安全仪表系统及其功能安全

,QDRISE 2008,版权所有,No.2008-PPT-001,安 全 工 程 研 究 院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,安全仪表系统及其功能安全,一、平安仪表系统二、功能平安三、国内外进展四、SIL等级确定与评估五、前期工作六、石油化工行业功能平安现状七、下一步方案,一、平安仪表系统,一相关概念,平安相关系统SRS Safety Related System,用于平安目的的系统称之为平安相关系统。平安相关系统的作用是监视生产过程的状态，在出现危险条件时采取相应措施，防止危险发生或者减轻危险造成的后果，防止潜在风险对人身、设备、环境造成伤害。平安相关系统在工业生产和日常生活中随处可见，如平安帽、平安阀、紧急停车系统、汽车的平安气囊等等。,平安仪表系统SIS Safety Instrumented System,-紧急停车系统ESD,-火/气保护系统F&G,-平安联锁系统SIS,-燃烧炉控制系统BMS,-高压保护系统HIPPS,-,平安仪表系统是静态的、被动的，不需要人为干预。在危险情况出现时必须能够由静变动，正确完成其功能。,平安仪表系统设计目标正确的功能和良好的可靠性。,根本过程控制系统BPCS Basic Process Control System,-基于DCS,-基于PLC的监控系统,-基于SCADA,-基于常规仪表控制系统,-,根本过程控制系统是活动的、动态的，需要人工频繁的干预。使生产过程的温度、压力、液位、流量等工艺参数维持在规定的范围之内，以保证产品的产量与质量。,平安仪表功能SIF,Safety Instrumented Function,-每个SIF针对特定的风险,-每套SIS可以执行多个SIF,-平安功能和平安仪表功能,-危险出现时，要求SIS正确执行对应的SIF,二作用,监视生产过程的状态，在出现危险的条件时，自动执行其规定的平安仪表功能，防止危险事件发生，或减轻危险事件造成的影响。,平安仪表系统在保护层中的位置,层次,名称,说明,第一层,过程设计,过程设计中实现本质安全工厂,第二层,基本过程控制系统（BPCS）,如DCS，以正常运行的监控为目的,第三层,区别于BPCS的重要报警,操作员介入需要有一定的必要余度时。,第四层,安全仪表系统 （SIS）,系统自动地使工厂安全停车。,第五层,物理防护层（一）,安全阀泄压、过压保护系统,第六层,物理防护层（二）,将泄漏液体局限在局部区域的防护堤,第七层,工厂内部紧急应对计划,工厂内部的应急计划,第八层,周边区域防灾计划,周边居民、公共设施的应急计划,1,保护层模型 （洋葱模型）,社区紧急响应,全厂紧急响应,物理防护(防护堤),物理防护(释放设备),SIS自动动作,关键报警, 操作员监控, 人工干预,基本控制, 工艺报警, 操作员监控,工艺,设计,LAH,1,I,LOPA,Layer of,protection analysis,减轻,预防,SIS,BPCS,三标准定义 关键词：平安功能 传感器 逻辑运算器 执行元件,ANSIISA S84.011996 Application of safety instrumented systems for the process industries,由传感器、逻辑控制器及终端元件组成的系统，其目的是出现故障时，将过程处于平安状态。,SH/T 3018-2003石油化工平安仪表系统设计标准,用仪表实现平安功能的系统。系统包括传感器，逻辑运算器，最终执行元件及相应软件等。,IEC61511GB/T20219Functionalsafety:safetyinstrumentedsystemsfor theprocessindustrysector,用来完成一个或多个平安仪表功能的仪表系统。平安仪表系统由传感器，运算器和最终元件组合而成。,二、功能平安,一典型事故,印度博帕尔(BHOPAL),1984年12月3日,剧毒气体泄漏:异氰酸甲酯 Methyl Isocyanate,联碳(印度)有限公司,泄漏气体：异氰酸甲酯 Methyl Isocyanate,6套平安系统无一起作用, 3000 人因吸入剧毒气体死亡(41吨), 500,000 人受到影响,没有逃生方案,由于没有觉察和准备、没有承受培训，应急响应失效, 20,000 人死亡, 120,000 人仍然遭受疾病困扰,化工厂最为严重的事故,2005,年,8,月, +20,000,人因此死亡,1994年7月,英国Millford炼厂Shell,20吨可燃气体泄漏从火炬放空罐,爆炸相当于4吨烈性炸药,26 人伤亡,$75 00万重建,$320,000 罚金和 $200,000 诉讼费,2004年7月30日,GAS transport气体输送- 比利时, HIMA 2021,气体管线爆炸,Gellingen-比利时,24 人死亡,132 人受伤,平安系统已经发现泄漏，提示停,影响后续电厂，当地市区30%电力,坚持运转，七人一组寻找漏点,一组找到漏点，恰逢燃爆，当场全部死亡,仅有平安系统是不够的,2005年10月10日,英国Buncefield储油终端爆炸和火灾事故,爆炸和大火从2005年12月11日早6点开场，直至13日的下午才完全扑灭。,共有8人遇难和43人受到严重伤害。,希思罗机场Heathrow Airport30的航空用油由该油库供给。,由于其中通讯公司设施的损坏，影响了大范围互联网用户的业务。,由于大量泡沫灭火剂的使用，对地下水构成了威胁。,由于对公众的伤害，导致了大量的法律诉讼，即使到2021年6月，仍有与该事故有关的诉讼案件在法院开庭。,2005年10月10日晚7时，开场向912储油罐输入无铅汽油。午夜时分，对储罐的液位进展检查，没有发现异常。11日凌晨3时左右，912罐的液位不再变化，但此时仍在以550m3/h的流量泵入汽油。计算说明，在5时20分储罐冒顶并开场溢出，到6时爆炸发生前的40分钟，大约有300吨汽油从罐壁流向地面。在罐的周围有半封闭的围堰，溢流出的汽油拦在了围堰内，但在油面形成了1到2米厚的油气云团，并向四周扩散。没有证据找出准确的点火源，不排除应急发电机和消防泵系统。,1988年7月6日,Piper Alpha采油平台意外事故,西方石油Occidental Petroleum,Piper Alpha采油平台投产于1976年，起初只生产石油。到1980年代，增加了天然气开采。通过海管将油气输送Flotta石油终端。在Piper Alpha平台的周围，还有Claymore平台、Tartan平台，以及天然气处理平台MCP-01。Piper Alpha平台日产原油12.5万桶，是北海油田生产量最大的平台，油气产量占北海油田的10左右。爆炸和火灾意外事故时，共有226人在平台上。Piper Alpha平台被爆炸和大火摧毁，共导致167人丧生，合计保险损失34亿美元。,平台上有2-G-100A和2-G-100B两台LPG凝液泵，在泵的 出口各装有一个平安阀，PSV504和PSV505。 对A泵进展检修， B泵维持生产。另一张检修工作票对PSV504平安进展校验 。,发生爆炸时，因防火墙当初按照火灾而非爆炸设计，碎片又摧毁了一些凝液管道，引发火灾。,自动灭火系统正处于手动启动状态。,控制室失去功能，播送系统不能发布撤退指令；大火阻止了前往救生艇的通路。,Piper Alpha处于灾难之中时，Claymore和Tartan仍通过海管向其泵入油气。操作规程不允许轻易地停产，停车本钱非常高。,从1988年到1990年，通过对事故的调查和研究，给出了106条建议，改进生产的操作规程和平安管理程序。,2005年12月13日,中国石油吉林石化分公司双苯厂爆炸,相关信息,位置: 吉林市,日期: 2005年11月 13日,因操作工违反操作规程在预热器停顿进料后没关闭加热蒸汽阀门、重新进料时又先翻开蒸汽阀门而引发的一起爆炸事故。,后果: 8 死,1重伤,59轻伤,直接经济损失6908万,松花江水污染,工艺技术标准,44.1%,安装 &开车,5.9%,操作 & 维护,14.7%,基于英国调查的34起事故, HSE,更改,20.6 %,设计 & 工程实施,14.7 %,典型事故说明：几乎所有事故都与平安,仪表系统有关，必须重视平安仪表系统的设,计，并保证其平安功能的可靠执行。仅有平安仪表系统是不够的，要有正确的理念和管理。,技术措施+管理措施,二根本概念,平安功能：是指针对特定的危险事件，为到达或保持过程的平安状态，由平安仪表系统SIS、其他技术平安相关系统或外部风险降低设施实现的功能。,功能平安：与过程和根本过程控制系统BPCS有关的整体平安的组成局部，它取决于平安仪表系统SIS和其他保护层的正确行使职能。,如果 SIS 本身的随机、公共原因和系统故障没有使其所执行的平安功能失效，没有造成人员伤亡，未引起外溢污染环境，没有毁坏关键设备，SIS就做到了功能平安。,平安功能：正确,功能平安：可靠,三功能平安标准,IEC61508 Functional Safety of electrical / electronic / programmable electronic safety related systems. (2000,GB/T20438 电气电子可编程电子平安相关系统的功能平安2006,IEC61511Functionalsafety:safetyinstrumentedsystemsfor the,processindustrysector (2003),GB/T21109 过程工业领域平安仪表系统的功能平安2007,IEC61508 和 IEC61511的应用范围,IEC 61508,功能平安的通用标准,IEC 61511,面向应用的过程工业的功能平安标准,IEC61508 针对过程工业的补充,考虑过程工业的整体平安生命周期,制造商和设备供货方,IEC61508,SIS 设计人员 集成商 和最终用户,IEC61511,过程工业,安全仪表系统,(SIS),标准根底：,DIN V 19250 (1994) ?控制技术，测量和控制设备必须考虑的根本平安?，规定平安相关系统必须满足一定的平安等级AK1至8级， 与其使用对象的风险分析级别对应。世界上第一个工业平安设备分级标准。,DIN V VDE0801 ?平安相关系统的计算机原理?，确定了专门的措施用于评估PES，解决设计、编码、执行和综合、确认等问题。功能平安的概念也由此产生。DIN V VDE 0801提供了一种确定PES满足DIN V 19250级别的方法。,ISA S 84.011996 ?过程工业平安仪表系统的应用?，第一次提出了平安完整性水平简称SIL的概念，它是衡量一个系统平安性可靠性和完整性的综合指标。,TV (1984),DIN V 19250 / VDE V 0801,(,德国,),风险分级,1989,安全系统要求,不同国家各自的标准,ANSI / ISA S84.01 (,美国,) 1996,安全实施程序,安全生命周期,NFPA / UL1998,IEC 61508 1998-99,完整的安全生命周期,安全计划安全管理,安全完整性等级,SIL,安全系统的诊断要求,安全系统的结构和可靠性,功能平安标准,IEC,6 1 5 0 8,IEC 61800,电子设备,IEC 61513,核电,EN50126,铁路,IEC 60601,医药,IEC 62061,机械,EN 50156,熔炉,IEC 61511,过程工业,IEC 61508,IEC61508 平安防护神,规范错误,设计和实施失效,安装和开车错误,操作和维护错误,更改错误,随即硬件失效,四特点,-功能平安是以基于风险的方法，用平安系统功能的可靠执行来保证平安。,-功能平安技术标准研究的对象是平安系统。,-功能平安是通过适宜的技术与管理措施，把平安系统的整体风险控制在要求的目标之内。,-功能平安是平安科学与工程、控制科学与工程的穿插学科。,IEC61508标准，解决了困扰多年的对复杂平安系统功能平安保障的理论与实践问题，实现了平安技术和管理理论的一大突破。,IEC61508/61511标准最鲜明的思路是：,-采用基于危险和风险分析的方法，确定电气、电子、可编程电子平安系统的“平安功能和“功能平安的要求和量化指标。,-采用平安生命周期的架构，使各组织机构、部门、人员以及各阶段的工作纳入完整的、无缝衔接的统一体系。,-它把功能平安管理纳入平安生命周期，最大限度地防止系统性失效造成的整体平安性降低。,五两个重要概念,-平安完整性等级SILSafety Integrity Level：在规定的条件下，规定的时间内平安相关系统成功完成所要求的平安功能的可能性。也就是在要求平安系统动作时其功能失效概率的倒数。,安全完整性,等级,（SIL）,低要求操作模式,在要求时执行其设计功能要求的平均失效概率（PFD）,安全有效性,(safety availability),目标风险降低,RRF,4,10-5且10-4,99.9999.999,10000-100000,3,10-4且10-3,99.999.99,1000-10000,2,10-3且10-2,9999.9,100-1000,1,10-2且10-1,9099,10-100,PFD=Probability of Failure on Demand,平安功能动作的频率低于每年一次的称为低要求操作模式;对平安功能的要求动作频率高于每年一次称为高要求(连续)操作模式。低要求操作模式是化工工业中最普遍的模式;高要求操作模式在制造加工业和航空工业中比较普遍。,SIL代表着平安仪表系统使过程风险降低的数量级,风险概率 = 危险事件发生概率平安系统要求其动作时功能失效概率。可见风险概率是低于危险事件发生概率的，因此说要求其动作时功能失效概率可以反映平安系统带来的整体风险概率的降低。风险是风险概率和后果严重程度的组合，所以风险概率下降程度就是风险下降的程度。因此，平安完整性等级反映了整体风险水平的降低。,SIL是平安系统的核心,平安系统的设计、安装、检验评估、维护都是围绕着SIL来进展的。,SIL成为领域内合同的必备条款,平安要求包括：平安功能平安仪表功能SIF,平安完整性等级 SIL,功能平安技术标准： 在整个平安生命周期内，通过一系列的技术措施和管理措施保证到达所要求的平安完整性水平SIL。,-平安生命周期 SLCSafty Life Cycle,平安系统整体的平安生命周期是指从其概念提出开场经历假设干中间阶段一直到平安系统停用， 包括了为到达平安完整性水平SIL而进展的一切活动。,平安生命周期是IEC61508的重要根底，用系统的方式建立的一个框架 , 用以指导平安系统的设计和评价。整体平安生命周期包括了系统的分析、设 计、安装、确认、操作、维护、停用等等诸多方面，关于每一方面标准都要求建立相应的文档以及平安标准。系统还可以根据实际中应用的效果来进展修改，甚至是从头开场重来。,SIL要求,SIL设计,SIL保持,分析阶段SIL 要求 -风险分析,-SIF确认,-SIL选择,实现阶段SIL 实现 -设计,-安装,-调试,运行阶段SIL 保持 -运行,-维护,-修改,整体平安生命周期是功能平安管理中的一个重要框架,为功能平安管理提供一个系统的方法。,平安完整性水平贯穿于平安系统开发的始终。平安完整性水平不仅是平安系统平安性能的度量标准,而且是平安系统生命周期中的主线。,三、SIL等级确定与评估,残余风险,允许风险,原始风险,风险增加,必要的风险降低,实际的风险降低,被安全仪表系统覆盖的部分风险,被其他技术安全相关系统覆盖的部分风险,被外部风险降低设施覆盖的部分风险,所有安全系统和外部风险降低设施所获得的风险降低,风险和平安完整性概念,外部风险降低设施,E/E/PE安全相关系统,其他技术安全相关系统,EUC和EUC控制系统,必要的风险降低,外部风险降低设施安全完整性和与必要的风险降低匹配的安全相关系统,允许风险目标,平安仪表功能的SIL等级确定方法,保护层分析法LOPA,保护层分析法LOPA利用危险和可操作性分析HAZOP辨识的数据，量化原因和后果的等级，通过风险图计算危险。这样就能确定风险降低的总量以及是否需要进一步降低所分析的风险。如需附加的风险降低以一个平安仪表功能SIF的形式提供这种降低，LOPA可以确定所需的平安完整性等级SIL。,风险矩阵法,风险矩阵是基于分类的方法。首先应该为风险的后果和可能性制定分类。如后果可分为“较轻、“严重和“重大,可能性分为“低、“中等和“高。后果和可能性分别构成矩阵的一个坐标(行、列) ,同时每一个矩阵元素为一个平安完整性水平。,风险图,风险图方法也是定量和基于分类的。风险的允许水平蕴含在风险图的构造中风险图分析使用4个参数来确定平安完整性水平：后果C、处于危险区域的时间F、避开危险的概率P和要求率W。,平安完整性等级SIL评估技术,-概率计算法,利用工业产品可靠性数据库获得设备、仪器仪表的失效概率，依据联锁回路中的设备和仪表，对系统发生失效的概率进展计算，从而获得SIF的平安完整性等级SIL。,-事故树分析法,采用自上而下的方法识别系统故障，借助概率计算法可获得系统的失效概率。,-马尔科夫过程分析,利用马尔科夫过程分析平安仪表系统平安性随时间的开展关系，判断平安仪表系统的可靠性及寿命。,平安仪表系统 SIS 是装置最重要的保护层，一旦失效，会造成不可估量的损失。设计的目标既要保证平安仪表系统执行正确的功能 SIF ，又要具有良好的可靠性 SIL 。平安完整性等级是平安仪表系统可靠性能的衡量标准，是整个平安仪表系统生命周期的主线，其选择应该恰到好处，过高造成本钱损失，过低会使风险不可承受。,四、国内外进展,一国外,11994年, DIN V 19250/ DIN V VDE0801,31998年，IEC61508，于1998年发布其第1、3、4和第5局部，2000年发布其第2、6和第7局部,42003年，IEC61511,52004年，EN IEC61511CENELEC CENELEC欧洲电气技术标准化委员会将IEC61511接纳为欧洲标准,世界著名的公司，如壳牌石油，道化学，美孚石油，新加坡石化公司等都通过应用该标准，取得了良好的社会、经济效果。,2001年，Shell 英壳牌石油公司GSIShell Global Solutions International B.V.就发布了企业内部应用标准“仪表保护功能的分类与实施、“仪表保护功能的管理，及 “ 仪表保护系统技术标准。,CNOOC-SHELL工程以及其他SHELL的国内工程都在不折不扣的执行其标准标准。,马来西亚国家石油公司PETRONAS 案例,-2000年对新建工程开场应用IEC61508/IEC61511；,-2000年以后逐步开场对在役装置评估，收效极为明显。,-经过内部培训，联合国家石油公司科学研究院对公司所有装置开展IPF研究。,新建装置/工程/重大改造：,1、开展HAZOP研究；,2、辨识SIS要求，确保对辨识危险进展防护；,3、SIS必须满足IEC61508/61511。,现役装置：,对照IEC61508/61511标准，审查是否符合。,如何保证SIS符合IEC61508/61511？,实施SIF或IPF研究。,1、对每一个SIF确定要求的SIL；,2、确保整个系统满足SIL要求；,3、确定每个SIF的检验周期；,4、文档化整个生命周期所有平安仪表管理方案。,某装置 X,SIF / IPF 研究,工厂可靠性改善,装置Y,SIF / IPF 研究,工厂可靠性改善,二国内,11999年， SHB-Z06-1999 ?石油化工紧急停车及平安联锁系统设计导那么?，采用了IEC标准中的一些理念。,3 2004年7月1日， SH/T3012-2003 ?石油化工平安仪表系统设计标准?，国家发改委公布实施了石油化工行业标准。,42004年，国家科技部组织机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、清华大学成立国家软科学方案工程课题组，工程编号:2004DGS1B010?利用功能平安技术标准保障我国经济平安的政策措施研究?，课题组建议，在我国实施功能平安标准战略是当务之急。国家应从组织管理、技术体系两大支柱，法律法规、政策策略、标准体系、中介效劳体系、产业与创新、国际合作等六个支撑要素共八个方面，分步建立我国功能平安保障体系。,5GB/T20438.1-2006 ?电气/电子/可编程电子平安相关系统功能平安?，IEC61508完整转换，于2006年7月发布，2007年1月1日实施。,6 GB/T21109.1-2007 ?过程工业领域平安仪表系统的功能平安?由IEC61511完整转换，于2007年10月11日发布，2007年12月1日实施。,7国家标准?石油化工平安仪表系统设计标准?初稿已经完成，8月审核，正在征求意见。预计2021年底发布。标准引入平安生命周期概念。,国内还处于起步阶段，需要业界的不懈努力。,五、前期工作,12007年下半年，开场调研国内外平安仪表系统现状与进展。,22021年5月，4人取得了TV认证功能平安工程师资格TV FSEng。,32021年4月开场12月，结合?上海石化PTA装置安稳运行技术研究?课题，对PTA装置平安仪表系统探索性地进展了SIL等级评估工作。,4编制中国石化平安仪表系统功能平安评估实施指南。,5研究国外著名石化企业仪表保护系统/仪表保护功能相关标准。,PTA装置平安仪表系统SIL等级评定主要内容：,1PTA装置HAZOP分析，危险识别和保护措施识别,2PTA装置LOPA保护层分析，确定每一个平安仪表功能的目标SIL值,3 收集平安仪表系统组成元件失效数据，计算实际能够到达的SIL,4目标SIL与实际SIL比较，提出改进建议,5确定平安仪表系统组成局部的检验周期,6估算平安仪表系统误停车率未开展,六、石油化工行业功能平安现状,虽然石油化工绝大多数装置大都采用平安仪表系统SIS，但在设计、集成、施工及维护管理诸环节却存在很大的问题，具体表达在：,-危险辨识和风险评估?经历、抄袭,-既没有SIL确实定，也没有SIL验证?,-平安仪表系统及其功能平安概念模糊?,-从业人员缺乏功能平安理念? 资质？,-重控制器，轻传感器和执行机构以及其他设备，缺乏平安完整性概念?,-集成和施工没有相关资质要求，没有相应的标准。因此无法保证所提供产品和效劳到达相关SIL要求。近期一些主要集成商开场重视标准的学习与实践以及人员认证。,-从业人员不清楚联锁回路目标SIL，更不清楚实际的SIL？,-平安仪表检验周期不明，混淆一般仪表处理？,-没有专门的检维修规程？,-停用与投用有些随意？,-,总之，功能平安理念不清，从设计到维护各个环节都缺乏科学有效的技术方法和管理。平安仪表系统目标、设计依据、实际状况、如何维护都不掌握。致使平安仪表系统不能保证全生命周期的平安完整性等级，达不到可承受风险水平。反而因平安仪表系统非方案停车明显增多，造成巨大的经济损失，产生一系列的平安问题。,七、下一步方案,应该说：平安仪表系统是石化装置降低风险最为有效的保护措施，是装置运行最为重要的保护层。但如何保证其正确、有效，任重道远。,1宣传培训,按照标准的要求，平安仪表系统从业人员必须承受相关知识的培训， 明确功能平安的相关概念和理念。这既是标准的要求，是企业的迫切需要，也是摆在我们面前一项重要工作。,方案：研讨班+培训班(分层次)，中国石化范围。,2根底研究和示范,消化吸收国际上功能平安的最新标准与先进技术，建立功能平安根底技术研究平台，开展功能平安核心技术研究，完善功能平安应用手段。,借助课题，首先进展SIL等级评定工作，熟练掌握标准的技术要求。其后逐步渗入到其他方面。,借鉴国外公司的实践，内外结合，提高熟练应用标准、为中国石化企业咨询效劳的能力。根据石化装置的特点，制定中国石化平安仪表系统功能平安评估应用指南和评估软件。,3推广应用,结合功能平安评估应用指南，按照生产装置类别、危险性状况，组织中国石化相关人员开展平安全仪表系统的功能平安评估工作。,4管理体系,制定符合中国石化的平安仪表系统功能平安标准、标准和管理制度，推行功能平安管理体系。,期望经过大家的努力，使石化装置平安仪表系统功能平安管理尽快与世界著名石油公司接轨。一方面可以使装置风险控制在可以承受水平内，另外可以大大降低装置的非方案停车，意义特别重大！相信这些新的科学的方法一定会对我国的平安生产起到极大的促进作用。,谢谢,谢谢观赏,