構的壓力變送器、介質出口溫度檢測選用“2oo3”結構的3芯熱電偶(TE101A/B/C),如圖2的P&ID所示,則傳感器子系統∑STRS=1.6×10-5。

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圖2工業爐P&ID示意二

       采用經過SIL認證的電磁閥和未經過SIL認證的普通氣動切斷球閥相組合的形式,則含2個繼電器、電磁閥和氣動切斷球閥的執行元件子系統∑STRFE=7.88×10-2。

       根據式(7),SIF回路的∑STRSIS=8.4×10-2<0.1,滿足STL2的要求;根據式(8),SIF回路的平均誤動作前時間MTTFSIS=11.9a.

4、結束語

       對于化工行業而言開停工過程危險系數大,在意外停工后重新啟動運行過程中容易發生安全事故,故應降低SIF回路的STR。在SIF回路滿足SIL的前提下,SIS設計及設置宜遵循如下幾條建議: 

           1)  安全型控制邏輯器和基本過程控制系統進行數據通信,組態實現儀表信號斷路、短路、異常(小于4mA或大于20mA)報警,儀表回路的短路、斷路和信號的異常不應導致聯鎖停車[6]。

           2)  安全柵、浪涌?;て靼踩Р換岬賈耂IF回路誤動作,接線箱內的信號斷路、短路也沒有影響,但是為了減少中間環節,SIF回路的儀表可采用隔爆型[7],不經過接線箱直接單拉至機柜間,當采用接線箱時,SIS和BPCS的信號不宜共用大電纜。

           3)  安全型控制邏輯器輸出至現場電磁閥的信號采用繼電器隔離,提高帶載能力,不建議采用DO卡件直接驅動電磁閥。

           4)  間隙操作的精細化工、醫藥等裝置中,誤停車損失較小,恢復生產較快,傳感器子系統和執行元件子系統可選用“1oo1”結構的儀表設備;對于連續生產的石化裝置中關鍵的SIF回路(誤停車導致的損失嚴重),為了降低SIF回路的誤停車率,檢測元件子系統宜采用“2oo3”結構的未經過SIL認證的普通儀表,由電磁閥和控制閥組成的執行元件子系統宜選用“1oo1”的取得SIL認證的儀表設備。

       SIS中的儀表設備、安裝附件應選用知名度高、質量可靠、應用廣泛的產品,避免因儀表本身質量及安裝等問題,導致聯鎖停車[8]。

           5)  當采用“NooM”的方式時,儀表的取源部件不應共用,如1個孔板接3個差壓變送器,以免因取源部件的堵塞導致誤動作;非模擬量傳感器輸出信號宜為Namur,避免因繼電器觸點失效導致誤動作。

           6)  供電是SIS的一個薄弱環節,在有條件的情況下可采用雙回路UPS供電的方式,UPS及電池組應選用成熟可靠的產品,能輸出綜合故障信號至基本過程控制系統,以便及時地進行修理[9]。在平時生產過程中,也應注重對UPS及供電環節的維護,避免因電源的原因導致聯鎖停車。

           7)  對于聯鎖停電機的SIF回路,執行元件子系統可理解為安全型控制邏輯器內的繼電器和MCC配電回路中的繼電器,對于重要的SIF回路,電氣專業的MCC配電回路中間繼電器也宜選用SIL3的。

           8)  應完善SIS的管理制度,對能引發停車的現場關鍵的儀表、閥門、按鈕等進行特殊標記,并設置能有效防止操作或維護人員誤動作的措施;安全型控制邏輯器應配備專業人員操作維護,減少因業務不熟練導致的誤停車。


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