前言
我们知道在进行危险与可操作性(HAZOP)分析和安全完整性等级(SIL)评估之后,如果确定需要增加安全仪表系统(SIS)来降低风险,那么就需要对仪表安全功能(SIF)进行SIL验算。常规的SIL验算过程相对比较繁琐漫长,且常有验算结果无法满足目标SIL等级要求的情况(即无法通过SIL验证),这时候又要回过头分析各种可能原因,可能是SIF设计的问题,也可能是某个仪表设备的问题……这是目前SIL验算工作普遍存在的现象。
试想一下,如果SIL定级的时候我们把SIL验算流程简化,不需要提供设备的失效数据和复杂的计算,经过简单判断就能得到SIF大概的SIL等级,是不是就能大大提高工作效率,减少返工?我们称之为实用简化的SIL预验算:
1.一般情况下,单一执行动作(1oo1)的SIF,采用通用数据计算可以实现SIL1级别,但PFDavg很难达到1.00E-02(RRF=100)。如果都采用SIL2及以上的SIL认证设备,组成的SIF则可达到SIL2级别但PFDavg很难达到1.00E-03甚至2.50E-03这个数值,换言之在SIL定级的时候,若要求SIF的PFD小于2.50E-03或RRF超过400,则SIL验算的结果很难达到定级的要求(如某个SIL2的SIF定级时要求PFD小于1.00E-03,那么在SIL验算时注定失败!);
2.SIL验算过程中,传感器是否设置冗余对整个SIF的PFDavg影响较小,而要求同时执行的动作(关键动作)的增加却对整个SIF的PFDavg影响较大。
3.若所有设备均采用认证的失效数据计算,SIF的目标要求为SIL2时,关键动作不宜超过3个;随着关键动作的增加,SIF可以实现的SIL等级会出现降级趋势。
本文将根据实际项目中的失效数据并结合项目组成员的丰富经验,详细探讨上述SIL预验算的方法。
SIL验算方法概述
在确定SIL等级时,应考虑导致非安全状态的所有失效因素,如硬件随机失效、软硬件设计缺陷和环境干扰等。这些类型中的某些失效,特别是硬件随机失效,在低要求操作模式下可以使用要求时的平均失效概率(PFDavg)来量化。但SIF的安全完整性还取决于许多因素,它们不能精确量化,只能定性考虑。故常规的SIL验算,通过对SIF各组成部分的PFDavg计算分析,并综合结构约束、系统能力等方面来考量验证SIF的SIL等级,以确认其是否满足目标SIL等级要求。
由于化工行业中SIF的SIL等级要求主要集中在SIL1和SIL2级别,在SIL验算的时候结构约束和系统能力比较容易满足目标SIL等级要求,所以后文将假定只采用PFDavg来代表整个SIF的SIL等级。
PFDavg的值是由SIF中安全功能的子系统PFDavg加和得出,是在一定运行周期内要求时发生失效的平均概率,其中还受测试周期、测试覆盖率、共因失效等诸多参数影响。为了方便计算分析,提出以下前提:
1.将SIF划分为传感器(包括传感器和输入接口元件)、逻辑运算器(包括CPU、电源和各模块通道)和最终执行元件(包括最终执行元件和输出接口元件)三个部分,整个SIF的PFDavg计算如下:
PFDavg=PFD+ PFD+ PFD
其中:
PFDavg 是整个SIF要求时的平均失效概率;
PFD是传感器要求时的平均失效概率;PFD是逻辑运算器要求时的平均失效概率;PFD是最终执行元件要求时的平均失效概率;
2.假设装置设计使用年限为15年,平均恢复时间(MTTR)为24小时,检验测试周期(TI)为12个月,功能测试覆盖率(CTI)为100%,共因失效因子(β)为5%,操作模式为低要求操作模式;
3.同类型设备分别采用通用失效数据和认证失效数据,仅考虑设备未检测到的危险失效(DU)。如表1-失效数据表:
表1-失效数据表
设备/品牌型号 | 通用数据(DU) | 认证数据(DU) | |
温度变送器/Rosemount 248RTD | 3.00E-07 | 3.70E-08 | |
输入安全隔离栅/浙江中控HD5542 | 3.50E-07 | 1.74E-08 | |
逻辑运算器/浙江中控TCS-900 (2oo3D) |
CPU/SCU9010 | 1.25E-07 | 7.67E-09 |
AI/SAI9010 | 1.00E-07 | 2.11E-08 | |
DO/SDO9010 | 1.00E-08 | 1.95E-08 | |
输出安全继电器/上海辰竹CZSR8401 | 6.00E-07 | 1.00E-09 | |
电磁阀/ASCO 551 | 6.00E-07 | 1.98E-07 | |
气动执行机构/无锡圣汉斯HPY | 6.00E-07 | 2.23E-07 | |
球阀/浙江中控SN5 | 8.00E-07 | 1.68E-07 |
SIF1:反应釜R101温度(TZS101,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV101(1oo1)
SIF2:反应釜R102温度(TZS102A,TZS102B,1oo2)高高联锁关闭进料阀XZV102(1oo1)
SIF3:反应釜R103温度(TZS103,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV103A和XZV103B(2oo2)
上述SIF将采用表1-失效数据表中的数据计算,计算结果如表2-各SIF计算表:
表2-各SIF计算表
组件 | SIF | PFDavg(通用) | PFDavg(认证) |
传感器 | SIF1 | 2.87E-03 | 2.42E-04 |
SIF2 | 1.56E-04 | 2.42E-05 | |
SIF3 | 2.87E-03 | 2.42E-04 | |
逻辑运算器 | SIF1 | 8.11E-05 | 1.64E-05 |
SIF2 | 8.11E-05 | 1.64E-05 | |
SIF3 | 8.11E-05 | 1.64E-05 | |
最终执行元件 | SIF1 | 1.17E-02 | 2.61E-03 |
SIF2 | 1.17E-02 | 2.61E-03 | |
SIF3 | 2.22E-02 | 5.05E-03 | |
合计(SIF) | SIF1 | 1.47E-02 | 2.87E-03 |
SIF2 | 1.19E-02 | 2.65E-03 | |
SIF3 | 2.52E-02 | 5.31E-03 | |
说明:本文示例的PDFavg均采用豪鹏科技自主研发的SIL验算软件计算 |
将SIF各组件的PFDavg进行数据对比分析,如图1、图2、图3:
图1-SIF1的PFDavg占比分布
图2-SIF2的PFDavg占比分布
图3-SIF3的PFDavg占比分布
根据上图三个部分对SIF的PFDavg占比分析,我们可以初步得出以下结论:
1)无论采用通用失效数据还是认证失效数据,逻辑运算器部分的PFDavg对整个SIF的PFDavg几乎没有影响;
2)执行动作为阀门类的SIF,最终执行元件部分PFDavg占比远大于传感器部分PFDavg占比。A、当采用认证失效数据计算PFDavg,最终执行元件部分在PFDavg占比明显更大;B、当传感器设置冗余(如SIF2,传感器1oo2)或增加要求同时执行的动作(即关键动作,如SIF3,关键动作2oo2)时,最终执行元件部分在PFDavg占比非常明显。
通常条件下,上述情况是由以下原因造成的:
①从仪表设备未检测到的危险失效(DU)来说,阀门失效概率一般大于变送器;
②从装置复杂程度来说,执行开关阀动作涉及的设备个数多于传感器部分;
③从SIF设计来说,传感器可能会设置冗余,而关键动作的增加却会提高最终执行元件部分的PFDavg。
根据表2-各SIF计算表中各SIF的合计数据,即整个SIF的PFDavg,得到如图4-各SIF的PFDavg合计值:
图4-各SIF的PFDavg合计值
根据上图,我们可以得出以下结论:
3)单一执行动作的SIF,所有设备均采用通用数据计算可以实现SIL1级别,但PFDavg很难达到1.00E-02这个数值。所有设备均采用认证数据计算可以实现SIL2级别(如SIF1和SIF2),但PFDavg很难达到1.00E-03(RRF=1000)甚至2.50E-03(RRF=400)这个数值;
4)不论采用何种数据计算,传感器设置冗余对整个SIF的PFDavg影响较小(对比SIF2和SIF1),增加关键动作对整个SIF的PFDavg影响较大(对比SIF3和SIF1)。
目前为止,根据上述结论,在经过具体计算之前,我们已经对何种设计的SIF及采用何种数据去计算SIF,最终能实现对应的SIL等级有了大概判断。为了再进一步探讨关键动作的增加对整个SIF的PFDavg的影响关系,分别设置以下SIF:
SIF4:反应釜R104温度(TZS104,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV104A~C(3oo3)
SIF5:反应釜R105温度(TZS105,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV105A~D(4oo4)
SIF6:反应釜R106温度(TZS106,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV106A~E(5oo5)
SIF7:反应釜R107温度(TZS107,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV107A~F(6oo6)
上述SIF将采用表1-失效数据表中的数据计算,再结合之前SIF1和SIF3的数据,结果如图4-SIF的PFDavg合计值:
图4-SIF的PFDavg合计值
根据上图,我们可以得出以下结论:
5)若所有设备均采用认证数据计算,当SIF目标要求为SIL2时,关键动作不宜超过3个;
6)随着关键动作的增加,SIF可以实现的SIL等级会出现降级趋势。
最后,我们以一个简单的实际案例结束这篇文章,该案例只给出SIF描述和目标要求,请广大读者来预验算判断,不用经过具体验证计算,仅凭给定的SIF描述就能判断出能否达到目标要求,案例见表3-案例简析:
表3-案例简析
SIF描述 | 目标SIL等级 |
目标 PFDavg |
氨基氰釜R-0106A温度(TZT-01130A,1oo1)高高联锁关闭夹套热水进口开关阀XV-01140A,出口开关阀XV-01141A和膦醛进口开关阀XV-01136A,同时打开夹套低温水进口开关阀XV-01138A,出口开关阀XV-01139A。 | SIL1 | 1.00E-02 |
审核编辑 :李倩
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原文标题:精选丨SIL定级时如何提前判断SIF能否实现?分享实用简化的SIL预验算方法
文章出处:【微信号:gh_acae488c81aa,微信公众号:定华仪表学堂】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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