SIS安全聯(lián)鎖功能可用性分析
作者：王秉義 張惠良 左信 《石油化工自動化》
摘要：安全完整性等級(SIL)是衡量安全儀表系統(tǒng)(SIS)安全防護(hù)能力的重要指標(biāo)，SIS的配置高，對裝置生產(chǎn)安全具有有效的防護(hù)能力。反之，雖然SIL等級滿足了安全要求，但由于誤停車率過高(可用性差)，將使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行，而引起巨大的經(jīng)濟損失。目前，SIS自動投用率普遍偏低，誤停車率高是其中一個主要原因。闡述運用馬爾可夫模型求解SIF平均誤停車時間間隔(MTTFS)指標(biāo)和平均誤停車概率(PFS )指標(biāo)，以實例說明在分析SIF中綜合考慮SIL和平均誤停車性能指標(biāo)，對保障SIF的自動投用，提高生產(chǎn)安全保障能力的重要性。
關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng) 安全儀表功能 可用性 誤停車率 安全完整性等級
安全儀表系統(tǒng)(SIS)是裝置安全生產(chǎn)的重要保護(hù)層，其與DCS在可靠性與可用性要求方面具有不同的特點。DCS要求在可靠的前提下力求最大的可用度，以使操作員能對工藝過程進(jìn)行靈活干預(yù)，從而保持生產(chǎn)過程平穩(wěn)；SIS系統(tǒng)則要求在一定的可用條件下，尋求最大的可靠度，其時刻監(jiān)視過程參數(shù)的變化，一旦超限，即采取系列動作以避免事故的發(fā)生，或遏制事故的發(fā)展。換言之，SIS的執(zhí)行機構(gòu)平時并不動作，只在有要求時，執(zhí)行機構(gòu)才執(zhí)行安全要求規(guī)格書(SRS)所規(guī)定的動作。但配置SIS系統(tǒng)是一把雙刃劍，合理的系統(tǒng)配置(安全功能)是安全生產(chǎn)的一道有效保護(hù)墻，但不恰當(dāng)?shù)呐渲?/span>則會因高頻度的誤動作而引起頻繁停車，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。
根據(jù)殼牌公司對安曼的一個LNG廠SIS系統(tǒng)配置調(diào)查，SIS安全功能的過度配置占67% 左右，如圖1所示。
注：取消變送器78個；取消閥門14只；第一年節(jié)省費用大于100萬美元
由此可見，不合理的SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖配置不但增加了SIS系統(tǒng)的成本，而且也因誤動作而造成巨大經(jīng)濟損失，提高了系統(tǒng)投資與維護(hù)成本。
1、SIS安全聯(lián)鎖投用率偏低的原因分析
目前SIS系統(tǒng)自動投用率普遍較低，通過對公司生產(chǎn)裝置所配備的SIS投用情況分析，可歸納為以下四方面因素：
a)裝置聯(lián)鎖保護(hù)誤停車率高。導(dǎo)致誤停車的主要原因：
1) 生產(chǎn)裝置普遍缺乏適時的風(fēng)險評估。尤其是設(shè)計僅考慮裝置局部安全風(fēng)險，沒有考慮對上下游裝置運行影響進(jìn)行整體評估。對生產(chǎn)裝置進(jìn)行風(fēng)險評估，是核定SIS所需安全完整性等級(SIL)的基礎(chǔ)，應(yīng)該綜合全局考慮。對風(fēng)險的容忍程度與企業(yè)技術(shù)及管理水平、社會經(jīng)濟發(fā)展水平、社會環(huán)保安全意識等密切相關(guān)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，以及人們環(huán)保意識的提高，對安全要求越來越高。隨著企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平與管理水平的不斷提高，對生產(chǎn)工藝的調(diào)整，使得對安全儀表功能(SIF)的SIL提出新的要求。然而，在役SIS自投用以來(或隨成套工藝包配置)，其SIF的SIL一直未做調(diào)整，其SIF配置、聯(lián)鎖動作參數(shù)設(shè)置等方面難以保障當(dāng)前裝置平穩(wěn)、安全生產(chǎn)的實際需要。
2) SIS普遍缺少SIF的SIL核算(安全風(fēng)險、財產(chǎn)風(fēng)險及環(huán)境風(fēng)險)。目前，SIF的設(shè)計一般依據(jù)經(jīng)驗選擇。首先，SIS一般缺乏儀表部件失效數(shù)據(jù)，如傳感器和執(zhí)行機構(gòu)(電磁閥、截斷閥等)，由于資金等原因沒有選用具有SIL等級能力認(rèn)證的儀表與執(zhí)行機構(gòu)；其次，雖在關(guān)鍵裝置上配備了SIS系統(tǒng)，但缺少對儀表可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計收集(經(jīng)使用驗證的儀表用于SIS最具說服力，但缺少統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明，僅憑感覺將缺乏可信度)；其三，依據(jù)GB／T21109[4] 對SIF的SIL等級進(jìn)行核算普遍缺失，雖然生產(chǎn)裝置配置了SIS系統(tǒng)，但并不能保證其具有相應(yīng)的安全防護(hù)能力。
3) 部分成套設(shè)備配套的儀表，其質(zhì)量未能滿足SIS對儀表SIL等級能力的要求，可靠性差、使用壽命短，造成部分SIF不能投用。如實現(xiàn)大型加熱爐的進(jìn)風(fēng)控制，爐內(nèi)溫度、風(fēng)機及風(fēng)門聯(lián)鎖的執(zhí)行機構(gòu)，其配置的閥桿的光潔度和硬度不如調(diào)節(jié)閥桿，并且在正常生產(chǎn)階段，該閥長期處于靜止?fàn)顟B(tài)，出現(xiàn)生銹或漏氣現(xiàn)象。
4) 受儀表安裝、維護(hù)質(zhì)量的影響，如堵、漏、凍凝，以及材料質(zhì)量問題，導(dǎo)致誤停車或在要求動作時無法動作。
5) SIS中對安全聯(lián)鎖和一般工藝聯(lián)鎖沒有區(qū)分，使得SIF結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以滿足SIL要求。
6) 對SIF缺乏誤停車率指標(biāo)核算。由于不合理的配置，雖然其SIL等級滿足設(shè)計要求，但其誤停車率偏高，導(dǎo)致SIS系統(tǒng)無法在實際中投用。
b)大型轉(zhuǎn)動設(shè)備自保聯(lián)鎖，部分條件不能滿足投用條件，而無法投用SIF功能。其原因有：
1) 原有老機組聯(lián)鎖邏輯不適應(yīng)當(dāng)前的安全規(guī)范要求，儀表配置比較低，其可靠性和穩(wěn)定性差。
2) 機組的聯(lián)鎖邏輯和設(shè)定值欠妥，生產(chǎn)廠家單純考慮機組設(shè)備本身，沒有綜合考慮其停機對裝置的影響，邏輯條件過于苛刻和嚴(yán)格。設(shè)計應(yīng)整體考慮。比如將軸系儀表、軸振動、位移、軸瓦溫度、電機定子、轉(zhuǎn)子溫度等全部作為聯(lián)鎖停機條件，并將潤滑油溫度不低于30℃作為機組的啟動條件，但在東北地區(qū)很難滿足這一條件，尤其在冬天。
3) 配套儀表出廠時的安裝、配置存在不足，且后續(xù)難以修改。如大機組軸瓦溫度傳感器基本上都是安裝于機殼內(nèi)的埋入式鉑電阻，其引線極易斷。若引線開路，其輸出超過報警值，將引起聯(lián)鎖誤動作停機。壓縮機的振動探頭、位移傳感器探頭安裝也存在類似問題。
4) 機組的部分工藝條件難以達(dá)到聯(lián)鎖條件，如汽輪機出口壓力，其與蒸汽管網(wǎng)相連，單一機組不能改變其出口壓力參數(shù)，致使相應(yīng)的SIF無法投用。
5) 儀表的安裝與維護(hù)質(zhì)量影響SIF的投用。如軸瓦測溫?zé)犭娮璧陌惭b工藝、軸振動與位移探頭的安裝間隙、接線等不合適，都將引起測量偏差，而引發(fā)聯(lián)鎖誤動作。
c)SIS的維護(hù)周期與質(zhì)量不能滿足SIF的可靠性要求。電子器件的可靠使用壽命一般為10～12年，隨著使用年限的加長，儀表的失效率將增加。另外，由于設(shè)備改造，SIS也需進(jìn)行擴容。為保證SIF的SIL等級要求，需對SIS進(jìn)行定期維護(hù)和檢修(SIS系統(tǒng)部件檢修時間間隔直接影響SIF的SIL等級水平) 。在生產(chǎn)裝置正常運行過程中，可通過“旁路”臨時切除聯(lián)鎖條件(在切除時應(yīng)有一套規(guī)范和措施以保證SIF的安全)，并定期對傳感器與執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行必要的維修、檢定與維護(hù)。目前，一次儀表與執(zhí)行機構(gòu)，尤其是執(zhí)行機構(gòu)在正常生產(chǎn)運行期間沒有機會檢修(沒有旁路設(shè)置)，因缺少及時的維護(hù)，SIF回路的可靠性難以保證。
d)SIS報警缺乏層次，故障報警較多，易引起操作員麻痹，導(dǎo)致誤操作。如多機組SIS系統(tǒng)，在備用機組停機、油系統(tǒng)或出人口閥門處于關(guān)停狀態(tài)時，由于備用機組處于非正常運行位置，SIS系統(tǒng)就會出現(xiàn)報警。這些報警沒有層次與級別區(qū)分，致使報警過多，容易導(dǎo)致操作人員對關(guān)鍵報警信息的疏忽。
2 、SIF回路可用性分析
綜合以上對目前SIS低投用率的情況分析，主要問題有：
a)缺少適時的SIF的SIL等級需求評估。當(dāng)前SIS的SIF配置一般都是依據(jù)經(jīng)驗配備，但同一套裝置在不同的企業(yè)中，其附加的安全防護(hù)能力并不相同(如泄壓閥、空間距離、遠(yuǎn)程監(jiān)控能力等)。由于缺少對SIF的SIL要求的明確定級，加上大部分SIS不只用于安全聯(lián)鎖目的，而且考慮方便設(shè)備重啟等問題，將一般工藝聯(lián)鎖也配置其中。因此，聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以明確了解實際安全聯(lián)鎖的SIL等級是否滿足要求。
b)缺少SIF的SIL等級和誤停車率核算。
目前配置SIS時，主要關(guān)心其控制器的SIL能力：傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的失效率對SIL等級的影響更大(一般在70 %以上)，而傳感器和執(zhí)行機構(gòu)往往又缺少有效的數(shù)據(jù)支持，使得SIF的SIL等級未能滿足裝置安全防護(hù)能力要求，起不到應(yīng)有的安全保護(hù)作用；或者雖然其SIL等級滿足裝置安全要求，但其誤停車率過高，影響SIS的實際投用；或雖投用，但會因頻繁的誤停車而造成巨大的經(jīng)濟損失。
c)對SIF的功能安全管理缺少有效的監(jiān)控。
SIS對裝置的安全防護(hù)能力由系統(tǒng)的隨機性失效(SIL等級核算驗證)和系統(tǒng)性失效共同決定。目前對SIF的隨機性失效的驗證比較普遍[7]。隨著GB／T 21109安全儀表功能安全標(biāo)準(zhǔn)的推廣與采用，對系統(tǒng)性失效的考核與控制將進(jìn)一步加強。系統(tǒng)性失效主要由制造缺陷或不足(如上述的振動探頭故障、聯(lián)鎖邏輯不妥、聯(lián)鎖參數(shù)設(shè)置不合理、報警重要性層次不分明等)引起。由于系統(tǒng)性失效難以量化處理，只能運用嚴(yán)格的SIF的功能安全管理規(guī)范加以避免和減少(另文闡述)。由此可見，在SIS系統(tǒng)SIF分析中，必須同時考核SIF的SIL等級和誤停車性能指標(biāo)，才能保證SIS系統(tǒng)的有效投用。
針對SIS存在的主要問題，筆者以圖2～3所示SIF為例，探討采用馬爾可夫模型進(jìn)行SIF可用性分析，考核驗證SIF、的SIL和誤停車率指標(biāo)(MTTFS和PFS avg )。依據(jù)分析結(jié)果，提出合理化建議，以提高SIS系統(tǒng)的投用率，保障對生產(chǎn)裝置的防護(hù)能力。
該SIF設(shè)計為失電使能(停電時，執(zhí)行機構(gòu)置于安全狀態(tài)，即事故安全型)，且各傳感器檢測回路和執(zhí)行機構(gòu)回路具有在線診斷能力。由于系統(tǒng)具有旁路設(shè)置和冗余配置，當(dāng)在線檢測出故障后，可在線維護(hù)與更換，檢修時間平均為8 h。SIS的整體測試間隔與設(shè)備大修周期同步，為3年。該SIF的SIL等級需求為SIL2，其各組成部分的失效數(shù)據(jù)見表1所列。
馬爾可夫模型具有動態(tài)分析失效概率的能力，上述SIF馬爾可夫模型如圖4所示，其中狀態(tài)1為初始完好狀態(tài)；狀態(tài)2為安全失效(誤停車)狀態(tài)；狀態(tài)3為危險失效狀態(tài)(對安全要求的動作沒有響應(yīng))；其余狀態(tài)4～19為存在一路檢測傳感器或執(zhí)行機構(gòu)失效，且SIF還能執(zhí)行相應(yīng)安全功能的中間狀態(tài)。處于中間狀態(tài)時，若出現(xiàn)進(jìn)一步的故障，將使SIF系統(tǒng)進(jìn)入安全失效或危險失效狀態(tài)。由于失效率都很小，為簡化運算，建模時不考慮級聯(lián)失效(如一路溫度傳感器失效后又出現(xiàn)一路壓力傳感器失效，但SIF還能執(zhí)行其要求的功能的情況)對計算精度的影響。
馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移率為
式中：λ——失效率；上標(biāo)首字母S， D——安全失效和危險失效；上標(biāo)第二字母D，U——可檢測不可檢測；下標(biāo)S1，S2，S3，S4，A1，A2，L，PS——流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、電磁閥、截斷閥、邏輯控制器和電源。根據(jù)上述狀態(tài)轉(zhuǎn)移率，得到馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣為：
MTTFS求解方法[8]為將轉(zhuǎn)移矩陣P中對應(yīng)吸收狀態(tài)(FS和FD)的行和列去掉，形成新矩陣Q，并在狀態(tài)轉(zhuǎn)移率公式中，將危險失效率置零，求出截陣Qs ，并依據(jù)下式求矩陣N。
N =(I-Qs) -1
N提供了系統(tǒng)由起始狀態(tài)開始，經(jīng)歷了每一個成功狀態(tài)(暫態(tài))后的總時間增量。N矩陣中，第一行表示起始于完好狀態(tài)l的總時間增量。假設(shè)馬爾可夫模型的時間步長選為1 h，則MTTFS為矩陣N第一行元素的和。
利用建立的馬爾可夫模型(運用ISOgraph Reliability Workbench 10．2軟件平臺)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P進(jìn)一步求解PFDavg 、平均誤停車失效概率PSFavg 和MTTFS。分析計算結(jié)果見表2和圖5～6所示。
由分析可見，此SIF的MTTFS為1．15 a。雖然該SIF不論在維護(hù)檢修時間間隔為1 a還是3 a時，其SIL等級都能滿足設(shè)計要求(SIL2)，但3 a的檢修時間間隔是不能接受的，因其過大的誤停車概率將引起SIS的頻繁誤停車，造成巨大的經(jīng)濟損失，而使系統(tǒng)無法實際投用。因此，對于一般企業(yè)規(guī)劃的3 a大修時間問隔，必須重新分析考核，在滿足SIF的SIL等級要求的前提下，達(dá)到相應(yīng)的MTTFS和PFS 指標(biāo)要求，才能有效發(fā)揮SIS在企業(yè)安全生產(chǎn)中的安全防護(hù)作用。
3 結(jié)束語
造成SIS系統(tǒng)投用率低的原因是多方面的，但其可用性差是重要原因之一。在設(shè)計SIS或在役SIS安全性能評估中，需關(guān)注以下三個方面：
a) 適時的風(fēng)險評估，核定SIF的SIL等級要求，并根據(jù)檢修時間間隔和誤停車對生產(chǎn)的影響，核定SIF的PFS 和MTTFS指標(biāo)要求。
b) 區(qū)分SIF聯(lián)鎖回路和一般工藝聯(lián)鎖，區(qū)分報警層次級別。
c) 定期核查SIF回路的SIL等級和PFS 與MTTFS指標(biāo)，在保證SIF具有足夠安全防護(hù)能力的同時，具有足夠的可用性，以提高SIS系統(tǒng)的投用率，防止系統(tǒng)頻繁誤動作，從而有效提高SIS的防護(hù)能力。
參考文獻(xiàn)（略）
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