CN101414165A - 循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法。基于风险矩阵分析安全仪表系统的功能，确定所需的安全完整性SIL等级；采用马尔可夫建模方法计算原系统(1oo1)以及增设冗余装置后系统(1oo2)的SIL等级，验证改进后的系统是否达到所需的SIL等级。本发明的优点：1)采用风险矩阵确定系统需要的SIL等级，作为系统改进的依据，通用性好、直观易懂，便于建立文档和日常维护；2)通过马尔可夫模型计算原系统和增设冗余装置后系统的SIL等级，既能反映设备之间的静态关系又能反映系统的动态变化，且可靠性的定量分析精度高；3)采用马尔可夫建模方法计算系统的SIL等级，不受设备之间依赖关系的影响，模型可包括设备的多种失效模式，且一次建模可求得多个可靠性指标，如PFS、MTTFS、PFD、MTTFD。
Description
技术领域
本发明涉及循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法，尤其是指一种基于风险矩阵和马尔可夫建模的安全完整性等级的分析与设计方法。
背景技术
石油化工行业中的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和调整油品结构的重要手段。加氢裂化装置是以减压蜡油为原料，经过加氢脱硫、脱氢、烯烃饱和以及加氢裂化反应，生产轻石脑油、喷气燃料等各种优质产品。装置在一些重点部位：如新氢压缩机、循环氢加热炉、高压进料泵、冷高压分离器等部分配设了安全仪表系统(SIS)来实现各种安全仪表功能(SIF)，达到保护操作人员和生产设备的目的。整个装置采用DCS来进行生产过程控制，采用专用的逻辑控制系统处理整个装置的安全仪表功能的运算表决逻辑。本发明将以加氢裂化装置循环氢加热炉的燃气压力安全仪表功能为例，进行基于风险矩阵和马尔可夫建模的设计分析。
安全仪表系统SIS是独立于基本过程控制系统BPCS的安全控制系统。根据新的国际功能安全标准，在安全生命周期中需要测量SIS的可靠性以确保安全。为了确定SIS的可靠性，也就是确定其实现功能安全的能力，必须对石油化工等工业领域进行评估，确定其安全完整性等级SIL。
SIL是指一个描述安全仪表系统功能失效概率的指标，即在一定、一定条件下，安全相关系统执行其所规定的安全功能的可能性。
SIL的计算按BP GP 30～80的安全生命周期来划分可以包括需求计算和评估计算两种。需求计算是针对工艺过程和基本过程控制系统以及一般的保护层计算，分析工艺过程以及控制系统可能存在的一些风险因素，然后考虑一般保护层是否能够满足生产可容忍的风险，如果一般保护层能够满足需求，则无需考虑SIS；如果不能满足，则确定所需SIS的SIL，然后进行设计。评估计算是针对设计完成或已经投入使用的SIS，确定其实现安全功能的能力，计算安全完整性等级，评价它是否满足设计要求和降低风险的要求。
常用的SIL计算方法，分为定量和定性2种方法，定性的方法如风险图等；而定量的方法如故障树分析法FTA，马尔可夫模型分析法(Markov Model)，事件树分析法ETA等。
由于手工建模和SIL计算常常费时费力，且容易出错，因此应用软件是十分必要的。目前对SIL计算的软件，如加拿大ACM自动化有限公司的SilCore软件，该软件利用的是风险图和保护层分析方法；还有德国HIMA的SILence软件，该软件主要特色是他们的逻辑控制单元均是自己公司的产品，包括H41q和H51q等，也可以创建自己的逻辑元件；还有Exida公司的exSILentiaTM单机版，该软件是新的综合型安全生命周期工具，集合了SIL选择认证，安全需求规范的功能。而国内目前这方面的软件大多采用故障树建模，发展还不是很成熟。障树建模的不足之处是可靠性的定量分析精度不高；一次建模只能获得一个可靠性指标，灵活性不够；不能反映系统从启动到失效再到正常运行的一系列动态变化。
风险矩阵是一种定量分析方法，安全仪表失效时的后果和可能性，分别对应构成风险矩阵的二维坐标的横坐标x和纵坐标y，风险矩阵的每一个元素则对应一个SIL等级。
马尔可夫建模方法依据国际标准IEC61508，给出了相应的计算公式，最终实现了对SIL的评估计算。马尔可夫模型有两种。一种是离散时间马尔可夫模型，在随机过程理论上被称为马尔可夫链；另一种连续时间马尔可夫模型，在随机过程理论上称为马尔可夫过程。马尔可夫过程可以理解为马尔可夫链的离散时间增量趋于零。离散时间马尔可夫模型便于通过计算机进行计算；连续时间马尔可夫模型在多状态复杂系统下求解状态转移矩阵比较困难。一些文献中有求解马尔可夫模型的方法，其中一些并不适用于安全仪表系统。安全仪表系统具有周期性的功能测试和维修，所以求解PFD平均值并不合适，求解离散时间上的PFD平均值更加准确和方便。
马尔可夫模型比其他的一些可靠性模型具有更高的灵活性。在一张可靠性转移图上不但可以反映多种失效模式，还可以体现出整个系统的故障容忍能力。对于不同的失效可以建模不同的维修率。马尔可夫模型状态转移图中还可以看出与系统失效所对应的设备失效序列。求解马尔可夫模型的方法有很多，工程上采用一种离散时间矩阵相乘的方法非常有效和方便。首选选择一个时间间隔Δt作为基本的时间单位，状态的转移概率等于失效概率或者维修率与时间间隔的乘积(λΔt或μΔt)。时间间隔越小，模型解的精度越高。状态转移图上可以省略Δt。从马尔可夫状态转移图可以得到状态转移矩阵P，它是一个方阵。矩阵元素表示个状态之间的转移概论。用一行向量表示系统的初始状态S0。它乘以P便得到经过一个Δt后系统处于各状态的概率。经过n个时间间隔后系统处于各状态的概率等于S0×Pn 。
发明内容
本发明的目的是提供一种循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法。
循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法包括如下步骤：
1)基于风险矩阵分析安全仪表系统发生失效时的可能性和对人员重伤、环境污染、经济损失造成的后果，确定所需的安全完整性SIL等级；
2)采用马尔可夫建模方法计算原系统传感器以及增设冗余装置后系统传感器的安全失效率、平均危险失效率和SIL等级；
3)采用马尔可夫建模方法计算原系统执行器以及增设冗余装置后系统执行器的安全失效率、平均危险失效率和SIL等级；
4)根据步骤2)、步骤3)计算出的传感器、执行器的安全失效率、平均危险失效率验证增设冗余装置后安全仪表系统的传感器、逻辑控制器、执行器是否达到所需的SIL等级。
所述的基于风险矩阵分析安全仪表系统发生失效时的可能性和对人员重伤、环境污染、经济损失造成的后果，确定所需的安全完整性SIL等级步骤：风险矩阵是一种定量分析方法，循环氢加热炉安全仪表失效时的后果和可能性分别对应构成风险矩阵的二维坐标的横坐标x和纵坐标y，风险矩阵的每一个元素则对应一个SIL等级。
所述的采用马尔可夫建模方法计算原系统传感器的SIL等级，以及增设冗余装置后系统传感器的SIL等级步骤：马尔可夫建模方法是一种定性分析方法，利用马尔可夫建模方法计算传感器的状态转移图，根据状态转移图计算传感器的状态转移矩阵，根据初始状态向量、状态转移矩阵和测试时间间隔计算出传感器的安全失效率和平均危险失效率，根据传感器的平均危险失效率计算出传感器的SIL等级。
所述的采用马尔可夫建模方法计算原系统执行器的SIL等级，以及增设冗余装置后系统执行器的SIL等级步骤：马尔可夫建模方法是一种定性分析方法，利用马尔可夫建模方法计算执行器的状态转移图，根据状态转移图计算执行器的状态转移矩阵，根据初始状态向量、状态转移矩阵和测试时间间隔计算出执行器的安全失效率和平均危险失效率，根据执行器的平均危险失效率计算出执行器的SIL等级。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
通过基于风险矩阵和马尔可夫模型的循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的分析与设计方法，基于风险矩阵分析安全仪表系统的功能，确定所需的安全完整性SIL等级；采用马尔可夫建模方法计算原系统(loo1)的SIL等级，以及增设冗余装置后系统(loo2)的SIL等级，验证改进后的系统是否达到所需的SIL等级。采用风险矩阵分析安全仪表系统的功能，通用性好、直观易懂，不同场合只需改变系统失效时的后果和可能性，较好地表达了SIL分配的基本原理，便于建立文档和日常维护；马尔可夫建模方法既能反映设备之间的静态关系又能反映系统的动态变化，能够反映系统从启动到失效再到正常运行的完整的事件序列，有利于深入了解系统的变化规律，可靠性的定量分析精度高；同时模型不受设备之间的依赖关系的影响，其计算量主要取决于系统的状态，因此可以获得更好的计算精度；马尔可夫建模方法能够计算设备的多种失效模式，一次建模可求得多个可靠性指标，如PFS、MTTFS、PFD、MTTFD等，可以多角度反映系统的安全仪表功能。
附图说明
图1是改进前的循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统；
图2是改进后的循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统；
图3(a)是选择马尔可夫模型建模方法对改进后的系统进行验证；
图3(b)是根据改进后的系统选择冗余结构；
图4是完成loo2结构配置传感器的SIL计算并生成相应的状态转移图；
图5是完成loo2结构配置执行器的SIL计算并生成相应的状态转移图。
具体实施方式
循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法包括如下步骤：
1)基于风险矩阵分析安全仪表系统发生失效时的可能性和对人员重伤、环境污染、经济损失造成的后果，确定所需的安全完整性SIL等级；
2)采用马尔可夫建模方法计算原系统传感器以及增设冗余装置后系统传感器的安全失效率、平均危险失效率和SIL等级；
3)采用马尔可夫建模方法计算原系统执行器以及增设冗余装置后系统执行器的安全失效率、平均危险失效率和SIL等级；
4)根据步骤2)、步骤3)计算出的传感器、执行器的安全失效率、平均危险失效率验证增设冗余装置后安全仪表系统的传感器、逻辑控制器、执行器是否达到所需的SIL等级。
所述的基于风险矩阵分析安全仪表系统发生失效时的可能性和对人员重伤、环境污染、经济损失造成的后果，确定所需的安全完整性SIL等级步骤：风险矩阵是一种定量分析方法，循环氢加热炉安全仪表失效时的后果和可能性分别对应构成风险矩阵的二维坐标的横坐标x和纵坐标y，风险矩阵的每一个元素则对应一个SIL等级。
所述的采用马尔可夫建模方法计算原系统传感器的SIL等级，以及增设冗余装置后系统传感器的SIL等级步骤：马尔可夫建模方法是一种定性分析方法，利用马尔可夫建模方法计算传感器的状态转移图，根据状态转移图计算传感器的状态转移矩阵，根据初始状态向量、状态转移矩阵和测试时间间隔计算出传感器的安全失效率和平均危险失效率，根据传感器的平均危险失效率计算出传感器的SIL等级。
所述的采用马尔可夫建模方法计算原系统执行器的SIL等级，以及增设冗余装置后系统执行器的SIL等级步骤：马尔可夫建模方法是一种定性分析方法，利用马尔可夫建模方法计算执行器的状态转移图，根据状态转移图计算执行器的状态转移矩阵，根据初始状态向量、状态转移矩阵和测试时间间隔计算出执行器的安全失效率和平均危险失效率，根据执行器的平均危险失效率计算出执行器的SIL等级。
实施例
如图1所示，改进前的安全仪表系统包括传感器、逻辑控制器、执行器组成。传感器部分包括压力变送器PT3108，隔离式安全栅PBI3108，报警设定器PA3108。压力变送器检测出燃气压力，信号经过安装在控制室内的安全栅后到报警器，报警设定器将信号分成两路：一路模拟流量信号去DCS系统，参与过程控制；一路开关量信号去逻辑控制器，参与安全仪表功能控制。逻辑控制器选用专用的安全PLC系统。经逻辑运算处理后输出的开关信号传送到现场的电磁阀，电磁阀通过气路的改变使调节阀关闭，切断燃料气。从整个信号的流向可以看出，安全仪表功能的传感、逻辑、执行这三个部分是串联关系，任何一个环节出现故障都会导致安全仪表功能失效。从功能安全的角度来看，这两个执行也为串联关系。
表1 (a)人员安全控制风险矩阵
表1 (b)环境安全控制风险矩阵
表1 (c)经济损失控制风险矩阵
如表1(a)(b)(c)所示，用风险矩阵对循环氢加热炉的燃气压力安全仪表功能进行分析，循环氢加热炉安全仪表失效时的后果和可能性分别对应构成风险矩阵的二维坐标的横坐标x和纵坐标y，风险矩阵的每一个元素则对应一个SIL等级。根据3个风险矩阵选择不同方面的SIL水平，选择其中最高的SIL对风险进行控制。结合若无安全仪表系统的保护时燃料气总管压力过低时导致的后果和事故发生的概率，确定出该安全仪表功能的应该达到的安全完整性水平，其过程如下：
(1)安全仪表功能失效导致的人员重伤1-2人，对应表1(a)，得出从人员安全方面考虑，该安全仪表功能需达到SIL b。
(2)安全仪表功能失效导致的一次环境污染可能造成公司级事故，对应表1(b)，得出从环境安全方面考虑，该安全仪表功能需达到DCS级。
(3)安全仪表功能失效导致的经济损失为1200万元，对应表1(c)，得出从经济损失方面考虑，该安全仪表功能需达到SIL 2。
(4)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SIL2，以降低该压力系统的风险水平。
如图2所示，为改进后的循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统。根据马尔可夫建模方法计算出原系统的SIL等级为SIL1，若要应用于SIL2的场合，则必须对该安全仪表功能进行改进，其中传感器和执行器的冗余配置采用二取一表决逻辑(loo2)，即该安全仪表系统包括2个变送器、2个安全栅、2个报警设定器，1个逻辑控制器，2个电磁阀、2个切断阀。
如图3、4所示，我们用马尔可夫建模方法计算安全仪表系统传感器模块(loo2)的安全失效率PFSloo2传感器、平均危险失效率PFDavgloo2传感器和SIL等级，最后结合逻辑控制器和执行器部分的平均危险失效率PFD来验证增加冗余装置后的系统是否达到SIL2等级。
表2 失效率数据
loo2结果的状态转移矩阵为
根据表2的失效率数据，我们计算得loo2传感器部分的状态转移矩阵P为
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 0 | 0.9999957 | 0.0000000 | 0.0000014 | 0.0000029 | 0.0000000 | 0.0000000 |
| 1 | 0.1250000 | 0.8749978 | 0.0000000 | 0.0000015 | 0.0000007 | 0.0000000 |
| 2 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.9999957 | 0.0000015 | 0.0000000 | 0.0000007 |
| 3 | 0.0416667 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.9583333 | 0.0000000 | 0.0000000 |
| 4 | 0.1250000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.8750000 | 0.0000000 |
| 5 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 1.0000000 |
其中loo2传感器起始状态向量S0＝[1 0 0 0 0 0]
表示起始时刻系统处于0的概率为1，其他各元素分别对应系统处于状态1，2，3，4，5的概率。
假设传感器的测试时间间隔为1年，则loo2传感器1年(8760h)的PFD和PFS可以通过以下得到：
PFSloo2传感器＝S0P8760[0 0 0 1 0 0]＝6.93×10-5
PFDavgloo2传感器＝S0P8760[0 0 0 0 1 1]＝1.95×10-4
SIL＝-logPFDavgloo2传感器＝3
如图3、5所示，我们用马尔可夫建模方法计算安全仪表系统执行器器模块(loo2)的安全失效率PFSloo2执行器、平均危险失效率PFDavgloo2执行器和SIL等级，最后结合逻辑控制器和传感器部分的平均危险失效率PFD来验证增加冗余装置后的系统是否达到SIL2等级。
根据表2的失效率数据，我们计算得loo2执行器部分的状态转移矩阵P为
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 0 | 0.9999795 | 0.0000057 | 0.0000057 | 0.0000090 | 0.0000000 | 0.0000001 |
| 1 | 0.1250000 | 0.8749924 | 0.0000000 | 0.0000046 | 0.0000030 | 0.0000000 |
| 2 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.9999924 | 0.0000046 | 0.0000000 | 0.0000030 |
| 3 | 0.0416667 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.9583333 | 0.0000000 | 0.0000000 |
| 4 | 0.1250000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.8750000 | 0.0000000 |
| 5 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 0.0000000 | 1.0000000 |
其中loo2执行器起始状态向量S0＝[1 0 0 0 0 0]
表示起始时刻系统处于0的概率为1，其他各元素分别对应系统处于状态1，2，3，4，5的概率。
假设执行器的测试时间间隔为1年，则loo2执行器1年(8760h)的PFD和PFS可以通过以下得到：
PFSloo2执行器＝S0P8760[0 0 0 1 0 0]＝2.157×10-4
PFDavgloo2执行器＝S0P8760[0 0 0 0 1 1]＝8.59715×10-4
SIL＝-logPFDavgloo2执行器＝3
逻辑控制器的
PFS控制器＝3.68×10-7
PFDavg控制器＝1.45×10-5
则改进后整个安全仪表功能的安全失效率和平均危险失效率分别为：
PFSSIF＝PFSloo2传感器+PFS控制器+PFSloo2执行器
＝6.93×10-5+3.68×10-7+2.157×10-4
＝2.85×10-4
PFDavgSIF＝PFDavgloo2传感器+PFDavg控制器+PFDavgloo2执行器
＝1.95×10-4+1.45×10-5+8.59715×10-4
＝1.069×10-3
则改进后整个安全仪表功能的SIL等级
SIL＝-logPFDavgSIF＝2
满足设计系统的要求。
Claims (4)
1.一种循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
1)基于风险矩阵分析安全仪表系统发生失效时的可能性和对人员重伤、环境污染、经济损失造成的后果，确定所需的安全完整性SIL等级；
2)采用马尔可夫建模方法计算原系统传感器以及增设冗余装置后系统传感器的安全失效率、平均危险失效率和SIL等级；
3)采用马尔可夫建模方法计算原系统执行器以及增设冗余装置后系统执行器的安全失效率、平均危险失效率和SIL等级；
4)根据步骤2)、步骤3)计算出的传感器、执行器的安全失效率、平均危险失效率验证增设冗余装置后安全仪表系统的传感器、逻辑控制器、执行器是否达到所需的SIL等级。
2.根据权利要求1所述的一种循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法，其特征在于所述的基于风险矩阵分析安全仪表系统发生失效时的可能性和对人员重伤、环境污染、经济损失造成的后果，确定所需的安全完整性SIL等级步骤：风险矩阵是一种定量分析方法，循环氢加热炉安全仪表失效时的后果和可能性分别对应构成风险矩阵的二维坐标的横坐标x和纵坐标y，风险矩阵的每一个元素则对应一个SIL等级。
3.根据权利要求1所述的一种循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法，其特征在于所述的采用马尔可夫建模方法计算原系统传感器的SIL等级，以及增设冗余装置后系统传感器的SIL等级步骤：马尔可夫建模方法是一种定性分析方法，利用马尔可夫建模方法计算传感器的状态转移图，根据状态转移图计算传感器的状态转移矩阵，根据初始状态向量、状态转移矩阵和测试时间间隔计算出传感器的安全失效率和平均危险失效率，根据传感器的平均危险失效率计算出传感器的SIL等级。
4.根据权利要求1所述的一种循环氢加热炉燃气压力安全仪表系统的设计方法，其特征在于所述的采用马尔可夫建模方法计算原系统执行器的SIL等级，以及增设冗余装置后系统执行器的SIL等级步骤：马尔可夫建模方法是一种定性分析方法，利用马尔可夫建模方法计算执行器的状态转移图，根据状态转移图计算执行器的状态转移矩阵，根据初始状态向量、状态转移矩阵和测试时间间隔计算出执行器的安全失效率和平均危险失效率，根据执行器的平均危险失效率计算出执行器的SIL等级。
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