化工生產(chǎn)中安全儀表系統(tǒng)的全生命周期應(yīng)用
本文作者作為安全生產(chǎn)專家參與了江蘇省蘇州市、張家港市、常熟市部分化工企業(yè)的新建項(xiàng)目和改建項(xiàng)目的審查，以及當(dāng)?shù)鼗て髽I(yè)的安全生產(chǎn)深度檢查。無(wú)論是在項(xiàng)目審查還是在深度檢查中，作者發(fā)現(xiàn)部分化工企業(yè)對(duì)安全儀表SIS系統(tǒng)的理解與應(yīng)用存在不少問(wèn)題，其設(shè)置的SIS系統(tǒng)無(wú)法完全滿足于安全防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)管控的要求。近年來(lái)，化工企業(yè)生產(chǎn)事故頻發(fā)，正確使用安全儀表SIS系統(tǒng)更加必要。作者特針對(duì)檢查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了SIS系統(tǒng)全生命周期的解決方案。
檢查中主要問(wèn)題體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.個(gè)別企業(yè)是先上了SIS系統(tǒng)再去補(bǔ)充HAZOP分析報(bào)告，結(jié)果是兩者完全不一致。
2.部分企業(yè)的HAZOP及LOPA分析報(bào)告不夠完整，要么是報(bào)告的建議措施中沒(méi)有明確應(yīng)該設(shè)備多少個(gè)SIF回路及其功能，卻直接給出企業(yè)SIS系統(tǒng)要求SIL2的不正確結(jié)論；要么是報(bào)告中定義的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低不夠正確，從而報(bào)告涉及的SIF回路其安全等級(jí)不正確。這些最終都導(dǎo)致企業(yè)的SIS系統(tǒng)沒(méi)有正確設(shè)置。
3.部分企業(yè)在原有DCS系統(tǒng)外，增加設(shè)施一套SIS系統(tǒng)，但這里大量的切斷閥甚至個(gè)別調(diào)節(jié)閥均為DCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)共用，安全保護(hù)層沒(méi)有獨(dú)立設(shè)置。
4.個(gè)別企業(yè)控制系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置操作權(quán)限，操作人員可隨意摘除聯(lián)鎖而沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)管控。
5.大部分企業(yè)沒(méi)有對(duì)SIS系統(tǒng)定期做功能測(cè)試，以確認(rèn)系統(tǒng)安全防護(hù)功能有效。
本文特別針對(duì)以上檢查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了全生命周期的解決方案。
一、全生命周期的概念
全生命周期指一個(gè)系統(tǒng)從對(duì)生產(chǎn)工藝的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別開(kāi)始，找出風(fēng)險(xiǎn)管控的方案，確認(rèn)要使用的安全儀表系統(tǒng)及其相應(yīng)的功能，再對(duì)SIS系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、安裝、驗(yàn)收、系統(tǒng)投用、維護(hù)，不斷提高、改進(jìn)，最終確定需要拆除系統(tǒng)的一個(gè)完整過(guò)程。
SIS系統(tǒng)的使用就是采用了全生命周期的概念，首先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析后得出詳細(xì)結(jié)論（定義SIF回路），再依此進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的一整套管理流程來(lái)執(zhí)行。
二、SIS系統(tǒng)全生命周期的實(shí)現(xiàn)
1．SIS系統(tǒng)的使用確認(rèn)
在化工生產(chǎn)中，一套生產(chǎn)裝置是否需要配置安全儀表SIS系統(tǒng)，通常從兩個(gè)方面確認(rèn)。第一是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行HAZOP分析確認(rèn)，第二是根據(jù)原國(guó)家安監(jiān)總局發(fā)布的一些要求來(lái)確認(rèn)。
HAZOP分析是按照科學(xué)的程序和方法，從系統(tǒng)的角度出發(fā)對(duì)工程項(xiàng)目或生產(chǎn)裝置中潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行定性的預(yù)先識(shí)別、分析和評(píng)價(jià)，識(shí)別出生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)及操作和維修程序，并提出改進(jìn)意見(jiàn)和建議，以提高裝置工藝過(guò)程的安全性和可操作性，為制定基本防災(zāi)措施和應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行決策提供依據(jù)。這種分析方法包括辨識(shí)潛在的偏離設(shè)計(jì)目的的偏差、分析其可能的原因并評(píng)估相應(yīng)的后果。它采用標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)詞，結(jié)合相關(guān)工藝參數(shù)等，按流程進(jìn)行系統(tǒng)分析。并分析正常/非正常時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題、產(chǎn)生的原因、可能導(dǎo)致的后果以及應(yīng)采取的措施。
HAZOP分析注意事項(xiàng)：要正確定義分析的節(jié)點(diǎn)，造成各場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)分析宜采用單個(gè)原因而非多重原因一起考慮，正確定義各場(chǎng)景下可接受的風(fēng)險(xiǎn)PFD值，對(duì)每個(gè)已有的安全措施正確定義其PFD值；根據(jù)生產(chǎn)裝置本身的PFD值和已有的安全措施PFD值，最終確認(rèn)某場(chǎng)景在特定原因造成風(fēng)險(xiǎn)中建議采取的補(bǔ)充安全手段。
HAZOP分析中常見(jiàn)問(wèn)題：對(duì)已有的安全措施PFD取值重復(fù)，如進(jìn)DCS系統(tǒng)的溫度報(bào)警信號(hào)與同一個(gè)溫度聯(lián)鎖動(dòng)作取兩個(gè)保護(hù)層（即PFD=10-2）；或者對(duì)同一設(shè)備上沒(méi)有經(jīng)過(guò)計(jì)算安全閥的排放量、沒(méi)有確認(rèn)是否存在泄漏且沒(méi)有兩開(kāi)一備狀態(tài)的兩個(gè)安全閥取四個(gè)保護(hù)層（即PFD=10-4）；或者是生產(chǎn)裝置可接受風(fēng)險(xiǎn)的取值偏低,只有PFD=10-3。
經(jīng)過(guò)HAZOP分析對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性之后，有時(shí)對(duì)建議的保護(hù)措施還需要進(jìn)一步定量分析，以確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)得到有效管控。LOPA分析就是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有保護(hù)措施的可靠性進(jìn)行量化評(píng)估，確定獨(dú)立保護(hù)層（IPL）來(lái)降低危害發(fā)生的概率，從而達(dá)到消除或降低風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)LOPA對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)景定量分析，可以最終確認(rèn)是否需要安全儀表保護(hù)系統(tǒng)、以及定義各SIF回路的功能及所要求SIL等級(jí)。
除了HAZOP分析和LOPA分析，根據(jù)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》（安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)）、《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2009〕116號(hào)）等文件，有些生產(chǎn)裝置也必須使用SIS系統(tǒng)：例如涉及氟化工藝、氯化工藝、加氫工藝等危險(xiǎn)化工工藝的生產(chǎn)裝置。
經(jīng)過(guò)正確的HAZOP分析和LOPA分析后，再結(jié)合有關(guān)文件的要求，就可以正確設(shè)置SIS系統(tǒng)及確認(rèn)各SIF回路的功能及其相應(yīng)的SIL等級(jí)，得到以下輸出：1)SIF回路總覽表、2)因果聯(lián)鎖圖、3)SIS系統(tǒng)相關(guān)儀表采購(gòu)要求等。
根據(jù)《應(yīng)急管理部關(guān)于印發(fā)《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》和《危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患排查治理導(dǎo)則》的通知》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）的要求，企業(yè)對(duì)涉及“兩重點(diǎn)一重大”的生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置運(yùn)用HAZOP 方法進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)分析，一般每3 年開(kāi)展一次。對(duì)于發(fā)生多次工藝安全事故、有極大的危害或經(jīng)常進(jìn)地顯著變更的工藝，應(yīng)當(dāng)考慮降低評(píng)審頻度值低于每3年一次。
2.SIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施：
根據(jù)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》（安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)）的要求，安全儀表SIS系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)獨(dú)立于過(guò)程控制系統(tǒng)（例如DCS，PLC等）。因而如果根據(jù)前面分析確認(rèn)要使用SIS系統(tǒng)，則必須是一套獨(dú)立配置的SIS系統(tǒng)。
一套SIS系統(tǒng)可以由多個(gè)SIF回路組成，且根據(jù)前面HAZOP/LOPA分析，每個(gè)SIF回路都有各自特定的SIL安全等級(jí)。SIS系統(tǒng)共有四個(gè)SIL安全等級(jí)，對(duì)于一般化工裝置，90%左右的SIF回路為SIL1，10%左右的SIL回路為SIL2;對(duì)于含重大危險(xiǎn)源的大型化工裝置，如乙烯裂解、合成氨等，可能會(huì)達(dá)到SIL3；只有在核反應(yīng)裝置會(huì)存在SIL4。
SIS系統(tǒng)的每個(gè)SIF回路都由三部分組成：檢測(cè)元件、邏輯處理器和最終執(zhí)行元件。
其中檢測(cè)元件可以是用于測(cè)量工藝參數(shù)的壓力、溫度或流量、液位等級(jí)的模擬量，也可以是壓力開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)甚至閥位反饋的數(shù)字量；邏輯處理器是指我們通常所說(shuō)的SIS系統(tǒng)；最終執(zhí)行元件可以是只有開(kāi)或關(guān)位置的切斷閥，也可以是能啟、停的電機(jī)。SIS系統(tǒng)所用的部件通常都要求SIL證書(shū)。這些SIL證書(shū)可以提供各部件的結(jié)構(gòu)、PFD值以及能單部件可達(dá)到的最高SIL等級(jí)。
如果一個(gè)SIF回路要求SIL2,既使回路中每一個(gè)部件都能達(dá)到SIL2等級(jí)，整個(gè)回路也可能由于各部分的架構(gòu)（1OO1，1OO2或2OO3等）以及整個(gè)回路的測(cè)試周期（12個(gè)月，24個(gè)月等）的不同可能無(wú)法滿足LOPA分析的SIL要求。所以每個(gè)SIF回路的PFD值也是通過(guò)將回路中三部分部件進(jìn)行整體計(jì)算后，才能確認(rèn)是否滿足LOPA分析結(jié)果要求。常用的SIF回路驗(yàn)算專業(yè)軟件為：exSILentia。通常SIF回路驗(yàn)算是根據(jù)生產(chǎn)裝置采購(gòu)的真實(shí)SIS儀表和系統(tǒng)，可以確認(rèn)每個(gè)SIF回路的架構(gòu)、定期測(cè)試周期。
根據(jù)工藝安全保護(hù)洋蔥圖，可以知道安全儀表系統(tǒng)(SIS)與基本過(guò)程控制系統(tǒng)工程（BPCS/DCS）位于不同的保護(hù)層。這也是采購(gòu)SIS儀表和設(shè)計(jì)SIS系統(tǒng)的依據(jù)。
SIF回路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：SIS系統(tǒng)的檢測(cè)元件與最終執(zhí)行元件最好與DCS系統(tǒng)分開(kāi)不共用。例如對(duì)于一個(gè)SIL2的回路，如果分開(kāi)設(shè)置不同的切斷閥，則DCS與SIS最多存在三個(gè)保護(hù)層PFD=10-3。如果DCS上的切斷閥故障失效，則還有SIS的兩個(gè)保護(hù)層存在PFD=10-2?？墒侨绻鸇CS與SIS共用一個(gè)切斷閥，一旦此切斷閥故障失效，則所有的保護(hù)層全部失效。SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還需要特別注意切斷閥的氣關(guān)或氣開(kāi)性能，不同的切斷閥類型會(huì)直接影響到SIF回路架構(gòu)。
在繪制SIF回路的聯(lián)鎖邏輯圖時(shí)，要特別注意聯(lián)鎖旁路的設(shè)置，不僅僅要知道聯(lián)鎖旁路后的替代方案、可旁路時(shí)間，還要特別加強(qiáng)聯(lián)鎖旁路的操作權(quán)限。例如必要的聯(lián)鎖旁路閉環(huán)管理MOC流程。
一旦確認(rèn)了SIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案（含畫(huà)面要求、軟件組態(tài)要求、硬件設(shè)計(jì)要求等），就必須嚴(yán)格依此實(shí)施，需要對(duì)SIS系統(tǒng)做全面的工廠接收測(cè)試FAT（含軟件、硬件、畫(huà)面、與BPCS基礎(chǔ)控制系統(tǒng)整合等），對(duì)SIS儀表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝確認(rèn)后，再對(duì)SIS系統(tǒng)安裝、上電、現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試SAT以及SIF功能測(cè)試，確認(rèn)SIS系統(tǒng)完全與HAZOP/LOPA分析結(jié)果一致后將SIS系統(tǒng)投入正常運(yùn)營(yíng)。
SIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施要隨著HAZOP的重審變更而修改。
3．SIS系統(tǒng)定期測(cè)試及拆除
在生產(chǎn)正常時(shí)SIS系統(tǒng)處于休眠或靜止?fàn)顟B(tài)，一旦生產(chǎn)裝置或設(shè)施出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時(shí)，觸發(fā)檢測(cè)元件，根據(jù)故障安全的設(shè)計(jì)理念，SIS系統(tǒng)能夠瞬間準(zhǔn)確聯(lián)鎖動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)程安全停止運(yùn)行或自動(dòng)導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)。因此確保SIS系統(tǒng)的功能是非常有必要的，這可以通過(guò)定期對(duì)所有SIF回路的功能進(jìn)行測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)SIF回路PFD驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)于不同的SIF回路要求不同的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，通常我們會(huì)結(jié)合生產(chǎn)裝置的停車檢修來(lái)進(jìn)行綜合調(diào)整；對(duì)于個(gè)別回路要求測(cè)試頻率低于生產(chǎn)裝置停車檢修周期，可以在切斷閥上增加閥位指導(dǎo)（VAVLEGUIDE）來(lái)讓閥門小行程動(dòng)作實(shí)現(xiàn)功能測(cè)試。同時(shí)為了保證SIS系統(tǒng)的安全可靠性，SIS儀表也必須按要求進(jìn)行定期的校驗(yàn)確認(rèn)其準(zhǔn)確性。
SIS系統(tǒng)的定期測(cè)試周期也會(huì)隨著儀表的性能、維修情況而進(jìn)行調(diào)整。
根據(jù)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)業(yè)策略，在系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間后，會(huì)存在搬遷或拆除的要求，此時(shí)將SIS系統(tǒng)相關(guān)儀表拆除、打包，系統(tǒng)斷電、拆除卡件打包就可以。
三、安全儀表系統(tǒng)的全生命周期管理
一套控制系統(tǒng)的使用，無(wú)論是DCS基本控制系統(tǒng)還是SIS安全儀表系統(tǒng)，都要根據(jù)生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)和安全需求，合理設(shè)計(jì)、實(shí)施、投用及定期管理；儀表和系統(tǒng)甚至相關(guān)的電氣設(shè)備都需要建立必要的測(cè)試報(bào)告記錄（儀表單回路測(cè)試記錄，電機(jī)的測(cè)試報(bào)告、系統(tǒng)的FAT和SAT報(bào)告、SIS的聯(lián)鎖功能測(cè)試報(bào)告、DCS的控制功能測(cè)試報(bào)告等）、定期校驗(yàn)報(bào)告、維修臺(tái)賬（時(shí)間、原因、方案等）、聯(lián)鎖旁路的閉環(huán)管理臺(tái)賬（旁路原因、替代方案、旁路方法、旁路時(shí)間、恢復(fù)聯(lián)鎖）。
只有對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期的管理，才能保證化工生產(chǎn)的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。
肖紅
筑安
中國(guó)化學(xué)品安全協(xié)會(huì)
2019年10月29日 10:25
