【PPT】安全仪表系统SIS培训

【PPT】安全仪表系统SIS培训课程预览：

【PPT】安全仪表系统SIS培训课程内容介绍：

一、SIS 核心概念与基础问题
（一）核心概念界定
安全仪表系统（SIS）：由变送器、逻辑处理器、终端元件组成，当工艺偏离正常值时，能将系统带回安全状态，与基本工艺控制系统（BPCS，如 DCS）功能区分，专注安全保障。
安全仪表功能（SIF）：SIS 中的单一回路，仅针对特定隐患发挥作用，每个 SIF 回路对应唯一的安全完整性等级（SIL），是 SIS 实现安全功能的基本单元。
SIS 生命周期：涵盖从工艺流程概念设计、危险源识别、SIL 评估（LOPA 分析）、SIL 等级确定（含 SIF 冗余 / 增删及非 SIS 措施规划）、SIF 设计（因果图与技术参数确定）、采购安装（满足 PFD 要求并验证），到调试、维护的全流程，各环节环环相扣保障系统有效性。
故障模式分类：仪表故障分为安全失效（λS）和危险失效（λD），两类失效又可进一步细分为可探测与不可探测两种情况。安全失效可能导致误跳车，降低生产连续性；危险失效中，不可探测类型无法被系统识别，易引发安全事故，可探测类型可转化为安全失效以保障系统安全。
SIL 与 PFD 定义：SIL 是 SIF 回路的可靠性要求，基于需求失效率（Demand，非 SIS 系统失效率）和平均失效概率（PFDavg）划分等级。PFDavg 是 SIF 回路失效率，等于变送器、逻辑处理器、终端元件三子系统 PFD 之和，单个仪表 PFD 可通过公式 “PFDavg≈λD×TI/2”（λD 为危险失效率，由仪表商提供；TI 为调试频率，由业主定义）计算，SIL 按 PFDavg 区间分为 4 级，具体如下：
|SIL 等级 | SIL 1|SIL 2|SIL 3|SIL 4|
|—-|—-|—-|—-|—-|
|PFDavg 区间 | 10⁻¹-10⁻²|10⁻²-10⁻³|10⁻³-10⁻⁴|10⁻⁴-10⁻⁵|
（二）核心基础问题
课件开篇提出 7 个关键问题，贯穿培训始终并逐步解答，包括 “为何不用 DCS 执行安全功能”“1oo2 与 2oo3 哪种更安全”“能否设计 100% 可靠且不误跳车的联锁”“SIF 增减条件”“SIF/DCS 分共享原则”“SIL 是否增加成本”“SIS 仪表采购、验证与维护方式”，以及 “天然气 / 原油长输及石化项目中 SIF 过压保护设计”。
二、SIS 概率运算与冗余设计
（一）基本概率法则
明确 “与事件” 概率计算公式为 “P (A AND B)=P (A)×P (B)”，“或事件” 概率计算公式为 “P (A OR B)=P (A)+P (B)”，为 SIS 冗余配置的风险评估提供数学依据。
（二）不同冗余配置的风险对比
通过量化误跳车率（影响生产连续性）和危险率（影响安全可靠性），对比不同冗余结构的优劣，具体数据如下：

由此得出性能排序：安全性为 “1oo2＞2oo3＞1oo1＞2oo2”，生产连续性为 “2oo2＞2oo3＞1oo1＞1oo2”。
（三）PFD 计算与系统可靠性保障
PFD 计算公式：针对不同冗余结构，提供专属 PFD 计算式，如 1oo1 为 “λD (MTTR+TI/2)”，1oo2 为 “2λD²(MTTR+TI/2)²”（MTTR 为从拆卸到检修完好的时间，MDT=MTTR+TI/2，假设 1/MDT 远大于失效率），同时给出平均无故障时间（MTBFsp）计算公式，为 SIF 回路 PFD 验证提供工具。
系统可靠性提升措施：压力变送器采用两组 2oo2 结构，分别保障生产连续性与安全可靠性；电磁阀和工艺阀门通过 “单个阀门双电磁阀 2oo2（保连续性）+ 双工艺阀门 1oo2（保安全性）” 的组合设计，平衡安全与生产需求。
三、工艺系统设计分析
（一）设计流程与风险评估
核心流程：从工艺流程概念设计入手，开展危险源识别（明确隐患后果与发生可能性），结合物料平衡与工艺流程图，通过分层保护分析，判断是否需 SIS 及确定 SIL 等级，最终完成 SIF 设计（含冗余与技术参数），同时需考量非 SIS 措施，遵循 “分层保护” 与 “100% 胜任” 原则。
风险评估关键：先定义可接受风险（需结合公司标准、环境 / 社区影响、地方法规），再对比固有风险与可接受风险。过高估计后果会增加投资成本，过低估计则可能因措施不足引发危险；通过评估非 SIS 措施总风险，判断是否需补充 SIF 及确定其 SIL 等级。
（二）分层保护体系
体系原理：每层保护措施均为安全做贡献，只要有一层措施成功，即可阻止事故发生或扩大，要求保护层总失效率低于可接受风险。
措施分类：预防措施（如生产操作程序、DCS、报警与操作工干预、SIS）通过降低事故发生可能性减风险；减缓措施（如控制点火源、火灾和气体探测系统、围堰、应急撤退）通过降低后果严重性减风险。
案例验证：以高压容器过压保护为例，仅靠 “高压报警 + 员工干预” 时，总失效率 1.9×10⁻³，高于可接受风险 10⁻⁴；增加 1 层保护层后，总失效率 1.9×10⁻⁴，仍不达标；再增加 1 层 SIS 保护层，总失效率降至 1.9×10⁻⁵，满足安全要求，凸显分层保护的重要性。
保护层要求：需具备独立性（不依赖其他保护层）、可靠性（满足额定荷载）、针对性（聚焦特定隐患）、可审计性（可验证有效性），同时区分主动独立保护层（如 DCS、SIS）与被动独立保护层（如围堰、阻火器）。
四、SIL 在 SIS 设计中的应用
（一）SIL 与 SIF 调整
SIF 增减依据：根据 SIL 评估结果，若现有非 SIS 措施已能将风险降至可接受范围，可删除冗余 SIF；若风险超出可接受水平，则需新增 SIF，例如通过 SIL 评估确定输油管是否需紧急切断 SIS。
冗余设计规范：依据 IEC 61511-1 标准，不同 SIL 等级对应不同硬件容错要求，如 SIL 1 最低冗余要求为 0，SIL 2 为 1（SFF＜60% 时），SIL 3 为 2（SFF＜60% 时），SIL 4 需参照 IEC 61508 特殊要求；实际设计中不建议采用 SIL 4，避免过度冗余导致生产、维护问题，优先通过非 SIS 措施降低 SIL 等级。
（二）SIS 与 DCS 的分共享设计
共用前提：仅当 DCS 失效不影响 SIS 的 SIL 等级时，可共用变送器 / 阀门；逻辑处理器共用时，需按 SIS 标准进行运行、变更、维护、调试，并设置严格的组态与编程权限，提升系统可靠性。
分开设计场景：为避免 DCS 与 SIS 同时失效，或防止 DCS 变更意外影响 SIS 安全功能，需采用分开设计，SIL 3 应考虑分开设计与仪表冗余多样性，SIL 4 必须分开设计且采用冗余多样性。
应用限制：共用设计多用于 SIF≤SIL 1 的场景；两位阀失效率满足 SIL 2 时，可用于≤SIL 2；调节阀失效非 SIF 动作原因时，可用于≤SIL 3；“三变送器中间值控制 + 2oo3 联锁” 仅适用于 SIF≤SIL 1。
（三）特殊场景设计
仪表冗余多样性：通过选用不同厂家、原理、型号的仪表，减少 “共同原因失效”，例如锅炉 / 氨罐过压保护中，压力与温度信号组成 1oo2 回路（温度设定值对应起跳压力的饱和蒸气压），利用不同检测原理消除相同失效风险。
HIPS 设计：应用于火炬系统，工厂火炬系统中，SIS 切断再沸器蒸汽可避免安全阀起跳，关键在于保障 SIS 可靠性；天然气 / 原油长输系统中，需防范单个接力压缩机站跳车引发的上游全线超压问题；设计需满足 “火炬头马赫数≤0.5”“安全阀出口背压≤起跳压力 10%（弹簧式）或 50%（先导 / 波纹管式）”“火炬总管超压 150-200% 概率≤10⁻⁵” 等前提，根据 SIL 等级确定失效 SIS 数量，作为火炬系统设计负荷。
破管保护：针对高压氧气管线、天然气 / 原油长输管线、海洋石油生产输送管线、罐区管线等场景，通过 SIL 评估确定保护功能在 SIS 或 DCS 中实现，防范管道破裂引发的安全事故。
（四）安全要求规范与案例
即使 SIS 满足 SIL 等级、分共享、冗余、多样性要求，仍可能因安全要求设计错误导致事故前不动作。例如 “2oo3 联锁 + 1 变送器控制” 的案例中，需警惕设计逻辑漏洞对 SIS 功能的影响，强调规范设计的重要性。