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安全完整性等级在天然气处理装置中的应用

文档作者：陈怀龙夏太武袁树海王涛文档来源： 1．中国石油大学(华东) 2．中国石油西南油气田公司天然气研究院 3．渤海石油装备制造有限公司华油钢管公司		点击数：	更新时间： 2020年12月28日
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538
石油与天然气化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL ＆ GAS
安全完整性等级
在天然气处理装置中的应用
陈怀龙 夏太武 袁树海。 王 涛。
(1．中国石油大学(华东) 2．中国石油西南油气田公司天然气研究院)
(3．渤海石油装备制造有限公司华油钢管公司)
摘 要 简要介绍了天然气处理装置应用安全完整性等级评估的必要性，讨论了安全完整性
评估的基本方法。选择风险图表法对SIL评估的过程作了详细的论述，并形成了一种针对风险图
表法的SII 评估流程。结合生产实例，展示了安全完整性等级评估的过程与结果。结果显示：根
据有针对性的建议措施可以有效提高装置的安全性和可靠性。
关键词 安全完整性等级安全仪表系统安全仪表功能 风险图表法
DOI：10．3969／j．issn．1007—3426．2O10．06．020
天然气处理是指天然气通过过滤、脱烃、脱硫、
脱碳、脱水等工艺，得到符合管输标准的商品气口]，
涉及有高温高压、易燃易爆的有毒介质等工艺过程。
由于设计上可能存在不足和缺陷，若装置建成投运
将会导致在装置中存在各种潜在的安全隐患。安全
仪表系统(Safety Instrumented System：SIS)的设
计配置，是保障装置工艺安全运行的重要措施之一。
但由于设计本身的局限，安全联锁控制方案的配置
是否合理，安全完整性等级是否符合相关的标准要
求，是装置设计品质的一项重要内容。安全完整性
等级(Safety Integrity Level：SIL)评估是目前比较
有效的专业评估方法。本文从装置的控制系统出
发，探讨SIL评估在天然气处理装置中的应用。
过程中的SIL等级维持设计初衷不变，需要适时地
对其进行风险评估和检验。
按照标准GB／T 20438—2006(IEC61508) 的
要求，对于系统中需要作重点防护的设备或管线，可
以将其划分为相互独立的受保护设备(Equipment
Under Control，EUC)。设计中会为这些EUC配
置相应的安全防护措施，即安全仪表系统。而安全
仪表系统的防护等级是否满足生产的工况条件和相
关标准的要求是SIL评估的目标。评估过程一般
分为三个阶段：① 在不考虑安全防护措施的前提
下，确定EUC特征参数所需的SIL等级；② 验证现
有SIS的SIL等级是否满足系统需要；③ 对不能满
足系统需要的SIS，提出整改建议和措施。
1安全完整性等级 2安全完整性等级评估方法
安全完整性等级是一组离散性参数，用来描述
安全仪表系统中安全仪表功能(Safety Instrumen—
ted Function：SIF)的安全完整性等级，共设置有
SIL 1～4级，其中SIL 最高，SIL1最低 ]。SIL等
级越高，相应的安全防护系统可靠性也越高。但高
可靠性的安全防护系统往往会带来更多的软、硬件
投资。此外，随着安全仪表系统服役时间的加长，系
统硬件的可靠性也会随之下降，要保证系统在使用
2．1确定SIL等级的方法
确定EUC参数控制的SIL等级，首先需要考
虑在没有配置任何SIS的情况下，产生安全事故的
可能性和由此造成人员、环境、经济方面的损害或损
失，然后根据损害或损失程度，依据相关标准和可接
受风险准则确定参数控制所需的SIL等级。确定
SIL等级的方法有很多，标准GB／T 20438—2006
(IEC61508)、GB／T 2l109— 2007(IEC61511)[ ]规
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第3【)卷 第6期 安全完整性等级在天然气处理装置中的应用
定有：定量风险评估、风险图表法(定性)、修正风险
图表法(半定性)、风险矩阵法(定性)、安全保护层矩
阵法(定性)、保护层分析(半定量)等方法。文献
I-5]、[6]和[7]就SIL在不同环境下的应用情况进
行了分析，并对SIL评估方法进行了讨论，文中涉
及有风险矩阵法、风险图表法、保护层分析法等，文
献E8]论述了风险图表法在天然气场站中的应用。
实际上，定量／半定量的评估方法计算量非常大，而
且还受收集相关数据的准确性和完整性的影响，应
用得并不是很广泛。风险图表法作为一种定性的分
析方法，受收集资料的限制比较小，可以快速确定
EUC的SII 等级，因而应用得非常广泛，本文对风
险图表法在天然气处理装置上的应用进行了探讨。
2．2用风险图表法确定SII 等级
根据标准GB／T 20438．5—2006 ]，确定人员
损害后果的相关参数见表1。此外，在确定系统所
需的SII 等级时，还须考虑环境、经济的损失程度。
参数 分 类
后果c(按照人员的伤亡数确定区域内对暴露人员造成的
危害)
c 对人员造成微小伤害
C。 对一人或多人造成严重永久伤害，死亡一人
Cs 几人死亡
C 多人死亡
F(在危害区域中的频率和暴露时间)
F- 很少至较多暴露在危险区域
F： 经常至永久暴露在危险区域
P(避开危害事件的概率)
P。 在一定条件下可能
P： 几乎不可能
w(不期望事件的发生概率)
wt 发生意外事件的概率非常小且只有很少事件发生
w： 发生意外事件的概率小且只有少量事件发生
ws 发生意外事件的概率相对高且频繁发生事件
相应的风险图如图1所示。
再根据标准GB／T 20438．5—2006和GB／T
21109．3—2007l1。。中规定的等级对应表，即可确定
对应的SII 等级，如图2所示。
根据评估对象的实际情况，按表1选出相关参
数，对比图1、图2，可得到系统所需的风险等级。
W 3
b
J
d
— —
f
曼．
h
图1 风险图
W
一连布安拿岳求
⋯
一 T没有特殊安拿要求
sIL1 b 风险区域1
IL1 (低风险’
sI ；
-_lg -~E／E／ PE SRSm~
k
图2 风险等级划分图
2．3 SII 评估流程
不同的评估方法，执行的SII 评估流程都会有
些差别，而流程上的差别，在某种程度上也决定了该
种方法的优势和不足。综合上述文献所描述的分析
方法，笔者结合从事SII 评估的经验，提出了基于
风险图表法的SII 评估流程。如图3所示，SII 评
估流程包含了SII 评估的三个阶段，为尽可能找出
装置中不能满足要求的SIS．降低或消除潜在危险
提供了一种更好的方法。
3 SII 在某天然气处理装置上01应用
3．1某天然气处理装置概述
某天然气地面工程系统．下设第一处理厂和第
二处理厂，处理的天然气主要来源于西集气干线、东
集气干线等。尽管该系统的工艺流程不很复杂，但
要求装置长期连续运行。一旦发生大型事故，其政
治经济影响涉及面宽、影响范围广、损失严重。现以
第一处理厂的TEG吸收塔为例。
第一处理厂DCS(Distributed Control System：
集散型控制系统)采用了Honeywell公司的PKS系
统，ESD(Emergency Shut Down：紧急停车)系统采
用了该公司的FSC 系统，FSC系统具备的功能
(1002D、2004D)可满足AK 级及SII 级要求[1’ 。
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石油与天然气化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS
开始
收集工艺＆仪表流程图、SIS因果关系图
是
确定评估范围和目标
分析设计意图
二二]二二二
I 划分EUC
二二]二
选择第一个EUC
所有EUC都分析了吗?
识别相关的参数
所有的参数都分析了吗?
否
是
I 1分析安全事故产生的后果：人
=苓 l笪主：堕 塑冬： 堕 釜
是
确定该控制参数所需的SIL等级
分析现有sIS系统
分析与受保护单元相关6~／BPCS、
系统报警，人工操作等
现有的SIs满足所需的sIL等级?
制器交S署IL墨等 级l I羞盟茎盎茎鲍 §』 羹釜莲丛翥! 足
蓊
一 一
否I
五 面
』统搬婺 人工操作等
I丝查l
图3 SIL评估流程图
如图4所示，受控工艺介质为油水混合物，从
9．5 MPa操作压力下通过I VO1调节阀限流降至
0．6 MPa，然后进入TEG加热再生的低压系统，工
艺介质压降达8．9 MPa。从工艺操作安全方面考
虑，不允许9．5 MPa工艺介质失控泄入设计压力为
】．6 MPa的低压系统，否则会造成低压系统的设备
或管线严重超压发生爆裂，引发严重的安全事故。
因此TEG吸收塔的低低液位成为一个重要的控制
参数，需要加强其控制系统的安全性。
3．2安全完整性等级评估过程
3．2．1砌定参数控制所；t}fl：J SlI 等级
确定参数控制所需的SII 等级需要从三个方
面来评估，即：人员、环境、经济。
脱 囱： 图
水
吸
．塔收 j}
G<——w
图4 TEG吸收塔液位控制回路图
表1列出了事故发生后人员损害的评估参数。
由C(按照人员的伤亡数确定区域内对暴露人员造
成的危害)、F(在危害区域中的频率和暴露时间)、P
(避开危害事件的概率)、W (不期望事件的发生概
率)组成。从后果最严重的角度出发，根据该处理装
置的规模和实际情况，可确定这几个参数为：C。、
F 、P 、W 。按照图1、图2，可得到脱水塔液位控制
所需的安全完整性等级为SII 。
对环境造成的损害主要从工艺介质泄露所造成
的危害作定性描述，对经济的损失程度主要参照装
置分别在4 h、8 h和24 h产生的经济效益来划分其
影响等级。对TEG 吸收塔而言，可确定在事故发
生后，环境、经济方面所需要的防护措施为SIL 。
按照选择控制参数所需安全完整性等级最高的
原则，可确定TEG吸收塔低低液位控制所需的安
全完整性等级为SIL。。
：{．2．2验证现仃SIS系统的sI1 等级
TEG吸收塔液位的现有控制措施见表2，设置
有低液位、低低液位报警和两道保护措施。假设仪
表、控制系统的检修周期为一年，应用风险图表法，
可得到该液位联锁控制回路的SII 等级见表3。
序号 触发器 控制器 执行机构 控制类型
1 LT01 DCS I．VO1 基本控制
2 LT02 ESD SDV01 联锁控制
在仪表控制系统的检修周期内，联锁控制回路
的SIL等级变化趋势如图5所示。
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第39巷第6期 安全完整性等级在天然气处理装置中的应用
触发器 控制器 执行器 系统
逻辑关系PFD 等级逻辑关系PFD 等级逻辑关系PFD 等级PFD 现有等级所需等级
1选1 8．08E-04 SII 3 1选1 5．52E一04 SIL3 1选1 1．61E一03 SILz 2．97E-03 SII，2 SIL
时间，h
图5 SIL等级变化趋势图
3．3提高SII 等级的控制措施
从表3可以看出，原有SIS防护措施的安全等
级(SII !)达不到系统所需的(SII 。)等级，从验证的
具体项目来看，主要是执行机构的SII 等级不够
高，此外，触发器的平均失效概率(PFD)虽然达到
SIL ，但PFD仍然比较高，对系统的SIL等级影响
较大。要提高该控制回路的SII 等级，需从提高液
位检测与执行机构的SII 等级出发。最简单的方
式可分2步：
(1)提高触发器的SII 等级。两路液位检测供
控制系统实现2选1．作为切断阀SDV01的控制信
号。且两只液位变送器的供电都采用SIS系统的专
用电源。验证、计算的SII 等级如表4所示。
(2)提高执行器的SII 等级。将调节阀I V01
纳入联锁控制，与切断阀SDV01形成2选1的关
系。验证、计算的SII 等级如表4所示。
触发器
逻辑关系PFD
2选1 1．7OE—O5
控制器
等级逻辑关系PFD
SII 4 1选1 5．52E—O4
执行器 系统
等级逻辑关系PFD 等级PFD 现有等级 所需等级
SIL3 2选1 4．97E一05 SII 6．19E一04 SII 3 SII 3
通过(1)、(2)的改进和完善，得到联锁控制回路
的SII 等级变化趋势如图6所示。
时间，h
图6 改进后的s I L等级变化趋势图
一l结论-5建议
(1)根据SIL评估过程提出的建议措施，经过
适当的控制方案改造，将原来’SIS的安全完整性等
级SIL 提高到了满足系统工况条件和相关标准要
求的SIL3；
(2)针对天然气处理装置，应用SII 评估，可以
准确识别出SIS的安全完整性等级中哪个环节存在
缺陷，并有针对性地提出技改和完善措施；
(3)天然气处理装置中的安全仪表系统随着服
役时间的加长，其可靠性也会随之下降，即安全完整
性等级下降。为保证装置在寿命周期内的安全可
靠，有必要对装置的SIS系统进行定期的安全完整
性等级评估和检验。
参考文献
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(下转第1l7页)
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第39卷第6期 油田次生硫化氢治理技术研究及应用
3结果讨论
(1)现场数据表明：在合理投加量的情况下，
SBA一01杀菌剂可以有效控制原油处理系统的硫
化氢浓度。
(2)系统中产生的高浓度硫化氢是一个渐变和
富集的过程，在药剂加量调整期间，应采取“平稳过
渡”的方式，并延长药剂浓度的考察期。特别是低加
药量的情况下，更应如此，确保试验结果的准确有
效，并防止硫化氢上升过快，给生产带来安全隐患。
(3)SBA—Ol杀菌剂是一种多组分的复合型产
品，通过多组分的协同作用有效抑制硫酸盐还原菌
(SRB)的代谢，从源头上减少硫化氢的生成量，兼有
一定的脱硫作用。为了确保该产品性能的良好发
挥，该产品严禁与强氧化性和强碱性药剂接触或混
合使用。
4结论
(1)现场试验证明以非氧化型杀菌剂、脱硫剂
和强化助剂为主要成分的SBA一01杀菌剂对于控
制石南2l集中处理站原油处理系统的硫化氢是切
实有效的，达到了治理硫化氢的目的，同时，对破乳
脱水无不良影响，具有良好配伍性能。
(2)在目前的生产条件下，SBA一01杀菌剂在
石南21集中处理站的安全投加量应在200 kg／d以
上，推荐合理加量为250 kg／d，这种情况下，可确保
系统硫化氢浓度控制在安全范围内并处于较低的浓
度值。
(3)目前生产状况下，SBA一01杀菌剂的合理
加量为250 kg／d，但是药剂的加量不是一成不变
的，现场技术人员应根据系统的实际运行状况，动态
调整药剂的加量，以在保证安全生产的前提下达到
有效控制生产成本的目的。
(4)系统中产生的淤泥是硫酸盐还原菌良好的
庇护所，有条件的话，建议现场加强对一段沉降罐和
污水罐底部污泥的定期清理，可以在一定程度上提
高杀菌剂控制硫化氢的效果。
(5)除了合适的温度、充足的SO 。一及营养源
外，时间是影响硫酸盐还原菌代谢产物一硫化氢
浓度的关键因素之一。目前，石南21集中处理站的
来液含水上升，污水的停留时间相对缩短，可以在一
定程度上减少单位污水量生成的硫化氢量，但污水
量的增加，又增加了硫化氢的总生成量，最终的硫化
氢浓度应是这两种因素共同作用的结果，处理站应
注意这种变化。
收稿E1期：2o1o 04 11；收修改稿：2010—05—20；编辑：冯学军
(上接第54l页)
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10 GB／T 21109．3 2007／IEC 61511—3：2003．过程工业领域安全
仪表系统的功能安全第3部分确定要求的安全完整性等级的指
南[S]．2007，12：26—29
11 SH／T 3018—2003．石油化工安全仪表系统设汁规范．2004．7
作者简介
陈怀龙：男，1969年生，高级工程师，毕业于长江大学石油地
质专业，在中国石油大学(华东)攻读硕士，现任阿姆河天然气公司天
然气事业部常务副主任。
收稿日期：2010—09—20；收修改稿：2olo一1o一15；编辑：冯学军

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