劉 宇,張海鋒,路 通

(中海石油技術(shù)檢測有限公司,天津 300452)

火氣系統(tǒng)功能有效性的績效評估方法

劉 宇,張海鋒,路 通

(中海石油技術(shù)檢測有限公司,天津 300452)

火氣系統(tǒng)作為減災(zāi)保護層安全儀表系統(tǒng)，以抑制火災(zāi)和氣體泄漏帶來的風(fēng)險為目的，在石化現(xiàn)場發(fā)揮著重要的保護作用。風(fēng)險抑制能力取決于火氣系統(tǒng)的功能有效性，受多方因素影響，如現(xiàn)場探測器的布置、系統(tǒng)自身配置、應(yīng)急響應(yīng)和滅火能力等。要實現(xiàn)對火氣系統(tǒng)功能有效性的績效評估，需要綜合多方因素進行分析。采用ISA-TR84.00.07推薦的事件樹風(fēng)險分析模型，從探測覆蓋率、系統(tǒng)安全完整性及災(zāi)難抑制措施有效性三個層面綜合分析、計算系統(tǒng)的功能有效性和風(fēng)險抑制能力，從而實現(xiàn)定量評價。通過典型案例分析，對探測覆蓋率分析技術(shù)和安全完整性評估技術(shù)的基本理論和方法進行了梳理和介紹，并驗證了基于事件樹模型的火氣系統(tǒng)有效性評估理論的可操作性，證明了采用事件樹模型、結(jié)合探測覆蓋率和功能安全基礎(chǔ)理論，可以較好地實現(xiàn)火氣系統(tǒng)功能有效性的績效評估。

監(jiān)測報警； 安全儀表系統(tǒng)； 安全完整性等級; 功能安全； SFF； HFT

0 引言

火災(zāi)及氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)(fire and gas system，F(xiàn)GS)，簡稱火氣系統(tǒng)，是用于監(jiān)控火災(zāi)和可燃氣及毒氣泄漏事故，并具備報警和一定滅火功能的安全儀表系統(tǒng)?；饸庀到y(tǒng)屬于減災(zāi)保護層安全儀表系統(tǒng)，與預(yù)防保護層安全儀表系統(tǒng)(如緊急停車系統(tǒng))相比，影響火氣系統(tǒng)功能有效性的因素更為復(fù)雜。除FGS自身的安全完整性外，現(xiàn)場探測設(shè)備的數(shù)量、布局和安裝位置、輸出響應(yīng)后消防、噴淋等災(zāi)難抑制措施的有效性、人員應(yīng)急響應(yīng)能力等因素都對會火氣系統(tǒng)的整體有效性造成影響[1]。依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，通常對火氣系統(tǒng)的功能有效性和風(fēng)險削減能力作深層次分析，但這其實與安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計和管理要求存在差距。

國家安監(jiān)總局在“安監(jiān)總管三〔2014〕116號文件——加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見”中明確將火氣系統(tǒng)列入了安全儀表系統(tǒng)范疇，并要求加強對新建及在役“兩重點一重大”化工裝置和危險化學(xué)品儲存設(shè)施的安全儀表系統(tǒng)的風(fēng)險評估管理。如何對火氣系統(tǒng)的功能有效性(風(fēng)險削減水平)進行績效評估已成為系統(tǒng)設(shè)計及管理的重點課題。

1 FGS有效性評估模型

綜合分析火氣系統(tǒng)的原理和功能，火氣系統(tǒng)的功能有效性取決于三方面的因素：探測覆蓋率、系統(tǒng)安全完整性、災(zāi)難抑制措施有效性[2]。

探測覆蓋率：在預(yù)設(shè)表決機制下，現(xiàn)場探測器探測覆蓋空間占火災(zāi)/泄漏可能出現(xiàn)空間的比重，也可以理解為現(xiàn)場火災(zāi)/泄漏事件被有效探測到的概率。

安全完整性：火氣系統(tǒng)有效執(zhí)行某項安全儀表功能(safety instrumented function，SIF)的能力，通?？梢杂肧IF要求的平均失效概率或稱平均危險故障率(probability of failure on demand，PFDavg)，或安全完整性等級(safety integrity level，SIL)來表征。

災(zāi)難抑制措施有效性：啟動終端減災(zāi)設(shè)備，可有效減弱危害后果的概率，如阻止火災(zāi)的蔓延和泄漏氣體的積累。減災(zāi)措施需要以足夠迅速的方式進行啟動才能有效減弱事故的嚴重性。否則，減災(zāi)措施可能會失效或不足，例如：

①滅火系統(tǒng)不足以控制火勢；

②隔離或泄壓太慢，未能阻止泄漏氣體的積累；

③通知和提醒設(shè)備啟動不夠迅速，人員逃離滯后；

④應(yīng)急預(yù)案不足以正確指導(dǎo)人員撤離。

在ISA-TR84.00.07研究報告中，推薦采用事件樹模型來定量評估火氣系統(tǒng)的風(fēng)險削減水平[2-3]。該模型以火災(zāi)或氣體泄漏危險情景為起點，按照險情的發(fā)展趨勢，分析每一個因素對火氣系統(tǒng)正確執(zhí)行功能(成功YES / 失敗NO)的影響，用定量分析的方式計算每一種可能性的發(fā)生概率。用事件概率與后果嚴重性的乘積來表征過程風(fēng)險，可加權(quán)計算出由火氣系統(tǒng)失效所引入的風(fēng)險因子(weighted average consequence，CWA)，其倒數(shù)1/CWA便可表征火氣系統(tǒng)的風(fēng)險削減倍數(shù)。事件樹風(fēng)險分析模型如圖1所示。

圖1 事件樹風(fēng)險分析模型

在上述模型的基礎(chǔ)上，可按式(1)定量計算火氣過程風(fēng)險(R)。R=CWA×Funmiltigated×PFD(IPL1)×PFD(IPL2)×…×PFD(IPLn)

(1)

式中： Funmitigated為火氣危險事件發(fā)生的頻率(次/年)；PFD(IPL)為針對此火氣危險事件其他獨立保護層的失效概率。將過程風(fēng)險與用戶風(fēng)險的標準進行比較，就可以判斷當(dāng)前火氣系統(tǒng)的功能有效性及其他保護層措施是否滿足火氣風(fēng)險的控制要求。

2 FGS探測覆蓋率分析技術(shù)

探測覆蓋率作為火氣系統(tǒng)的特征參數(shù)，直接影響系統(tǒng)的功能有效性。如果現(xiàn)場探測設(shè)備覆蓋率不足，硬件配置再高的火氣系統(tǒng)也未必能有效削減現(xiàn)場火氣風(fēng)險。

表1引用了GeneralMonitors相關(guān)研究報告(SIL104)中的風(fēng)險降低數(shù)據(jù)[4]，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：在探測覆蓋率95%的條件下，硬件配置達到SIL3(PFDavg=9.9×10-4)的系統(tǒng)，實際的風(fēng)險削減能力僅為5.09×10-2，相當(dāng)于SIL1水平。由此可見，對于火氣系統(tǒng)而言，拋開探測覆蓋率而單純追求系統(tǒng)硬件的高可靠性是沒有意義的。

表1 風(fēng)險降低數(shù)據(jù)(SIL104)

FGS探測覆蓋率分析，實際上就是定量評價火災(zāi)/泄漏危險事件被有效探測到的概率。采用幾何投影技術(shù)，對被保護區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場探頭的探測覆蓋率進行定量分析。

ISA-TR84.00.07中給出了幾何覆蓋率和場景覆蓋率兩個概念，可通過圖2給出的海洋石油平臺單井口撬塊案例進行說明[2]。案例的幾何參數(shù)為長12.2 m、寬3.7 m、高3.7 m；撬塊中僅包含一套井口裝置，如圖2(a)中圓形位置；撬塊對角位置設(shè)置2臺火焰探測器，共同監(jiān)測此該區(qū)域內(nèi)火災(zāi)事件。

根據(jù)火焰探測器自身探測范圍參數(shù)，在考慮空間遮擋的情況下，可核算出該區(qū)域內(nèi)的探測覆蓋范圍，如圖2(a)所示。其中：區(qū)域一被2臺探測器覆蓋；區(qū)域二被1臺探測器覆蓋；區(qū)域三無探測器覆蓋。系統(tǒng)預(yù)設(shè)的表決機制為2ooN結(jié)構(gòu)，即2臺探測器同時報警時輸出下一步響應(yīng)，所以可以認為區(qū)域一為有效探測區(qū)域。計算區(qū)域一面積占總區(qū)域面積的比例，即為被保護空間內(nèi)的幾何覆蓋率。經(jīng)計算，本案例的FGS幾何覆蓋率為64.5%。

在幾何覆蓋率的基礎(chǔ)上，可進一步進行場景覆蓋率分析：在整個受保護區(qū)域內(nèi)，僅井口位置存在因可燃物質(zhì)泄漏引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險。通過定量風(fēng)險分析，預(yù)測可能形成長2 m、直徑0.3 m的噴射火焰；火焰噴射方向隨機，假設(shè)有8個方向的可能，如圖2(b)所示。在這個危險場景下，計算探測器對可能出現(xiàn)火焰區(qū)域的探測覆蓋率就是FGS場景覆蓋率。經(jīng)計算，在火焰可能出現(xiàn)的區(qū)域內(nèi)，88%的區(qū)域被2臺探測器同時覆蓋，即本案例的FGS場景覆蓋率為88%。

圖2 FGS探測覆蓋率分析案例

在實際工程項目中，現(xiàn)場的環(huán)境更復(fù)雜，風(fēng)險點也更多，簡化的二維理論模型分析不易實施，且偏差較大。通?？刹捎?D建模的方式，利用幾何投影技術(shù)相關(guān)工程軟件進行FGS探測覆蓋率的細化分析。在火氣系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化等環(huán)節(jié)， FGS探測覆蓋率分析技術(shù)都可發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3 FGS安全完整性評估技術(shù)

火氣系統(tǒng)作為安全儀表系統(tǒng)的一個分支，系統(tǒng)的安全完整性可按相關(guān)功能安全標準進行定量評估[5]。

為了保證工藝裝置的生產(chǎn)安全，安全儀表系統(tǒng)必須具備與工藝過程相適應(yīng)的SIL可靠度。評估安全完整性等級SIL的主要參數(shù)為PFDavg，按其從高到低依次分為1～4級。石化行業(yè)一般涉及的只有1～3級[6-7]。低要求模式下，SIL與PFDavg及目標風(fēng)險降低能力(target risk reduction，TRR)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 低要求模式下SIL、PFDavg、TRR對應(yīng)關(guān)系

火氣系統(tǒng)每項SIF實際具備的SIL是由回路中各環(huán)節(jié)的失效概率所決定的[8]。IEC 61508/IEC 61511給出了系統(tǒng)平均失效概率計算和評估的指導(dǎo)方法，最常用的方法為可靠性框圖法、馬爾可夫模型法[8-9]。針對每個SIF的PFDavg計算步驟如下。

(1)畫出表示傳感器子系統(tǒng)(輸入)各部件、邏輯子系統(tǒng)各部件、最終元件子系統(tǒng)(輸出)各部件的塊圖，將每一個子系統(tǒng)描繪成MooN表決組結(jié)構(gòu)。

(2)確定檢驗測試時間間隔(test interval，TI)；確定每次失效的平均恢復(fù)時間(mean time to restoration，MTTR)。

(3)對于每一個子系統(tǒng)的表決組，確定：

①表決結(jié)構(gòu)(例如2oo3)；

②每個通道的診斷覆蓋率(diagnostic coverage，DC)(例如60%)；

③每個通道的失效率(每小時)λ(包括：λD、λS、λDD、λDU、λSD、λSU)；

④表決組中通道之間相互作用的共同原因失效的系數(shù)β。

(4)將確定的參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型，計算每個子系統(tǒng)的失效概率PFDavg。PFDavg計算模型如圖3所示。

圖3 PFDawg計算模型示意圖

計算模型此處不作進一步詳述，具體方法可參考相關(guān)標準。

根據(jù)IEC 61508/IEC 61511，評估SIF的SIL時，不僅要考察SIF的PFDawg是否符合表2的要求，同時還需考評子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束是否滿足表3的要求。對于結(jié)構(gòu)約束的考評，主要針對安全失效分數(shù)(safe failure fraction，SFF)和硬件故障裕度(hardware fault tolerance，HFT)2個參數(shù)。

表3 SIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束要求

表3中：A型子系統(tǒng)指結(jié)構(gòu)簡單的常用設(shè)備，如閥門、繼電器、檢測開關(guān)等；B型子系統(tǒng)指結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、或者采用維處理器技術(shù)的設(shè)備，如可編程控制器、智能變送器等。

4 應(yīng)用案例

以海上平臺典型甲板為案例，對火氣系統(tǒng)功能有效性評估流程和方法進行介紹。

分析對象基本信息：海洋平臺某甲板撬塊內(nèi)部布置3個罐體，罐內(nèi)為可燃物質(zhì)，現(xiàn)場存在火災(zāi)風(fēng)險。甲板四周設(shè)置3臺火焰探測器，監(jiān)測撬塊內(nèi)火災(zāi)事件。甲板撬塊FGS保護模型如圖4所示。

圖4 甲板撬塊FGS保護模型

火氣系統(tǒng)功能有效性評估流程如下。

①用戶的可接受風(fēng)險分析。通過用戶的可接受風(fēng)險分析，確定風(fēng)險評價標準，作為火氣系統(tǒng)功能效性的評判準則。本案例預(yù)定的可接受風(fēng)險為1×10-4/年，即用戶可容忍此撬塊發(fā)生火災(zāi)災(zāi)害的頻率為10 000年1次。

②火災(zāi)初始風(fēng)險分析?；馂?zāi)初始風(fēng)險分析主要是綜合考慮被保護對象的溫度、壓力、組分及現(xiàn)場環(huán)境等因素，通過定量風(fēng)險分析(quantitative risk analysis，QRA)、裝置失效分析、經(jīng)驗假設(shè)、歷史比對等方法對火災(zāi)可能出現(xiàn)的范圍及頻率進行定量評定，作為FGS功能有效性評估的輸入項?；馂?zāi)初始風(fēng)險分析相關(guān)技術(shù)已超出本文范圍，此處不作細化。對本案例作簡化分析后，得出結(jié)論：火災(zāi)風(fēng)險區(qū)域為如圖4中的虛線區(qū)域，火災(zāi)發(fā)生頻率Funmitigated=1.0×10-3次/年。

③FGS探測覆蓋率分析。根據(jù)現(xiàn)場火氣探頭的布置情況，采用3D投影技術(shù)計算探測覆蓋率，得出FGS探測覆蓋區(qū)域分布情況(h=1.5 m)如圖5所示。

圖5 FGS探測覆蓋區(qū)域分布圖(h=1.5 m)

計算得出火災(zāi)風(fēng)險區(qū)域內(nèi)的FGS探測覆蓋率如表4所示。火氣系統(tǒng)設(shè)定的現(xiàn)場探頭表決制作為2ooN，故此案例的FGS探測覆蓋率為77.9%。

表4 FGS探測覆蓋率

④FGS安全完整性分析。本案例的SIF回路由現(xiàn)場探測器、邏輯控制器和終端執(zhí)行器組成，現(xiàn)場探測器表決結(jié)構(gòu)為2ooN，邏輯控制器為1oo2D冗余結(jié)構(gòu)，輸出啟動消防電磁閥組為1oo2結(jié)構(gòu)。SIL回路內(nèi)各環(huán)節(jié)硬件的可靠性數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 FGS回路的可靠性數(shù)據(jù)

FGS子系統(tǒng)失效概率計算表如表6所示。

表6 FGS子系統(tǒng)失效概率計算表

計算SIL回路整體的失效概率為：

FGS的硬件有效性為：1-0.84×10-3=99.916%。在失效概率層面，該FGS系統(tǒng)的硬件配置可達到SIL2的水平。

⑤FGS減災(zāi)有效性分析。FGS系統(tǒng)正常啟動發(fā)出相應(yīng)的輸出信號，后續(xù)的消防、噴淋、應(yīng)急系統(tǒng)將進一步對火災(zāi)進行撲救及抑制[10]。FGS減災(zāi)有效性取決于減災(zāi)措施的啟動速度和災(zāi)難削減能力。對于此方面的分析，本文不作進一步詳述。假設(shè)本案例的減災(zāi)有效性為0.95，即FGS正常啟動后，減災(zāi)措施抑制災(zāi)難發(fā)生及惡化的幾率為95%。

⑥FGS功能有效性績效評估。應(yīng)用事件樹模型，評估火氣系統(tǒng)的功能有效性如圖6所示。

圖6 FGS功能有效性評估模型

此火災(zāi)風(fēng)險在無其他獨立保護層的情況下，當(dāng)前的火氣過程風(fēng)險為：

R=CWA×Funmitigated×PFD(IPL1)×PFD(IPL2×…×PFD(IPLn)=0.27×1.0×10-3×1×…×1=2.7×10-4/年

此數(shù)值超過了用戶的可容忍風(fēng)險1×10-4/年，可判定當(dāng)前配置下火氣系統(tǒng)的功能有效性尚無法滿足用戶的風(fēng)險削減要求。

⑦改進與優(yōu)化。當(dāng)前火氣系統(tǒng)配置無法滿足風(fēng)險控制要求，需進行改進與優(yōu)化。分析系統(tǒng)的幾項指標可以發(fā)現(xiàn)：在當(dāng)前系統(tǒng)的相關(guān)硬件安全完整性已達到較高水準(SIL2)的情況下，系統(tǒng)的探測覆蓋率僅為77.9%，還有進一步提升的空間。

設(shè)計兩套方案實現(xiàn)FGS探測覆蓋率提升：方案一，將現(xiàn)場探頭表決方式更改為1ooN(單探頭報警即響應(yīng)輸出)，現(xiàn)場探測覆蓋率可增加至98.1%(數(shù)據(jù)見表4)；方案二，現(xiàn)場增加布置一個火焰探測器，改進的FGS保持模型如圖7所示。經(jīng)計算，方案二的探測覆蓋率可增至97.2%。

圖7 改進的FGS保護模型(方案二)

FGS改進方案對比如表7所示。

表7 FGS改進方案對比

通過參數(shù)對比，兩個改進方案均能有效提高FGS現(xiàn)場探測覆蓋率，并使得火氣系統(tǒng)的整體功能有效性滿足現(xiàn)場風(fēng)險的控制要求。但是，考慮到1ooN的探頭表決結(jié)構(gòu)會增加系統(tǒng)的誤報警幾率，降低系統(tǒng)的可用性，對正常生產(chǎn)造成不良影響，故建議在條件允許的情況下，采用增加現(xiàn)場探測器的方式(方案二)進行系統(tǒng)優(yōu)化。

5 結(jié)束語

火氣系統(tǒng)作為石化現(xiàn)場重要的安全保障系統(tǒng)，其功能有效性越來越受到重視。相比于預(yù)防保護層的安全儀表系統(tǒng)，影響火氣系統(tǒng)功能有效性的因素則更為復(fù)雜。

利用事件樹風(fēng)險評估模型，可以從探測覆蓋率、系統(tǒng)安全完整性及災(zāi)難抑制措施有效性三個層面，定量分析系統(tǒng)的風(fēng)險抑制能力和功能有效性，實現(xiàn)對火氣系統(tǒng)功能有效性的績效評估。

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Performance Evaluation Method for Function Effectiveness of FGS

LIU Yu,ZHANG Haifeng,LU Tong

(CNOOC Technical Inspection Co.,Ltd.,Tianjin 300452，China)

As one of the safety instrument systems of the disaster mitigation and protection layer,with the goal of eliminating the risks of fire and gas leakage,the fire and gas system (FGS) plays an important protective role in petrochemical fields.Risk suppression capability depends on the functional effectiveness of FGS;it is affected by many factors,such as the layout of the detectors in the field,the configuration of the system,and the capability of emergency response and extinguishing,etc.To achieve the performance evaluation of functional effectiveness of FGS,it is necessary to comprehensively analyze multiple factors.The event tree risk analysis model recommended by ISA-TR84.00.07 can be used;the analysis includes three aspects,i.e.,the coverage of detection,the safety integrity,and the disaster mitigation measures,then the functional effectiveness of system and risk suppression capability are calculated,thus the quantitative evaluation is implemented. Through analyzing the practical cases,the basic theories and methods of the coverage analysis technology and safety integrity assessment technology are introduced and sorted,the operability of the assessment theory based on event tree model is verified.It is proved that event tree model combing with the basic theories of detector coverage and functional safety is effective for function effectiveness evaluation of FGS.

Monitoring and alarm; Safety instrumented system; Safety integrity level； Functional safety; SFF; HFT

劉宇(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油儀表系統(tǒng)檢測評估的研究和應(yīng)用工作。E-mail:liuyu21@cnooc.com.cn。

TH701；TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704006

修改稿收到日期：2017-01-23