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海上油氣生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)中的安全完整性等級(jí)評定

文檔作者：劉培林陳好霍有利文檔來源：海洋石油工程股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月05日
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工程設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn) 石 油 化 工 自 動(dòng) 化，2009，2：18
AUTOM ATIoN IN PETRO—CH EM ICAL INDU STRY
海上油氣生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)中的
安全完整性等級(jí)評定
劉培林，陳好，霍有利
(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)
摘要：以IEC61 511標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，應(yīng)用保護(hù)層分析方法(LOPA)在海上油氣生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)中確定安全相關(guān)系
統(tǒng)的安全完整性等級(jí)(SIL)。保護(hù)層分析方法是一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評估方法，具有精確的分類尺度，過程相對比較耗時(shí)。但保
護(hù)層分析法是一種更加嚴(yán)格的安全完整性等級(jí)研究方法，直觀、易懂、呵操作性和一致性強(qiáng)。結(jié)合項(xiàng)日實(shí)例，介紹，如何利用保
護(hù)層分析法實(shí)現(xiàn)安全完整性等級(jí)評定的過程。
關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；安全完整性等級(jí)；安全儀表功能；保護(hù)層分析法；獨(dú)立保護(hù)層
中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1007—7324(2009)02—0018—03
The Safety Integrity Level Determination in the Design of
offshore Oil and Gas lnstaIlation
Liu Peilin，Chen Hao，H UO Youli
(Offshore 0il Eng．Co．Ltd．，Tianjin，30045 1，China)
Abstract：The safety integrity level(SIL)of the system related with safety is determined by the layer of
protection analysis (LoPA )，based on the IEC 6 1 5 l l standards and engineering practice． LOPA is a
semi—quantitative risk evaluation approach that is rigorous and needs more time． LOPA is a more
rigorous m ethod for SIL determination， straight， easy to understand， to be able to operate and
consistence．To take a project as an example how to determine SIL by LoPA is presented．
Keywords：SIS；SIL；safety instrumented function；LOPA ；independent protection layer
1 引 言
在海洋石油工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，安全相關(guān)系統(tǒng)
的功能安全問題得到了越來越多的重視。特別是
自2000年功能安全的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)IEC6l508 出
臺(tái)以來，在國外項(xiàng)目或合資項(xiàng)目投標(biāo)過程中，許多
項(xiàng)目均要求設(shè)計(jì)階段進(jìn)行安全完整性等級(jí)(SIL)
分析。而國內(nèi)海上油氣生產(chǎn)裝置的SIL分析研究
一直處于空白狀態(tài)。以往項(xiàng)目SII 主要根據(jù)已完
成項(xiàng)目確定，其合理性也無法判斷。因此，為了保
證設(shè)計(jì)能夠滿足海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的安全要求，并
有效地控制投資，非常有必要對SIL分析方法進(jìn)
行系統(tǒng)研究。
該文以海上油氣裝置為研究對象，并結(jié)合工程
項(xiàng)目實(shí)例，描述了設(shè)計(jì)過程中SIL分析的過程，著重
介紹了SIL評定的一種方法—— 保護(hù)層分析法
(I )PA)，最后，確定出其安全儀表系統(tǒng)(SIS)的SIL。
2 研究對象
文中研究的對象為擬建氣田項(xiàng)目生產(chǎn)平臺(tái)，考
慮一個(gè)低溫分離器(V一1545)高液位控制回路
(LAHH1546)的安全儀表功能(SIF)。利用危險(xiǎn)
與可操作性研究(HAZoP)等的分析結(jié)果對可能存
在的風(fēng)險(xiǎn)場景進(jìn)行保護(hù)層分析。工藝流程如圖1
所示。
3 研究方法
LOPA是一種介于定性和完全定量分析的方
法，其基本特點(diǎn)是基于風(fēng)險(xiǎn)場景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，通
過各種安全保護(hù)措施將風(fēng)險(xiǎn)概率降低到可接受范
圍內(nèi)。按照文獻(xiàn)E3]的要求，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，下面介
紹一下LOPA的分析步驟。
a)風(fēng)險(xiǎn)場景辨識(shí)。利用HAZOP分析結(jié)果將
可能發(fā)生的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)作為風(fēng)險(xiǎn)場景，在本例中低溫
收稿151期：2009一O1—07(修改稿)。
作者簡介：劉培林(1965 )，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)任海洋石油_L
程股份有限公司設(shè)計(jì)公司副總工程師，主要從事海洋工程油氣集
輸設(shè)計(jì)研究工作。
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第2期 劉培林等．海上油氣生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)中的安全完整性等級(jí)評定
分離器高液位可能引起液體溢流至壓縮機(jī)產(chǎn)生液 擊，導(dǎo)致壓縮機(jī)的壓縮室嚴(yán)重?fù)p壞作為風(fēng)險(xiǎn)場景。
圖1 低溫分離器P I(管道及儀表流程)
b)確定風(fēng)險(xiǎn)場景的起始事件E (i===1，2，? ， f —
— PF r) 1 f1)
”)及其發(fā)生頻率f 。在該項(xiàng)目中存在3個(gè)起始事 ＼“ ?
件：閥門SDV一1545失效關(guān)斷、閥門LCV一1545 e)評估風(fēng)險(xiǎn)場景的后果，考察因素包括處于
失效關(guān)斷和液體出口管路上的手動(dòng)閥誤關(guān)斷，其發(fā) 危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間頻率f
o 點(diǎn)燃概率f 和傷亡概
生頻率分別對應(yīng)為0．1次／年 、0·1次／年 和 率f
。在該項(xiàng)目中出于保守的考慮，分別假定
O·01次／年(假定)。 廠n f
ig．和-，、 的值為1，0．3和1。計(jì)算事件的發(fā)
c)列舉所有的獨(dú)立保護(hù)層IPLu( 一1，2，? ， 生頻率廠
? 和SIS保護(hù)之前風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率f
)措施，確定其平均要求時(shí)失效概率(PFD )。
典型的獨(dú)立保護(hù)層措施有：本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、基本工 ns一 ?fo c n m ‘
藝控制系統(tǒng)(BPcs)、報(bào)警和人工干預(yù)、安全聯(lián)鎖、 一Σ ? (3)
泄放閥和防爆膜等。特別的，如果以某個(gè)獨(dú)立保護(hù)
層失效作為風(fēng)險(xiǎn)的起始事件，則該獨(dú)立保護(hù)層不應(yīng) f)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)允許頻率廠ms 計(jì)算出SIS對于
再視為安全保護(hù)措施。在該項(xiàng)目中，本質(zhì)安全設(shè)計(jì) 人員傷亡必須提供的風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF和對應(yīng)
為保證壓縮機(jī)在輕微的液體夾帶工況下不會(huì)損壞， 的平均要求時(shí)失效概率PFD av 。在該項(xiàng)目中，特
其平均要求時(shí)失效概率為0．1次／年(假定)；基本 別規(guī)定風(fēng)險(xiǎn)允許頻率廠m t為1·00E一06。
工藝控制系統(tǒng)為液位控制回路(LIC一1545)，其平 RRF一 ／f (4)
均要求時(shí)失效概率為0．1次／年 ；其他的安全措 PFn 一1／P F f 5、
施為壓縮機(jī)損壞前關(guān)閉內(nèi)部振動(dòng)保護(hù)裝置，其平均 ? ? ?
要求時(shí)失效概率為0．1次／年(假定)。 上述獨(dú)立保護(hù)層信息和計(jì)算結(jié)果如表1所列。
d)計(jì)算中間事件的發(fā)生頻率f ： 按照式(4)，(5)計(jì)算可得：
表1 工程項(xiàng)目保護(hù)層分析結(jié)果示例
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20 石油化工自動(dòng)化 2009年
注：標(biāo)注1一一輕微夾帶壓縮機(jī)不會(huì)損壞；標(biāo)注2—— 壓縮機(jī)損壞前關(guān)閉振動(dòng)保護(hù)。
RRF 一3．33E——o4／1．00E——06— 333
PFD 一1fRRF 一3．00E一03
根據(jù)IEC61508和IEC61511中安全儀表系統(tǒng)
SIL和RRF，PFD 的對應(yīng)關(guān)系如表2所列，在該
項(xiàng)目中假設(shè)不考慮風(fēng)險(xiǎn)對環(huán)境和財(cái)產(chǎn)造成的影響，
由此可最終確定SIS的SIL設(shè)計(jì)目標(biāo)，即該安全儀
表功能SIF必須達(dá)到SIL2。
表2 SIL與RRF，PFD 。的對應(yīng)關(guān)系
4 結(jié)束語
安全完整性等級(jí)分析，使得海上油氣裝置安全
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)與完善。而應(yīng)用保護(hù)層
分析的方法，充分、直觀地體現(xiàn)了確定安全儀表系
統(tǒng)SIL設(shè)計(jì)目標(biāo)的基本思想。
參考文獻(xiàn)：
1 IEC61508—2000， Functional Safety of EIectrica1／Electronic／
Programmable Electronic Safety Related Systems[S]
2 GB／T 20438—2006，電氣／電子／可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功
能安全I(xiàn)s]
3 IEC6 1 5 1 1—2003， Functional Safety —— Safety Instrumented
Systems for the Process Industry Sector[S]
4 DNV．Offshore Reliability Data Handbook[G]．3th ed．DNV，
1997
5 DNV．Offshore Reliability Data Handbook[G]．4th ed．DNV，
2002
(上接第10頁)
設(shè)計(jì)，設(shè)備制造，設(shè)備驗(yàn)收及培訓(xùn)，安裝及調(diào)試，試
運(yùn)轉(zhuǎn)，投入運(yùn)行。
但儀表現(xiàn)代化項(xiàng)目并沒有結(jié)束，還有一個(gè)很重要
的工作，那就是項(xiàng)目后的最終審查，它的主要內(nèi)容是
評價(jià)實(shí)際的投資回收效益。很多用戶雖然對正在獲
得的投資回收狀態(tài)很滿意，但不能夠很好地評價(jià)它，
這可能是由于重視不夠，或者精力和時(shí)問不允許。另
一個(gè)很重要的原因是在項(xiàng)目開始之前，并沒有收集原
裝置(或同類裝置)的基本數(shù)據(jù)，因此無法進(jìn)行新老系
統(tǒng)之間的比較，也就無法準(zhǔn)確地評價(jià)其變化效果。
最終審查至少應(yīng)包括下列內(nèi)容：未能實(shí)現(xiàn)的
控制系統(tǒng)有多少及其原因；出現(xiàn)回收效益低于估算
的控制系統(tǒng)有多少及其原因；出現(xiàn)回收效益大于估
算的控制系統(tǒng)有多少及其原因；在項(xiàng)目實(shí)施階段比
原計(jì)劃增加了多少控制系統(tǒng)及其原因。
最終審查也是可行性研究報(bào)告的一個(gè)后續(xù)工
作。而且從整體上加強(qiáng)了控制現(xiàn)代化的全貌，它有
利于顯示儀表現(xiàn)代化項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)提示今
后應(yīng)注意的問題，而且它將有助于今后的其他儀表
現(xiàn)代化項(xiàng)目的順利開展。
參考文獻(xiàn)：
1 BUCKI EY P S Successful Handling Instrumentation Modernigation
Project[J]．Chemical Engineering，1987，(19)：84
2 吳海琦，李主魁．醇酮裝置自控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)Ec]／／全國儀表自
控系統(tǒng)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文．1986
3 RINARD I H．Saves$2．100，000／yr with Alkylation Control
System [J]．Chemical Process，1985，(8)：36
4 吳欽煒，王璐璐．過程檢測控制儀表和系統(tǒng)的新發(fā)展[c]／／全國
儀表自控系統(tǒng)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文．1987

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