1 前言
        典型事故案例分析表明，绝大多数事故的发生都与安全仪表系统的设置有关。尽管大多数石化装置均安装了安全仪表系统，但由于安全仪表系统设置的针 对性、合理性、有效性等方面的问题造成当灾难性事 故发生时安全仪表系统却失去了作用。在石化装置开 展安全仪表系统SIL评估，合理、有效地设置安全仪表系统，实现安全仪表系统SIL等级，保障石化装置安全，已经成为目前迫切需要解决的问题。本文以PTA 装置氧化反应器为例，介绍安全仪表系统SIL等级评估的过程。
        2 安全仪表系统SIL等级评估过程
        当美国A NS I／I SA决定放弃A NS I / I SA- 84.01-1996，转而采纳IEC61511时，引入了OSHA 1910.119的“宗亲条款（Grandfather Clause）”， 使之成为A NSI / I SA- 8 4 . 01-2 0 0 4，见A NSI / ISA-84.01-2004-1，条款1.0y。
        宗亲条款解决了功能安全标准从ANSI / ISA- 84.01-1996向ANSI/ISA-84.01-2004过渡遇到的问题， 即对于已经存在的SIS，如何满足或遵循新的标准？中心含义是对于按照以前的标准规范和工程 实践设计、建造的、已经存在的SIS系统，业主或操作 者应论证“设备是以安全的方式设计、维护、检验、测试和操作”。有两个基本的评判步骤：
        （1）确认进行了危险和风险分析，以定量的或定性的方式控制工程网版权所有，确定SIS中的每个SIF所应具有的风险降低水平要求；
        （2）确认对已经存在的SIF进行了评估，确定它们满足了所需要的风险降低要求。
        遵循了这一原则，整个安全仪表系统SIL等级评估过程包括：
        （1）搜集工艺流程资料；
        （2）危险分析，确定安全仪表系统的安全仪表功能；
        （3）风险分析，确定安全仪表系统的安全仪表功能的目标SIL等级；
        （4）安全仪表系统操作模式的确定；
        （5）安全仪表系统结构约束的确定；
        （6）安全仪表系统可靠性数据的确定；
        （7）安全仪表系统SIL等级的计算；
        （8）安全仪表系统SIL等级的评估。
        图1给出了安全仪表系统SIL评估的过程。

        3 PTA装置氧化反应器安全仪表系统SIL等级评 估
        3.1 工艺流程
        氧化反应器TD-201反应温度为185~195℃，反 应压力为0.88~1.08MPa。对二甲苯（PX）、醋酸、催 化剂和消泡剂按比例控制流量进入反应器中。氧化 用空气由多级离心式空气压缩机TC-201和英格索兰 压缩机TC-202供给，另有一路氧气管道可以实施富 氧氧化。两路气体压力控制在相同压力，由各自流量 调节阀调节汇合后再分4路从TD-201底部吹入反应 器。反应尾气中的氧含量要进行监控，按照其正常范 围（2.5%~4.3%）调节空气流量，一旦超出指标8%， TD-201停车联锁动作，以保证反应器安全。图2为氧化 反应器的简图。

        3.2 尾氧联锁回路安全仪表功能（SIF）及表决形式描 述
        清晰地、准确地辨识SIF，是安全仪表系统SIL等 级评估的首要工作之一。IEC61511定义安全仪表功能 为“为达到功能安全所必需的具有特定安全完整性 水平的电子/电气/可编程电子安全功能，安全仪表功 能可以是安全仪表保护功能，也可以是安全仪表控制 功能”。换句话说，安全仪表功能就是当潜在危险发 生时安全仪表系统为了整个过程的安全所采取的动 作。
        利用HAZOP分析，辨识出尾氧联锁回路的安 全仪表功能是为了防止因异常反应而造成反应器内爆炸，当尾气中氧气浓度（ARZ 1201A、B、C）3点 中2点如果达到设定值（VH）8VOL%以上，关闭阀 门FCV1201A、B和HCV1201A、B、C、D；关闭阀门 SDV1201C和FCSV1201C 。
        其中，输入信号：ARZ1201A、B、C（2oo3）表 决；逻辑单元：Honeywell-FSC（1oo2D）；输出信号： 阀门FCV1201A、B，阀组SDV1201C和FCSV1201C （1o o2）。这3 个阀组之间是（3 o o3) 表决。阀组 HCV1201A、B、C、D 4个阀门是（4oo4)表决，这两个 大组之间是（1oo2）表决，如图3所示。表1为尾氧联锁 回路的输入输出信号及表决形式汇总表。

        3.3 风险分析和目标SIL等级的确定
        风险分析和SIL等级的确定是非常重要的。风险 是对一个特定危险事件出现的概率和结果的估量，可 以对不同情况的风险进行评价（EUC风险、要求满足 允许风险的风险、实际风险）。允许风险根据社会基础 和有关社会和政治因素的考虑来确定。SIL等级应用 于安全仪表系统、其他技术安全相关系统和外部风险 降低设施，并作为这些系统在规定安全功能方面取得 必要的风险降低的概率的措施。一旦确定了允许风险， 并估计了必要的风险降低，就可以分配安全相关系统 的SIL等级。
        本次评估利用危险与可操作性分析（HAZOP）和保护层分析（LOPA）对反应器尾氧含量高情节进行 危险和风险分析辨识出危险事件及其风险类别，结合 最小风险降低要求，综合分析所有的风险降低措施， 确定安全仪表系统SIS的效能指标，即目标SIL等级为 SIL2。
        3.4 操作模式的确定
        在IEC61508中，定义了3种操作模式：连续模式、 高操作模式和低操作模式。IEC61511没有提及高操 作模式。判断是哪种操作模式，主要评判操作请求率 （Demand Rate）与SIS系统的自动诊断时间间隔ATI 和检验测试时间间隔TI的对应关系。表2给出了SIF操 作模式与时间间隔的关系。

        在以石化为代表的过程工业，SIS系统只有当 BPCS的常规控制和操作员手动干预无效时，才会产 生操作要求。如达到了液位高高限（操作要求），SIS 系统发出联锁动作响应，关闭进料阀，和／或打开出料 阀。这种操作要求出现的频率非常低，在绝大部分运 行时间内控制工程网版权所有，SIS是处于“休眠”状态的。因此，本次评估 的SIS系统的操作模式可视其为低要求操作模式。
        3.5 结构约束评估
        SIF要达到一定的安全完整性效能SIL要求，就 必须在结构上达到一定的硬件故障裕度（Hardware Fault Tolerance，HFT）。即在结构上，要满足一定的 硬件容错能力www.cechina.cn，如需要冗余等。IEC61508／IEC61511 对此有明确的规定，该指标成为SIF功能安全评估的 重要方面。本次评估的SIF输入为2oo3结构、逻辑控 制器（FSC）为1oo2D结构，最终执行元件为1oo2结 构。传感器和最终执行元件满足最小硬件故障裕度 （HFT）为1，如表3所示，即安全完整性等级可达SIL2 水平。

        3.6 可靠性数据的确定
        可靠性数据是安全仪表系统安全完整性等级评估的基础。可靠性数据的确定主要来自以下3个方面：
        （1）典型的工业数据库：
        海上设备可靠性数据库（OREDA）：DNV；
        过程设备可靠性数据库（PERD）：CCPS；
        安全设备可靠性手册（SERH）：EXIDA；
        安全仪表系统可靠性数据（PDS）：SINTEF。
        （2）FMEDA分析数据；
        （3）现场积累的失效数据。
        由于本次评估的装置没有积累的失效数据，这 次所需的可靠性数据主要依据典型的工业数据库和 FMEDA分析数据获得。表4给出了尾氧超8%联锁回 路可靠性数据。

        3.7 SIL等级计算
        目前，普遍采用的SIL等级计算方法主要包括以下 几种：
        （1）采用简化方程式确定SIF的SIL；
        （2）采用故障树分析确定SIF的SIL；
        （3）采用马尔可夫分析确定SIF的SIL；
        （4）采用可靠性方块图确定SIF的PFD。
        本次评估使用Honeywell公司的SafeCalc计算工 具，采用简化方程式计算方法对该联锁回路进行了 SIL等级计算。计算结果如表5所示。

        3.8 评估结果
        结构约束评估和PFDavg数值计算评估结果表 明，尾氧超8%联锁回路可以满足SIL2等级的要求。
        4 结语
        安全仪表系统作为大型石化机械、过程设备 及成套装置安全的保护神，目前已经广泛应用在石 油化工装置中。国家标准GB/T20438-2006和GB/ T21109-2007的颁布实施，为我国开展安全仪表系统 SIL等级评估工作提供了指导方针。在石化装置开展 安全仪表系统SIL等级评估，合 理、有效地设置安全仪表系统， 可以实现安全仪表系统的功能安 全，有效地保障石化装置整体安 全。
        参考文献
        1 IEC 61508: Functional safety of e l e c t r i c a l / e l e c t ron i c / programmable electronic safety - related systems. 1998.
        2 IEC61511：Functional safety—Safety instrumented systems for the process industry sector.2003． 3 ANSI / ISA-84.0 0.01 ( IEC 61511-1 Mod )： Functional Safety—Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector.2004．
        作者简介：姜巍巍，工程师，注册安全工程师CONTROL ENGINEERING China版权所有，T V功能安全认 证工程师控制工程网版权所有，主要从事安全仪表系统功能安全评估工作。参与编 写出版著作3部，获得中国石化科技进步奖三等奖1项。