安全仪表系统的实现与管理.ppt

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安全仪表系统培训讲义安全仪表系统培训讲义安全仪表系统培训讲义安全仪表系统培训讲义2022/11/102022/11/10清华大学自动化系清华大学自动化系安全仪表系统功能安全技术培训安全仪表系统功能安全技术培训第6讲安全仪表系统的实现与管理目录11、循环氢加热炉的安全仪表系统、循环氢加热炉的安全仪表系统22、PFDavgPFDavg计算、检验测试、成本计算、检验测试、成本33、SISSIS的工程应用与安全管理的工程应用与安全管理2022/11/102022/11/1033典典型装置安全仪表系统的设计型装置安全仪表系统的设计示示例例2022/11/102022/11/1044循环氢加热炉的安全仪表系统设计加氢裂化装置简介加氢裂化是重质馏分油深度加工的主要工艺之一，是大量生产优质中间馏分油（喷气燃料和柴油等）和调整油品结构的重要手段装置在一些重点部位：

如新氢压缩机、循环氢压缩机、反应器、循环氢加热炉、高压进料泵、循环氢脱硫塔、冷高压分离器、硫化氢脱硫塔、空冷器等部分配设了SIS来实现各种安全仪表功能2022/11/102022/11/1055循环氢加热炉的安全仪表系统设计循环氢加热炉的安全仪表功能设置安全仪表系统的目的是保护加热炉和反应器设置安全仪表系统的目的是保护加热炉和反应器引起该炉出现停车危险的情况主要包括引起该炉出现停车危险的情况主要包括:

加氢裂化反应器入口温度过高加热炉氢气进料流量过低燃料气总管压力过低本加热炉需要实现的安全仪表功能有本加热炉需要实现的安全仪表功能有:

出现反应器入口温度过高时切断燃料气进料、熄灭主火嘴以防止加氢裂化反应器的温度过高而引起的反应失控，使温度继续升高损坏反应器出现燃料气总管压力过低时，切断燃料气进料并熄灭长明灯，防止因炉子熄火而出现加热炉内燃料气积聚而导致的遇明火爆炸出现加热炉进料流量过低时，切断燃料气进料，以避免出现炉管干烧而损坏炉管2022/11/102022/11/1066循环氢加热炉的安全仪表系统设计循环氢加热炉安全仪表系统的组成反应器入口温度安全仪表系统反应器入口温度安全仪表系统仪表位号为TE3148，检测元件为热电偶燃气总管压力安全仪表系统燃气总管压力安全仪表系统仪表位号为PT3108，采用压力变送器检测加热炉进料流量安全仪表系统加热炉进料流量安全仪表系统仪表位号为FT3110，采用节流装置与差压变送器检测流量2022/11/102022/11/1077燃气压力安全仪表系统的功能安全分析该安全仪表系统的传感部分:

压力变送器PT3108隔离式安全栅PBI3108报警设定器PA3108逻辑控制器选用专用的安全PLC系统调节阀逻辑控制器的输出信号应关闭两台阀门，分别切断加热炉的燃料气和长明灯的燃料气。

任何一个执行器出现故障也会导致安全仪表功能失效，从功能安全的角度来看，这两个执行器也为串联关系。

2022/11/102022/11/1088燃气压力安全仪表系统的功能安全分析安全控制的风险矩阵人员安全控制风险矩阵符号说明符号说明:

DCSDCS:

为一般DCS控制功能；SILaSILa:

为由DCS构造的SIF；SILbSILb:

为无需经定量评估的独立安全仪表功能；SIL14SIL14:

为经定量评估的独立安全仪表功能；XX:

超出石油化工行业可行的安全仪表功能要求，需进行流程或独立保护层重设计。

事故概率不包括安全仪表功能但包括其它有效独立保护层后的事故概率2022/11/102022/11/1099燃气压力安全仪表系统的功能安全分析安全控制的风险矩阵环境安全控制风险矩2022/11/102022/11/101010燃气压力安全仪表系统的功能安全分析安全控制的风险矩阵经济损失控制风险矩阵2022/11/102022/11/101111燃气压力安全仪表系统的功能安全分析燃气压力安全仪表功能的SIL选择若无安全仪表功能的保护，燃料气总管压力过低时导致的后果燃料气总管压力过低时安全仪表功能成功执行，导致的后果炼油厂评估经济损失根据相关的工业经验，确定事故的发生率根据可能产生的后果和事故发生的频率，确定出该安全仪表功能应该达到的安全完整性水平SIL从人员安全方面考虑，该安全仪表功能需达到SILb从环境安全方面考虑，该安全仪表功能需达到DCS级从经济损失方面考虑，该安全仪表功能需达到SIL2综合上述三个方面对安全仪表功能的要求，选择安全仪表功能需达到的最高SIL，即SIL22022/11/102022/11/101212燃气压力安全仪表系统的功能安全分析安全性能的指标计算2022/11/102022/11/101313燃气压力安全仪表系统的功能安全分析设备的相关失效率数据数据来源SafetyEquipmentReliabilityHandbook，2ndEdition2022/11/102022/11/101414燃气压力安全仪表系统的功能安全分析计算平均要求时失效概率采用故障树方法分析该安全仪表功能的指标系统分成三部分进行分析：

传感器部分，逻辑控制器部分、执行器部分，每个部分均为一取一逻辑（1oo1）2022/11/102022/11/101515燃气压力安全仪表系统的功能安全分析传感器部分的平均要求时失效概率为变送器的平均要求时失效概率、安全栅的平均要求时失效概率以及报警设定器的平均要求时失效概率之和逻辑控制器部分的平均要求时失效概率执行器部分的平均要求时失效概率整个安全仪表功能的平均要求时失效概率2022/11/102022/11/101616燃气压力安全仪表系统的功能安全分析安全失效概率计算分析安全失效与分析危险失效情况相似传感器部分的安全失效概率逻辑控制器部分的安全失效概率执行器部分的安全失效概率整个安全仪表功能的安全失效概率2022/11/102022/11/101717燃气压力安全仪表系统的功能安全分析计算结果分析该安全仪表功能用于SIL1场合，若要应用于SIL2的场合，则必须对该安全仪表功能进行改进在该PFDavg的计算结果中可以看出，执行器部分对该结果的贡献最大，传感器部分次之，逻辑控制器子系统的影响最小。

若要提高整个SIF的执行能力，必须对传感器和执行器部分同时作相应的修改。

整个传感器部分的PFDavg是变送器PFDavg的3倍。

燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计当安全仪表系统没有达到预定（或满意）的性能指标时，需要认真当安全仪表系统没有达到预定（或满意）的性能指标时，需要认真分析，找到对安全指标影响较大的薄弱环节，采取相应措施，如改分析，找到对安全指标影响较大的薄弱环节，采取相应措施，如改进系统结构、改变测试周期等参数，对安全仪表系统进行改进。

进系统结构、改变测试周期等参数，对安全仪表系统进行改进。

传感器全冗余的传感器全冗余的1oo21oo2改进方案改进方案采用1oo2表决逻辑2022/11/102022/11/101818燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的1oo21oo2改进方案改进方案采用1oo2表决逻辑2022/11/102022/11/101919燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的1oo21oo2改进方案改进方案计算结果（仅传感器部分改进）2022/11/102022/11/1020201oo1该安全仪表功能可用于SIL1的场合传感器部分的硬件增加冗余后，采用1oo2逻辑使该部分的PFDavg比1oo1时的PFDavg降低了一个数量级，但却使传感器部分的安全失效概率增大了近一倍因为执行器部分并没有得到改进，所以整个回路的PFDavg仍保持在同一个数量级，所以PFDavg并没有明显的改善。

燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的2oo22oo2改进方案改进方案采用2oo2表决逻辑2022/11/102022/11/102121燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的2oo22oo2改进方案改进方案采用2oo2表决逻辑2022/11/102022/11/102222燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的2oo22oo2改进方案改进方案计算结果（仅传感器部分改进）2022/11/102022/11/1023231oo1该安全仪表功能可用于SIL1的场合。

（传感器部分的硬件增加冗余后，采用2oo2逻辑使该部分的PFDavg比1oo1时的PFDavg提高了一个数量级，但是安全失效概率却下降了一个数量级。

采用2oo2表决逻辑使传感器部分的安全失效率PFS比1oo1和1oo2表决逻辑降低了一个数量级，使误跳车概率降低。

2oo2表决逻辑的传感器部分硬件与1oo2表决逻辑的传感器部分硬件相同，但由于表决逻辑不同，导致传感器部分的各性能指标均不相同。

1oo2燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器简化配置的改进方案传感器简化配置的改进方案将压力变送器由本安型仪表改为隔爆型仪表，取消安全栅和报警设定器压力变送器的信号直接引进逻辑控制器。

2022/11/102022/11/102424传感器简化配置的1oo2改进方案传感器简化配置的2oo2改进方案燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的2oo32oo3改进方案改进方案采用2oo3表决逻辑2022/11/102022/11/102525燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的2oo32oo3改进方案改进方案采用2oo3表决逻辑2022/11/102022/11/102626燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计传感器全冗余的传感器全冗余的2oo32oo3改进方案改进方案计算结果比较（仅传感器部分）2022/11/102022/11/1027272oo2逻辑的安全性在4种逻辑方案中最低，但是安全失效率PFS也最低。

在安全要求不高，需要长周期运行、不允许有高误跳车率的场合，可考虑采用该方案。

2oo3逻辑的PFDavg和PFS值在四种逻辑方案中都是第二小的，能同时兼顾安全性和误跳车率。

在安全性要求高的场合、不允许有高误跳车率的场合都可以采用。

该方案的仪表数量较多，可在投资允许的场合大量应用。

1oo2逻辑的PFDavg最小，但PFS最大，在安全误跳车率允许的范围内可采用。

在实际的应用中，应结合经济投资、安全仪表功能的SIL要求以及安全误跳车率要求等酌情选择相应的硬件冗余和逻辑处理方案。

燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计有无安全栅和报警设定器的传感器有无安全栅和报警设定器的传感器部分部分2022/11/102022/11/102828根据上表，取消安全栅和报警设定器的每一种逻辑的PFDavg和PFS均比有安全栅和报警设定器的低，约降低3倍。

所以在条件允许的情况下，尽量采用模拟量信号直接进逻辑控制器进行处理的方法。

燃气压力安全仪表系统基于执行机构的改进设计执行器部分的执行器部分的改进方案改进方案仅仅对传感器部分进行改进是不能改善安全仪表功能整体的安全性能和降低误停车的，还需要对执行器部分进行改进执行器采用双重冗余，采用二取一（1oo2）表决逻辑，其它参数不变2022/11/102022/11/102929可知无安全栅和报警设定器的1oo1表决逻辑、1oo2和2oo3表决逻辑的传感器改进方案均可与增加冗余的执行器改进方案相适应，使得安全仪表功能整体安全完整性水平达到SIL2的要求。

燃气压力安全仪表系统基于执行机构的改进设计执行器非冗余配置执行器非冗余配置如果安全仪表功能中仅包含串联的1个电磁阀和1个切断阀，也可以使得安全仪表功能的平均要求时失效概率降低2022/11/102022/11/103030相对于在可靠性关系上串联有2个切断阀和2个电磁阀的安全仪表系统，执行器部分的平均要求时失效概率减少一半。

若一个安全功能执行器部分可靠性关系上串联环节较多，则会导致整个安全仪表功能的平均要求时失效概率提高，影响该功能所能降低的风险。

基于测试周期的改进（执行机构改进）根据计算平均要求时失效概