CN104732627A - 一种汽包安全联锁***控制方案优化方法 - Google Patents

一种汽包安全联锁***控制方案优化方法 Download PDF

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姜巍巍
李玉明
李荣强
曹德舜
庄腾宇
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China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Qingdao Safety Engineering Institute
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China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Qingdao Safety Engineering Institute
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Abstract

本发明公开了一种汽包安全联锁***控制方案优化方法，属于过程工业领域，包括一个安全联锁***，所述安全联锁***由差压变送器、逻辑控制器和热源阀门组成，所述差压变送器检测汽包液位并将汽包液位值变换成电信号传送给逻辑控制器，所述逻辑控制器判断液位低于额定值则切断热源阀门。采用危险与可操作性分析方法，进行安全仪表功能回路辨识；采用保护层分析方法，确定各个安全仪表功能回路所需的安全完整性等级；采用故障树分析方法，进行安全完整性等级验证计算。本发明克服了现有技术中汽包安全联锁***设置不合理，存在“欠保护”和“过保护”的问题，具有汽包可靠性高、误停车率低的优点，对于保障装置安全平稳运行具有重要意义。

Description

一种汽包安全联锁***控制方案优化方法
技术领域
本发明属于过程工业领域，具体涉及一种汽包安全联锁***控制方案优化方法。
背景技术
在过程工业领域，特别是石油化工过程中，安全联锁***的作用举足轻重，是重要的保护层，在生产过程中承担着监测与安全有关的状态参数、发现故障或异常等危险情况时及时采取措施以防止事故发生等重要的安全仪表功能，目前已广泛地应用于石油、化工等过程工业领域。因此安全联锁***的安全性能直接关系到各种危险源、成套装置的安全控制与安全保护水平，进而直接关系到安全生产水平。设计一个安全联锁***时，应该使该安全联锁***具有正确的安全功能。此外，必须考虑安全仪表功能能够多好的被执行，安全完整性等级关心的就是安全功能能够多好的得到执行。正常情况下，安全联锁***是静态的、被动的，不需要人为干预。但在危险情况出现时，必须能够由静变动，正确完成其安全功能。安全联锁***设计不合理，不但会给人员、环境带了巨大的潜在威胁，还会引起装置非计划停工。因此，优化配置安全联锁***，一是可以改善安全联锁***安全可靠性和可用性，尽量避免“拒动”和“误动”；二是可以解决“过度联锁”和“联锁不足”的问题。
CN201010577606涉及一种安全仪表***的功能安全评估方法，为对安全仪表***进行可靠模拟、监控以及功能安全评估，并研究安全仪表***共因失效的变化情况，方法包括：安全仪表***对受控***进行功能安全控制；对安全仪表***进行初始风险分析，确定安全完整性等级；验证安全仪表***是否达到所确定的安全完整性等级；改变安全仪表***的组成结构或组成设备。
汽包作为石油化工装置最常用的设备之一，其可靠性直接影响到装置的安全稳定运行。设计师们为汽包设计了安全联锁***(如液位低低、流量低低等)来保护设备的安全，但是由于安全联锁***设计的不合理，给装置带来了潜在的危险及非计划停工情况。
如何合理配置汽包的安全联锁***，综合考虑汽包的安全可靠性和可用性，在保障汽包安全的前提下，减少误停车次数，成为人们越来越关心的问题。因此，合理、可行的设置安全联锁***对于保障装置安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽包安全联锁***控制方案优化方法，设计合理，克服了现有技术中汽包安全联锁***设置不合理，存在“欠保护”和“过保护”的问题，提供了一种新的安全联锁***控制方案优化方法。该方法用于汽包的安全联锁***中，具有汽包可靠性高、误停车率低的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种汽包安全联锁***控制方案优化方法，
包括一个安全联锁***，所述安全联锁***由差压变送器、逻辑控制器和热源阀门组成，所述差压变送器检测汽包液位并将汽包液位变换成信号传送给逻辑控制器，所述逻辑控制器判断液位低于额定值则切断热源阀门；
利用以上***的控制方案优化方法，包括以下步骤：
步骤1：危险与风险分析，确定是否需要增加或删除安全联锁回路；
步骤2：采用危险与可操作性分析方法，进行安全仪表功能回路的辨识；
步骤3：采用保护层分析方法，确定各个安全仪表功能回路所需的安全完整性等级；
步骤4：采用故障树分析方法，结合专业分析软件进行安全完整性等级验证计算；
步骤5：综合考虑安全联锁***的可靠性和可用性，确保设备安全的前提下，降低误停车率；
步骤6：结合安全完整性等级验证结果和误停车率，优化配置安全仪表功能回路。
优选地，所述的步骤2中的危险与可操作性分析方法，具体包括如下步骤：
步骤2.1：根据汽包的工艺流程图、管道和仪表图以及联锁说明，识别与分析各种参数偏差发生的原因以及这种偏差所产生的后果；
步骤2.2：找出现有的安全保护设施并提出建议措施，降低风险等级；
步骤2.3：梳理现有的和建议增加的安全仪表功能回路，并列出安全仪表功能清单。
优选地，所述的步骤3中的保护层分析方法为半定量分析方法，具体包括如下步骤：
步骤3.1：场景识别与筛选；
步骤3.2：选择事故场景；
步骤3.3：初始事件确定；
步骤3.4：独立保护层评估；
步骤3.5：场景频率计算；
步骤3.6：风险评估与决策；
步骤3.7：判断风险是否可接受；
若：接受风险，则执行步骤3.8；
若：不接受风险，则执行步骤3.9；
步骤3.8：判断是否有更多场景；
若：有更多场景，则执行步骤3.10；
若：没有更多场景，则执行步骤3.11；
步骤3.9：考虑风险降低措施，然后执行步骤3.4；
步骤3.10：进入下一个场景，然后执行步骤3.3；
步骤3.11：后续跟踪和审查。
优选地，所述的步骤4中的故障树分析方法，具体包括如下步骤：
步骤4.1：采用故障树分析软件，根据布尔逻辑用图表示***特定故障间的相互关系，建立从结果到原因描述故障的有向逻辑图；
步骤4.2：输入各个基本事件的失效数据；
步骤4.3：进行安全完整性等级验证计算及误停车率计算。
优选地，所述汽包关键联锁为液位低低联锁。
本发明的有益效果是：
本发明一种汽包安全联锁***控制方案优化方法，设计合理，克服了现有技术中汽包安全联锁***设置不合理，存在“欠保护”和“过保护”的问题，提供了一种新的安全联锁***控制方案优化方法。该方法用于汽包的安全联锁***中，具有汽包可靠性高、误停车率低的优点，对于保障装置安全平稳运行具有重要意义。
附图说明
图1为本发明一种汽包安全联锁***控制方案优化方法的流程框图。
图2为本发明所述危险与可操作性分析方法的流程框图。
图3为本发明所述保护层分析方法的流程框图。
图4为本发明所述根据故障树分析方法的流程框图。
图5为本发明所述根据故障树分析方法建立的安全完整性等级验证计算模型。
图6为本发明所述根据故障树分析方法建立的误停车率分析模型。
具体实施方式
下面结合附图1-附图6对本发明进行举例说明。
如图1所示，一种汽包安全联锁***控制方案优化方法，
包括一个安全联锁***，所述安全联锁***由差压变送器、逻辑控制器和热源阀门组成，所述差压变送器检测汽包液位并将汽包液位变换成信号传送给逻辑控制器，所述逻辑控制器判断液位低于额定值则切断热源阀门；
利用以上***的控制方案优化方法，包括以下步骤：
步骤1：危险与风险分析，确定是否需要增加或删除安全联锁回路；
步骤2：采用危险与可操作性分析方法，进行安全仪表功能回路的辨识；
步骤3：采用保护层分析方法，确定各个安全仪表功能回路所需的安全完整性等级；
步骤4：采用故障树分析方法，结合专业分析软件进行安全完整性等级验证计算；
步骤5：综合考虑安全联锁***的可靠性和可用性，确保设备安全的前提下，降低误停车率；
步骤6：结合安全完整性等级验证结果和误停车率，优化配置安全仪表功能回路。
所述的步骤2中的危险与可操作性分析方法(如图2所示)，具体包括如下步骤：
步骤2.1：根据汽包的工艺流程图、管道和仪表图以及联锁说明，识别与分析各种参数偏差发生的原因以及这种偏差所产生的后果；
步骤2.2：找出现有的安全保护设施并提出建议措施，降低风险等级；
步骤2.3：梳理现有的和建议增加的安全仪表功能回路，并列出安全仪表功能清单。
所述的步骤3中的保护层分析方法为半定量分析方法(如图3所示)，具体包括如下步骤：
步骤3.1：场景识别与筛选；
步骤3.2：选择事故场景；
步骤3.3：初始事件确定；
步骤3.4：独立保护层评估；
步骤3.5：场景频率计算；
步骤3.6：风险评估与决策；
步骤3.7：判断风险是否可接受；
若：接受风险，则执行步骤3.8；
若：不接受风险，则执行步骤3.9；
步骤3.8：判断是否有更多场景；
若：有更多场景，则执行步骤3.10；
若：没有更多场景，则执行步骤3.11；
步骤3.9：考虑风险降低措施，然后执行步骤3.4；
步骤3.10：进入下一个场景，然后执行步骤3.3；
步骤3.11：后续跟踪和审查。
对汽包D-101所辨识出的安全仪表功能回路的安全功能、触发事件或原因以及风险状况等进行逐项分析和讨论记录。综合考虑人员伤亡风险、环境影响风险及经济损失风险所需求的安全完整性(SIL)等级，选择其中需求较高的安全完整性等级作为特定安全仪表功能回路需求的安全完整性等级。根据图3所示，得到安全完整性等级结果，如表1所示。
表1  D-101汽包液位低低联锁定级结果
所述的步骤4中的故障树分析方法(如图4所示)，具体包括如下步骤：
步骤4.1：采用故障树分析软件，根据布尔逻辑用图表示***特定故障间的相互关系，建立从结果到原因描述故障的有向逻辑图；
步骤4.2：输入各个基本事件的失效数据；
步骤4.3：进行安全完整性等级验证计算及误停车率计算。
所述汽包关键联锁为液位低低联锁。
采用故障树分析方法，建立数学模型，带入失效数据，进行安全完整性等级验证计算及误停车率(STR)计算。以某差压变送器为例，根据不同冗余结构的计算结果，说明冗余结构对要求失效概率(PFD)和误停车率(STR)的影响，为优化安全联锁***控制提供理论依据，计算结果如表2所示。
表2  某差压变送器不同冗余结构对比
冗余结构 PFD STR
1oo1 1.30E-2 1.39E-2
1oo2 1.68E-4 2.77E-2
2oo2 2.58E-2 1.95E-4
2oo3 5.01E-4 5.78E-4
依据功能安全标准IEC61508/61511，为了满足SIL2的要求，并具有较低的误停车率，汽包液位低低联锁采用2oo3结构的传感器、1oo2结构的阀门。
安全完整性等级验证计算模型如图5所示，误停车率计算模型如图6所示。
根据图5，计算得PFD＝1.82E-3，满足SIL2等级要求；
根据图6，计算得STR＝7.85E-2，即D-101汽包液位低低联锁误停车率为0.0785次/年。
由此可以看出，按照此方案优化配置的联锁回路，具备高可靠性和可用性，对于保障装置安全平稳运行具有重要意义。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种汽包安全联锁***控制方案优化方法，其特征在于：
包括一个安全联锁***，所述安全联锁***由差压变送器、逻辑控制器和热源阀门组成，所述差压变送器检测汽包液位并将汽包液位值变换成电信号传送给逻辑控制器，所述逻辑控制器判断液位低于额定值则切断热源阀门；
利用以上***的控制方案优化方法，包括以下步骤：
步骤1：危险与风险分析，确定是否需要增加或删除安全联锁回路；
步骤2：采用危险与可操作性分析方法，进行安全仪表功能回路的辨识；
步骤3：采用保护层分析方法，确定各个安全仪表功能回路所需的安全完整性等级；
步骤4：采用故障树分析方法，结合专业分析软件进行安全完整性等级验证计算；
步骤5：综合考虑安全联锁***的可靠性和可用性，确保设备安全的前提下，降低误停车率；
步骤6：结合安全完整性等级验证结果和误停车率，优化配置安全仪表功能回路。
2.根据权利要求1所述的汽包安全联锁***控制方案优化方法，其特征在于：所述的步骤2中的危险与可操作性分析方法，具体包括如下步骤：
步骤2.1：根据汽包的工艺流程图、管道和仪表图以及联锁说明，识别与分析各种参数偏差发生的原因以及这种偏差所产生的后果；
步骤2.2：找出现有的安全保护设施并提出建议措施，降低风险等级；
步骤2.3：梳理现有的和建议增加的安全仪表功能回路，并列出安全仪表功能清单。
3.根据权利要求1所述的汽包安全联锁***控制方案优化方法，其特征在于：所述的步骤3中的保护层分析方法为半定量分析方法，具体包括如下步骤：
步骤3.1：场景识别与筛选；
步骤3.2：选择事故场景；
步骤3.3：初始事件确定；
步骤3.4：独立保护层评估；
步骤3.5：场景频率计算；
步骤3.6：风险评估与决策；
步骤3.7：判断风险是否可接受；
若：接受风险，则执行步骤3.8；
若：不接受风险，则执行步骤3.9；
步骤3.8：判断是否有更多场景；
若：有更多场景，则执行步骤3.10；
若：没有更多场景，则执行步骤3.11；
步骤3.9：考虑风险降低措施，然后执行步骤3.4；
步骤3.10：进入下一个场景，然后执行步骤3.3；
步骤3.11：后续跟踪和审查。
4.根据权利要求1所述的汽包安全联锁***控制方案优化方法，其特征在于：所述的步骤4中的故障树分析方法，具体包括如下步骤：
步骤4.1：采用故障树分析软件，根据布尔逻辑用图表示***特定故障间的相互关系，建立从结果到原因描述故障的有向逻辑图；
步骤4.2：输入各个基本事件的失效数据；
步骤4.3：进行安全完整性等级验证计算及误停车率计算。
5.根据权利要求1所述的汽包安全联锁***控制方案优化方法，其特征在于：所述汽包关键联锁为液位低低联锁。
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