SIL 等级计算

80万吨/年甲醇项目安全完整等级（SIL） 回路计算实例分析 企业： 《自动化博览》领域： 工业安全

日期： 2011-07-08 点击数： 1749

作者 赵亮

中海石油化学股份有限公司 海南省东方市 572600

摘要：安全完整性等级（SIL）评估技术是近几年发展起来的针对石化行业一种基于风险的资产管理方法，国际标准

IEC61508和IEC 61511的制定为石化工业等过程工业的安全完整性水平评估提供了依据，对于石化行业的安全生产水平

具有重要的促进作用。本文根据80万吨/年甲醇项目的安全完整性等级计算的过程介绍安全完整性等级的计算方法，为项

目的建设验收以及装置的技术改造提供理论依据。

关键词：工艺危害性分析（PHA）；危险与可操作性分析（HAZOP）；安全完整性等级（SIL）

Abstract: Safety Integrity Level (SIL) evaluation technology is an asset management way for risk on oil

and chemical industries. It is developed in the closed years. The foundation of IEC 61508 and IEC 61511 provide

theory base for SIL, which promote greatly for industry safety operation level. This article takes the plant

with 800K tons of methanol per year for instance to detail SIL counting method, therefore to set a theory

foundation for project built and acceptance as well as the reforming of a plant.

KEY WORDS: Process Hazard Analysis (PHA), Hazard and Operation Analysis (HAZOP), Safety Integrity Level

(SIL)

安全完整性等级（SIL）是安全仪表系统（SIS）中的重要组成部分，在国际电工委员会（IEC）标准IEC 61508以及

IEC 61511中有详细的规定，同时在ISA S84.01中有类似的规定，不过ISA S84.01关于SIL的模型已经逐步被IEC 61508

代替，但是在安全完整性等级的计算中还有重要的意义。目前国内大型化工装置中关于安全仪表的相关论述很多，包括如

何进行HAZOP分析，如何进行过程安全保护层分析（LOPA），对于安全完整性等级（SIL）的确定，但是如何指导工厂的

技术工程师对项目的安全完整性等级进行验证，如何收集相关参数论述的较少，本文从具体安全完整性等级的过程出发，

介绍如何进行安全完整性的验算过程，为项目的验收和日后的技术改造提供计算的方法。

1 项目的基本情况介绍

80万吨/年甲醇项目是中海石油化学股份有限公司投资的项目，目前是国内的天然气制甲醇项目单套规模最大的装

置，该项目采用英国DAVY公司的的工艺包，该工艺包代表当今世界最先进的技术。在引进合同的技术附件中，我们要求

DAVY公司在工艺包设计的同时对其所设计的项目进行工艺危害性分析（PHA），提供工厂的危险与可操作性分析（HAZOP）

供业主共同审查，经过HAZOP审查后，DAVY公司在因果图文件中将项目的安全仪表回路所需要达到的安全完整性等级进

行了界定，业主在根据单台设备所需要的要求进行设备采办，然后在根据采购的设备厂商反馈的参数，验证安全仪表回路

的安全完整性等级能否满足设计要求。

2 安全完整性等级的验证

安全仪表系统在设计安装完成后需要对其进行功能安全评估，以明确其安全功能所达到的安全完整性等级，即使在装

置运行多年后，进行技术改造时也要对装置的完整性等级进行计算，同时装置的检修周期也应该按照安全完整性等级计算

所采用的周期进行检修。

在对装置的安全完整性等级计算的结果与装置需要的安全完整性等级进行比较，如果答不到根据风险评估选择的安全

完整性等级，则安全仪表系统应重新设计或进行改造，因此，对于安全完整性等级的演算非常重要。对于SIL演算常用的

主流方法有可靠性框图、故障树和马尔可夫（Markov）模型。

2.1 可靠性框图

可靠性框图是一种传统的可靠性分析方法，它用图形的方式来表示系统内部元件的传递过程，显示了相关元件的串并

联关系，具有简单、清楚直观的特点，如图1所表示的是一个具有三个通道的2oo3传感器表决组的可靠性框图。

图1 具有三个通道的2oo3传感器表决组的可靠性框图

IEC 61508-6的附录中给出了使用可靠性框图法的5种表决结构的平均停止工作时间和平均要求失效概率PFDAVG并

给出了PFDAVG的计算公式，结合厂商提供的相关参数，可以计算出相关的安全完整性等级，如果没有厂商提供的数据，

根据IEC 61508提供的经验数据，也可以计算出大致的结果。

2.2 故障树

故障树（Fault Tree Analysis，FTA）是根据布尔逻辑用图表示系统的特定故障（称为定上事件）。它对故障发生的

基本原因进行推理分析，然后建立从原因描述故障的有向逻辑图。

2.3 马尔可夫模型

马尔可夫模型（Markov）模型定义系统中全部互斥的成功/失效状态，这些状态由带编号的圆圈来表示。系统由一种

状态以某种概率转移到另一种状态，无论发生失效还是进行维修，状态之间的转换用箭头转移弧来表示，并标注相应的失

效率和维修率，从而描述了系统随时间变化的行为，如图2所示。

图 2 马尔可夫模型（Markov）模型定义系统

但是构造大型的马尔可夫模型非常费时、费力，求解也非常困难，在反应系统设备间的可靠性关系不如故障树和可靠

性框图直观，在工程项目的验算过程中使用的非常少。

在关于安全完整性等级计算还有其它的很多中方法和模型，如混合计算等，但是在工程项目的SIL验算以及装置的技

术改造所进行的SIL验算只需要利用IEC 61508或ISA TR84.00.02中的可靠性框图进行计算即可，而且该框图直观，便

于工程技术人员理解和使用。

3 安全完整性（SIL）验算实例

3.1 安全完整性的定义

安全仪表系统的的安全功能在要求时的平均失效概率，是计算和组合所有提供安全功能的子系统的平均失效概率来确

定的（如图3），安全仪表系统的平均失效概率计算公式如下：

其中：PFDSYS其中 为安全仪表系统在要求时的平均失效概率

PFDPOWER为安全仪表的供电电源的平均失效概率

PFDS为传感器子系统在要求时的平均失效概率

PFDL为逻辑控制器在要求时的平均失效概率

PFDFE是最终执行元件在要求时的平均失效概率

如果安全仪表设计为故障失电，则安全仪表的电源的PFD不影响安全完整性等级的计算，因为系统故障后处于安全状

态，如果安全仪表设计为故障带电状态，则安全仪表的电源的PFD则影响安全完整性等级的计算，因为80万吨甲醇/年项

目的设计理念是正常带电，因此，可以不考虑电源的PFD，电源也无须采用安全仪表电源。 PFDPOWER 为0。

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