魏振强，高赫晨
[1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206；
2.中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院，北京 102249]
石油化工产业关系到我国国民生活、国民经济等方面。改革开放以来，石油化工产业发展迅猛，是我国的重要支柱产业之一。随着该行业的发展，业内存在的极高危险性也不容小觑。因此，安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）作为一种安全保护措施，在石油化工行业起到重要作用。安全完整性等级（Safety Integrity Level，SIL）评估能评价SIS中各安全仪表功能（Safety Instrumented Function，SIF）是否具有可靠的执行能力，SIL定级是SIL评估工作的主要任务之一。SIL定级分析技术的主要方法为保护层分析（Layer of Protection Analysis，LOPA），被广泛应用于企业风险评估。
目前，各石油化工企业按要求积极开展SIL定级工作，但由于LOPA分析方法适用对象较多，面向不同企业与不同行业存在冗余项与不足项，造成SIL定级耗时过长，工期受到影响。因此，本研究分析了某油库SIS功能回路的SIL定级过程，优化了SIL的定级流程，提出了基于LOPA方法的SIF回路SIL定级方法。
1.1 SIS的SIL
功能安全在过程工业领域的应用标准IEC 61511将安全完整性定义为在规定的时间周期与条件下，SIS成功达到所需安全要求的概率[1]。SIL是描述SIS中SIF的完整性等级，IEC 61508根据不同的安全性能，将SIL分为4个等级，级别越高，安全等级越高，SIL4为最高级，且SIL包括低需求与高需求两种模式[2]。在SIF回路的不同阶段，对不同的SIL有不同的技术需求，因此，选用合适的SIL对安全工作意义重大。SIL的具体划分如表1所示。
表1 SIL划分
1.2 LOPA研究现状
一般相关人员会依据事故后果的严重性对事故进行及时纠正。不同的安全事故对人员财产及周边环境造成的危害程度不同，不同人对不同频率事故的承受能力也各不相同。LOPA是一种典型的半定量分析方法，主要用于工艺危害风险评估，LOPA分析可定量计算危害发生的概率及已有保护层的防护能力与失效概率，最终确定所要求的特定场景安全程度。LOPA分析的主要目标是确定已有的保护层能否达到企业所需的风险接受标准。若保护措施不能满足企业所需，可通过添加相应的SIF回路达到所需SIL等级[3-5]。
GB/T 32857—2016《保护层分析（LOPA）应用指南》[6]中规定，LOPA是一种对特定危险场景的发生频率及后果严重程度进行评估的方法。随着石油石化产业的不断发展，LOPA作为SIL定级的重要方法之一，可将油站场各风险点/重要控制点的保护层情况梳理清晰，明确掌握风险降低能力分布，进而更有针对性地采取措施，将站场各处风险降至可容忍水平，因此，被广泛应用于石油石化企业的SIL评价。然而，该方法是一种简化的半定量风险分析方法，还存在一些不足之处，例如需获得初试事件的发生概率和保护层失效概率的精准数值，而每个化工企业有特殊性存在，因此，LOPA方法并不适用于所有情况。根据相关调研，大多数企业在进行LOPA分析的过程中存在没有结合企业具体情况的问题。在进行LOPA分析时，企业需要根据GB/T 21109与GB/T20438中给出的LOPA技术指南，结合自身实际情况进行优化，有针对性地研发适合企业的LOPA分析方法。
SIL定级用于对安全联锁回路中各SIF进行定级。SIL定级分析的主要方法为LOPA，应用LOPA的SIL定级被广泛应用于石油化工安全行业。某石化企业根据企业自身特性，在GB/T 21109与GB/T 20438的基础上，编写了石油石化企业LOPA技术指南，建立了适用于石油石化企业的新建、改建、扩建项目和在役装置（设施）经过优化的LOPA技术。
2.1 LOPA方法前期准备
使用LOPA方法进行SIF的SIL确认，前期需进行一系列准备工作：
（1）人员准备，包括主持人、会议记录员及工艺、仪表、操作等相关专业技术人员；
（2）资料准备，包括但不限于工艺危害分析报告、风险标准、工艺管道及仪表流程（Piping and Instrumentation Diagram，P&ID）图、操作控制规程、仪表台账等；
（3）LOPA方法培训：在LOPA工作开始前，主持人为小组成员培训LOPA原理和方法、分析对象的情况、工作计划等。
2.2 LOPA应用在SIL定级中的具体步骤
LOPA分析一般是在定性风险识别分析的基础上，对具体风险场景进行定量风险评估的方法。基本程序包括识别并筛选特定场景、确认初始事件（Initiating Event，IE）发生频率、计算独立保护层（Independent Protection Layer，IPL）失效概率、评估结果，由此确定危险场景发生的可接受程度。LOPA流程如图1所示。
图1 LOPA流程
（1）筛选事故场景，描述事故后果。根据危险与可操作性（Hazard and Operability，HAZOP）分析结果，将可能发生的风险事故场景筛选出来，描述事故后果，确定后果严重等级。
（2）确定IE类型与概率。IE类型分为外部事件、人为失误、设备故障3类；
IE概率一般源于行业统计或企业提供的数据。
（3）确定修正因子，如触发事件的概率、爆炸概率、点火概率、人员暴露概率、经济损失概率等。
（4）IPL的确定与评估。IPL需具备独立性、有效性与可审查性，不同的IPL失效概率不同，失效概率数值常源于行业统计或企业提供的数据。
（5）事故场景概率计算。事故场景概率为IE概率、每个修正因子和每一层IPL失效概率的乘积。
（6）风险决策。根据风险矩阵与事故场景概率判断风险是否达到企业可接受标准[7]。
3.1 油库概况
油库在油气储运过程中用于成品油存储，由于油品自身具有易燃、易爆、易挥发等特点，存在火灾爆炸、油品泄漏、人员中毒等安全隐患。对某石油销售公司的一次中转兼二次分销油库进行LOPA分析，该油库的入库方式为水路，出库方式为公路和水路。水路收油时利用油船上的油泵，通过码头输油臂（软管）、收油汇管将船舱内油品泵入油库油罐，完成收油工作；
水路发油时，通过油泵、输油管线、流量计将指定油罐中的油品输送到油船中。油品装船作业时，将输油软管连接至船上收油口，利用油泵将指定油罐内的油品通过输油管线、输油臂、流量计输送到油船中。公路发油装车时，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）向付油泵、电液控制阀等发送付油命令，同时采集流量计发回的数据并发送停车命令，随后进行下一次装车。
3.2 LOPA分析工作
3.2.1 人员准备
SIL定级的LOPA分析工作小组由主持人、会议记录员、该油库的现场技术人员和操作人员组成。其中，油库相关人员熟悉工艺对象的安全信息，能从专业角度识别事故场景、IE、保护层并评估风险。
3.2.2 资料准备与场景筛选
油库提供的用于SIL定级工作的资料主要包括HAZOP分析报告、联锁逻辑图、P&ID图、操作规程、仪表台账等。
本次SIL定级过程以油库提供的资料为准，在分析时，参与分析的现场技术人员提供的资料及现场操作经验也作为重要依据。
SIF回路主要由以下部分构成：
（1）检测单元，用来指示操作过程中各参数是否处于规定许可范围内的设备；
（2）逻辑解算器，用于执行SIS系统控制指令的设备（如PLC）；
（3）执行单元，用于调节、干预系统流程的设备（如关断阀）。
根据现有资料P&ID、联锁逻辑图等，通过SIL分析会议，确定了包括储罐液位高高联锁类别共16个连锁、储罐液位低低联锁类别共16个连锁、发油岛紧急停止按钮2个连锁、油气回收紧急停止按钮1个连锁和发船紧急停止按钮2个连锁的37个SIS的SIF回路，部分连锁如表2所示。
表2 某油库SIF回路清单（部分）
3.2.3 SIL定级工作记录表
本案例中SIL定级采用LOPA方法，通过LOPA方法确定每个SIF回路的SIL，依据以下步骤执行：
（1）根据所要求风险矩阵与风险可接受标准，预设安全目标；
（2）了解工艺概况，对现有风险进行识别；
（3）根据企业提供的资料掌握相关仪表安全功能；
（4）为各保护层分配所需安全保护措施；
（5）判断保护措施是否满足需要，以判断是否要添加新的SIF回路；
（6）为配置的SIF回路指定所需SIL。
LOPA小组须考虑多重影响参数进行风险评估，既包括物料密度、浓度、需求量等参数，又包括所分析场景的设备布置与工艺流程以及工厂人员配备与巡检暴露情况等，这些都是SIL定级分析的基础。
根据优化后的LOPA分析方法，对油库某储油罐液位高高场景进行SIL定级，分析结果如表3所示。
表3 SIL定级分析结果
在此事故场景中，联锁为汽油罐液位高高联锁，音叉开关控制，液位计高报警失效，液位计假指示低，收油时汽油罐满罐溢流设为IE，其发生概率为0.1，IPL设定为其他形式液位计报警及人员响应。风险频率在可容忍风险程度范围内，因此，保留对应的SIL标准。
3.2.4 LOPA分析总结
本次通过LOPA方法对油库的37个SIF回路进行了SIL定级分析，37个SIF回路达到SIL保留级。所有SIF回路中作为IPL的工艺报警都起到了重要的风险削减作用。但是，因为LOPA分析所需材料与信息多，分析过程耗时长、人员投入大、效率较低，可能会因分析周期较长而影响某些大型化工项目的工期，最终对企业造成损失。
对已有的SIS进行SIL评估，包括SIL定级和SIL验证两个部分。首先，收集企业的HAZOP分析报告、P&ID图、联锁逻辑图等基础资料；
其次，对SIF进行SIL评估。参与分析的现场技术人员及此前HAZOP小组成员提供的资料和现场操作经验也作为评估过程中的重要依据。
在油库SIL定级工作中，由于LOPA法特有的优势，定级小组更多采用LOPA法提高顶级工作的分析精度。然而，LOPA分析也存在一定的局限性，即LOPA分析所需数据较多、分析耗时过长。因此，可先采用耗时相对较短的定性分析方法（如风险图分析法）确定全部SIF回路的SIL，再结合HAZOP的结果对定级为SIL2以上的SIF回路进行LOPA分析，获得精确的SIL。在对SIS的各SIF进行SIL评定的过程中，使用了定性分析结合LOPA分析的方法，在确保SIL定级准确性的同时，大大加快了SIL定级的速度，进而加快了SIL评估全过程的速度。此外，选择前期参与HAZOP分析小组的成员加入SIL定级的LOPA小组，提升了LOPA分析过程的速率与效率，确认了之前HAZOP分析工作中提出的建议。
当前，LOPA方法是国内主流的SIL评估定级技术，应用频率较高，但LOPA技术使用范围较广，面向不同企业、不同行业时可能存在冗余项与不足之处，各企业需结合自身情况，在GB/T 21109与GB/T 20438的基础上对该技术进行相应的优化升级。
此外，LOPA技术是国内进行SIL定级时的默认分析技术，还有多种其他方法可用于SIL定级分析，如风险图与校正的风险图，企业需依据自身情况选择合适的分析方法，也可采用定量分析与定性分析相结合的技术进行SIL评估。基于LOPA方法的SIF回路SIL定级方法就是一种组合分析技术，既加快了SIL定级的速度，又保证了SIL定级的准确性。在实际的SIL定级应用中，应综合考虑多重因素，如项目工期、设备布置、项目特殊性等，灵活选取分析技术，必要时也可对分析技术进行组合，在保证SIL定级准确度的同时，加快SIL定级速度。
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