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安全完整性等級在天然氣處理裝置中的應用

文檔作者：陳懷龍夏太武袁樹海王濤文檔來源： 1．中國石油大學(華東) 2．中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3．渤海石油裝備制造有限公司華油鋼管公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月28日
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538
石油與天然氣化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL ＆ GAS
安全完整性等級
在天然氣處理裝置中的應用
陳懷龍 夏太武 袁樹海。 王 濤。
(1．中國石油大學(華東) 2．中國石油西南油氣田公司天然氣研究院)
(3．渤海石油裝備制造有限公司華油鋼管公司)
摘 要 簡要介紹了天然氣處理裝置應用安全完整性等級評估的必要性，討論了安全完整性
評估的基本方法。選擇風險圖表法對SIL評估的過程作了詳細的論述，并形成了一種針對風險圖
表法的SII 評估流程。結(jié)合生產(chǎn)實例，展示了安全完整性等級評估的過程與結(jié)果。結(jié)果顯示：根
據(jù)有針對性的建議措施可以有效提高裝置的安全性和可靠性。
關(guān)鍵詞 安全完整性等級安全儀表系統(tǒng)安全儀表功能 風險圖表法
DOI：10．3969／j．issn．1007—3426．2O10．06．020
天然氣處理是指天然氣通過過濾、脫烴、脫硫、
脫碳、脫水等工藝，得到符合管輸標準的商品氣口]，
涉及有高溫高壓、易燃易爆的有毒介質(zhì)等工藝過程。
由于設計上可能存在不足和缺陷，若裝置建成投運
將會導致在裝置中存在各種潛在的安全隱患。安全
儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System：SIS)的設
計配置，是保障裝置工藝安全運行的重要措施之一。
但由于設計本身的局限，安全聯(lián)鎖控制方案的配置
是否合理，安全完整性等級是否符合相關(guān)的標準要
求，是裝置設計品質(zhì)的一項重要內(nèi)容。安全完整性
等級(Safety Integrity Level：SIL)評估是目前比較
有效的專業(yè)評估方法。本文從裝置的控制系統(tǒng)出
發(fā)，探討SIL評估在天然氣處理裝置中的應用。
過程中的SIL等級維持設計初衷不變，需要適時地
對其進行風險評估和檢驗。
按照標準GB／T 20438—2006(IEC61508) 的
要求，對于系統(tǒng)中需要作重點防護的設備或管線，可
以將其劃分為相互獨立的受保護設備(Equipment
Under Control，EUC)。設計中會為這些EUC配
置相應的安全防護措施，即安全儀表系統(tǒng)。而安全
儀表系統(tǒng)的防護等級是否滿足生產(chǎn)的工況條件和相
關(guān)標準的要求是SIL評估的目標。評估過程一般
分為三個階段：① 在不考慮安全防護措施的前提
下，確定EUC特征參數(shù)所需的SIL等級；② 驗證現(xiàn)
有SIS的SIL等級是否滿足系統(tǒng)需要；③ 對不能滿
足系統(tǒng)需要的SIS，提出整改建議和措施。
1安全完整性等級 2安全完整性等級評估方法
安全完整性等級是一組離散性參數(shù)，用來描述
安全儀表系統(tǒng)中安全儀表功能(Safety Instrumen—
ted Function：SIF)的安全完整性等級，共設置有
SIL 1～4級，其中SIL 最高，SIL1最低 ]。SIL等
級越高，相應的安全防護系統(tǒng)可靠性也越高。但高
可靠性的安全防護系統(tǒng)往往會帶來更多的軟、硬件
投資。此外，隨著安全儀表系統(tǒng)服役時間的加長，系
統(tǒng)硬件的可靠性也會隨之下降，要保證系統(tǒng)在使用
2．1確定SIL等級的方法
確定EUC參數(shù)控制的SIL等級，首先需要考
慮在沒有配置任何SIS的情況下，產(chǎn)生安全事故的
可能性和由此造成人員、環(huán)境、經(jīng)濟方面的損害或損
失，然后根據(jù)損害或損失程度，依據(jù)相關(guān)標準和可接
受風險準則確定參數(shù)控制所需的SIL等級。確定
SIL等級的方法有很多，標準GB／T 20438—2006
(IEC61508)、GB／T 2l109— 2007(IEC61511)[ ]規(guī)
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第3【)卷 第6期 安全完整性等級在天然氣處理裝置中的應用
定有：定量風險評估、風險圖表法(定性)、修正風險
圖表法(半定性)、風險矩陣法(定性)、安全保護層矩
陣法(定性)、保護層分析(半定量)等方法。文獻
I-5]、[6]和[7]就SIL在不同環(huán)境下的應用情況進
行了分析，并對SIL評估方法進行了討論，文中涉
及有風險矩陣法、風險圖表法、保護層分析法等，文
獻E8]論述了風險圖表法在天然氣場站中的應用。
實際上，定量／半定量的評估方法計算量非常大，而
且還受收集相關(guān)數(shù)據(jù)的準確性和完整性的影響，應
用得并不是很廣泛。風險圖表法作為一種定性的分
析方法，受收集資料的限制比較小，可以快速確定
EUC的SII 等級，因而應用得非常廣泛，本文對風
險圖表法在天然氣處理裝置上的應用進行了探討。
2．2用風險圖表法確定SII 等級
根據(jù)標準GB／T 20438．5—2006 ]，確定人員
損害后果的相關(guān)參數(shù)見表1。此外，在確定系統(tǒng)所
需的SII 等級時，還須考慮環(huán)境、經(jīng)濟的損失程度。
參數(shù) 分 類
后果c(按照人員的傷亡數(shù)確定區(qū)域內(nèi)對暴露人員造成的
危害)
c 對人員造成微小傷害
C。 對一人或多人造成嚴重永久傷害，死亡一人
Cs 幾人死亡
C 多人死亡
F(在危害區(qū)域中的頻率和暴露時間)
F- 很少至較多暴露在危險區(qū)域
F： 經(jīng)常至永久暴露在危險區(qū)域
P(避開危害事件的概率)
P。 在一定條件下可能
P： 幾乎不可能
w(不期望事件的發(fā)生概率)
wt 發(fā)生意外事件的概率非常小且只有很少事件發(fā)生
w： 發(fā)生意外事件的概率小且只有少量事件發(fā)生
ws 發(fā)生意外事件的概率相對高且頻繁發(fā)生事件
相應的風險圖如圖1所示。
再根據(jù)標準GB／T 20438．5—2006和GB／T
21109．3—2007l1。。中規(guī)定的等級對應表，即可確定
對應的SII 等級，如圖2所示。
根據(jù)評估對象的實際情況，按表1選出相關(guān)參
數(shù)，對比圖1、圖2，可得到系統(tǒng)所需的風險等級。
W 3
b
J
d
— —
f
曼．
h
圖1 風險圖
W
一連布安拿岳求
?
一 T沒有特殊安拿要求
sIL1 b 風險區(qū)域1
IL1 (低風險’
sI ；
-_lg -~E／E／ PE SRSm~
k
圖2 風險等級劃分圖
2．3 SII 評估流程
不同的評估方法，執(zhí)行的SII 評估流程都會有
些差別，而流程上的差別，在某種程度上也決定了該
種方法的優(yōu)勢和不足。綜合上述文獻所描述的分析
方法，筆者結(jié)合從事SII 評估的經(jīng)驗，提出了基于
風險圖表法的SII 評估流程。如圖3所示，SII 評
估流程包含了SII 評估的三個階段，為盡可能找出
裝置中不能滿足要求的SIS．降低或消除潛在危險
提供了一種更好的方法。
3 SII 在某天然氣處理裝置上01應用
3．1某天然氣處理裝置概述
某天然氣地面工程系統(tǒng)．下設第一處理廠和第
二處理廠，處理的天然氣主要來源于西集氣干線、東
集氣干線等。盡管該系統(tǒng)的工藝流程不很復雜，但
要求裝置長期連續(xù)運行。一旦發(fā)生大型事故，其政
治經(jīng)濟影響涉及面寬、影響范圍廣、損失嚴重。現(xiàn)以
第一處理廠的TEG吸收塔為例。
第一處理廠DCS(Distributed Control System：
集散型控制系統(tǒng))采用了Honeywell公司的PKS系
統(tǒng)，ESD(Emergency Shut Down：緊急停車)系統(tǒng)采
用了該公司的FSC 系統(tǒng)，F(xiàn)SC系統(tǒng)具備的功能
(1002D、2004D)可滿足AK 級及SII 級要求[1’ 。
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石油與天然氣化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS
開始
收集工藝＆儀表流程圖、SIS因果關(guān)系圖
是
確定評估范圍和目標
分析設計意圖
二二]二二二
I 劃分EUC
二二]二
選擇第一個EUC
所有EUC都分析了嗎?
識別相關(guān)的參數(shù)
所有的參數(shù)都分析了嗎?
否
是
I 1分析安全事故產(chǎn)生的后果：人
=苓 l笪主：墮 塑冬： 墮 釜
是
確定該控制參數(shù)所需的SIL等級
分析現(xiàn)有sIS系統(tǒng)
分析與受保護單元相關(guān)6~／BPCS、
系統(tǒng)報警，人工操作等
現(xiàn)有的SIs滿足所需的sIL等級?
制器交S署IL墨等 級l I羞盟莖盎莖鮑 §』 羹釜蓮叢翥! 足
蓊
一 一
否I
五 面
』統(tǒng)搬婺 人工操作等
I絲查l
圖3 SIL評估流程圖
如圖4所示，受控工藝介質(zhì)為油水混合物，從
9．5 MPa操作壓力下通過I VO1調(diào)節(jié)閥限流降至
0．6 MPa，然后進入TEG加熱再生的低壓系統(tǒng)，工
藝介質(zhì)壓降達8．9 MPa。從工藝操作安全方面考
慮，不允許9．5 MPa工藝介質(zhì)失控泄入設計壓力為
】．6 MPa的低壓系統(tǒng)，否則會造成低壓系統(tǒng)的設備
或管線嚴重超壓發(fā)生爆裂，引發(fā)嚴重的安全事故。
因此TEG吸收塔的低低液位成為一個重要的控制
參數(shù)，需要加強其控制系統(tǒng)的安全性。
3．2安全完整性等級評估過程
3．2．1砌定參數(shù)控制所；t}fl：J SlI 等級
確定參數(shù)控制所需的SII 等級需要從三個方
面來評估，即：人員、環(huán)境、經(jīng)濟。
脫 囪： 圖
水
吸
．塔收 j}
G<——w
圖4 TEG吸收塔液位控制回路圖
表1列出了事故發(fā)生后人員損害的評估參數(shù)。
由C(按照人員的傷亡數(shù)確定區(qū)域內(nèi)對暴露人員造
成的危害)、F(在危害區(qū)域中的頻率和暴露時間)、P
(避開危害事件的概率)、W (不期望事件的發(fā)生概
率)組成。從后果最嚴重的角度出發(fā)，根據(jù)該處理裝
置的規(guī)模和實際情況，可確定這幾個參數(shù)為：C。、
F 、P 、W 。按照圖1、圖2，可得到脫水塔液位控制
所需的安全完整性等級為SII 。
對環(huán)境造成的損害主要從工藝介質(zhì)泄露所造成
的危害作定性描述，對經(jīng)濟的損失程度主要參照裝
置分別在4 h、8 h和24 h產(chǎn)生的經(jīng)濟效益來劃分其
影響等級。對TEG 吸收塔而言，可確定在事故發(fā)
生后，環(huán)境、經(jīng)濟方面所需要的防護措施為SIL 。
按照選擇控制參數(shù)所需安全完整性等級最高的
原則，可確定TEG吸收塔低低液位控制所需的安
全完整性等級為SIL。。
：{．2．2驗證現(xiàn)仃SIS系統(tǒng)的sI1 等級
TEG吸收塔液位的現(xiàn)有控制措施見表2，設置
有低液位、低低液位報警和兩道保護措施。假設儀
表、控制系統(tǒng)的檢修周期為一年，應用風險圖表法，
可得到該液位聯(lián)鎖控制回路的SII 等級見表3。
序號 觸發(fā)器 控制器 執(zhí)行機構(gòu) 控制類型
1 LT01 DCS I．VO1 基本控制
2 LT02 ESD SDV01 聯(lián)鎖控制
在儀表控制系統(tǒng)的檢修周期內(nèi)，聯(lián)鎖控制回路
的SIL等級變化趨勢如圖5所示。
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第39巷第6期 安全完整性等級在天然氣處理裝置中的應用
觸發(fā)器 控制器 執(zhí)行器 系統(tǒng)
邏輯關(guān)系PFD 等級邏輯關(guān)系PFD 等級邏輯關(guān)系PFD 等級PFD 現(xiàn)有等級所需等級
1選1 8．08E-04 SII 3 1選1 5．52E一04 SIL3 1選1 1．61E一03 SILz 2．97E-03 SII，2 SIL
時間，h
圖5 SIL等級變化趨勢圖
3．3提高SII 等級的控制措施
從表3可以看出，原有SIS防護措施的安全等
級(SII !)達不到系統(tǒng)所需的(SII 。)等級，從驗證的
具體項目來看，主要是執(zhí)行機構(gòu)的SII 等級不夠
高，此外，觸發(fā)器的平均失效概率(PFD)雖然達到
SIL ，但PFD仍然比較高，對系統(tǒng)的SIL等級影響
較大。要提高該控制回路的SII 等級，需從提高液
位檢測與執(zhí)行機構(gòu)的SII 等級出發(fā)。最簡單的方
式可分2步：
(1)提高觸發(fā)器的SII 等級。兩路液位檢測供
控制系統(tǒng)實現(xiàn)2選1．作為切斷閥SDV01的控制信
號。且兩只液位變送器的供電都采用SIS系統(tǒng)的專
用電源。驗證、計算的SII 等級如表4所示。
(2)提高執(zhí)行器的SII 等級。將調(diào)節(jié)閥I V01
納入聯(lián)鎖控制，與切斷閥SDV01形成2選1的關(guān)
系。驗證、計算的SII 等級如表4所示。
觸發(fā)器
邏輯關(guān)系PFD
2選1 1．7OE—O5
控制器
等級邏輯關(guān)系PFD
SII 4 1選1 5．52E—O4
執(zhí)行器 系統(tǒng)
等級邏輯關(guān)系PFD 等級PFD 現(xiàn)有等級 所需等級
SIL3 2選1 4．97E一05 SII 6．19E一04 SII 3 SII 3
通過(1)、(2)的改進和完善，得到聯(lián)鎖控制回路
的SII 等級變化趨勢如圖6所示。
時間，h
圖6 改進后的s I L等級變化趨勢圖
一l結(jié)論-5建議
(1)根據(jù)SIL評估過程提出的建議措施，經(jīng)過
適當?shù)目刂品桨父脑?，將原來’SIS的安全完整性等
級SIL 提高到了滿足系統(tǒng)工況條件和相關(guān)標準要
求的SIL3；
(2)針對天然氣處理裝置，應用SII 評估，可以
準確識別出SIS的安全完整性等級中哪個環(huán)節(jié)存在
缺陷，并有針對性地提出技改和完善措施；
(3)天然氣處理裝置中的安全儀表系統(tǒng)隨著服
役時間的加長，其可靠性也會隨之下降，即安全完整
性等級下降。為保證裝置在壽命周期內(nèi)的安全可
靠，有必要對裝置的SIS系統(tǒng)進行定期的安全完整
性等級評估和檢驗。
參考文獻
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(下轉(zhuǎn)第1l7頁)
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第39卷第6期 油田次生硫化氫治理技術(shù)研究及應用
3結(jié)果討論
(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明：在合理投加量的情況下，
SBA一01殺菌劑可以有效控制原油處理系統(tǒng)的硫
化氫濃度。
(2)系統(tǒng)中產(chǎn)生的高濃度硫化氫是一個漸變和
富集的過程，在藥劑加量調(diào)整期間，應采取“平穩(wěn)過
渡”的方式，并延長藥劑濃度的考察期。特別是低加
藥量的情況下，更應如此，確保試驗結(jié)果的準確有
效，并防止硫化氫上升過快，給生產(chǎn)帶來安全隱患。
(3)SBA—Ol殺菌劑是一種多組分的復合型產(chǎn)
品，通過多組分的協(xié)同作用有效抑制硫酸鹽還原菌
(SRB)的代謝，從源頭上減少硫化氫的生成量，兼有
一定的脫硫作用。為了確保該產(chǎn)品性能的良好發(fā)
揮，該產(chǎn)品嚴禁與強氧化性和強堿性藥劑接觸或混
合使用。
4結(jié)論
(1)現(xiàn)場試驗證明以非氧化型殺菌劑、脫硫劑
和強化助劑為主要成分的SBA一01殺菌劑對于控
制石南2l集中處理站原油處理系統(tǒng)的硫化氫是切
實有效的，達到了治理硫化氫的目的，同時，對破乳
脫水無不良影響，具有良好配伍性能。
(2)在目前的生產(chǎn)條件下，SBA一01殺菌劑在
石南21集中處理站的安全投加量應在200 kg／d以
上，推薦合理加量為250 kg／d，這種情況下，可確保
系統(tǒng)硫化氫濃度控制在安全范圍內(nèi)并處于較低的濃
度值。
(3)目前生產(chǎn)狀況下，SBA一01殺菌劑的合理
加量為250 kg／d，但是藥劑的加量不是一成不變
的，現(xiàn)場技術(shù)人員應根據(jù)系統(tǒng)的實際運行狀況，動態(tài)
調(diào)整藥劑的加量，以在保證安全生產(chǎn)的前提下達到
有效控制生產(chǎn)成本的目的。
(4)系統(tǒng)中產(chǎn)生的淤泥是硫酸鹽還原菌良好的
庇護所，有條件的話，建議現(xiàn)場加強對一段沉降罐和
污水罐底部污泥的定期清理，可以在一定程度上提
高殺菌劑控制硫化氫的效果。
(5)除了合適的溫度、充足的SO 。一及營養(yǎng)源
外，時間是影響硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)物一硫化氫
濃度的關(guān)鍵因素之一。目前，石南21集中處理站的
來液含水上升，污水的停留時間相對縮短，可以在一
定程度上減少單位污水量生成的硫化氫量，但污水
量的增加，又增加了硫化氫的總生成量，最終的硫化
氫濃度應是這兩種因素共同作用的結(jié)果，處理站應
注意這種變化。
收稿E1期：2o1o 04 11；收修改稿：2010—05—20；編輯：馮學軍
(上接第54l頁)
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子安全系統(tǒng)的功能安全．第5部分：確定安全完整性等級的方法
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652
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儀表系統(tǒng)的功能安全第3部分確定要求的安全完整性等級的指
南[S]．2007，12：26—29
11 SH／T 3018—2003．石油化工安全儀表系統(tǒng)設汁規(guī)范．2004．7
作者簡介
陳懷龍：男，1969年生，高級工程師，畢業(yè)于長江大學石油地
質(zhì)專業(yè)，在中國石油大學(華東)攻讀碩士，現(xiàn)任阿姆河天然氣公司天
然氣事業(yè)部常務副主任。
收稿日期：2010—09—20；收修改稿：2olo一1o一15；編輯：馮學軍

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