基于本质安全和设备可靠性数据(H-SIL)的混合安全完整性等级确定方法开发：以甲醇生产装置为例

《Results in Engineering》：Development of a Hybrid Safety Integrity Level Determination Method Based on Inherent Safety and Equipment Reliability Data (H-SIL): A case study of methanol production unit

　　

功能安全是过程装置设计和运行的关键要求之一，确定安全仪表设备的安全完整性等级(SIL)是确保风险降低的最关键步骤。确定SIL的传统方法主要基于主观判断和定性或半定量分析，严重依赖于HAZOP等初步过程危险分析研究。这些特征使得工业项目中的SIL确定耗时较长，且需要反复进行专家评估，从而降低了结果的精度和透明度。研究人员开发了一种名为H-SIL的新方法，旨在提供一种独立于初步危险分析的SIL定量确定方法。该方法通过构建由本质安全设计指数和故障率数据组成的矩阵，确定设备的本质安全完整性等级。该方法利用保护层分析(LOPA)的逻辑来检验现有保护层的充分性。H-SIL使设计人员能够在从早期设计阶段到运行阶段的整个过程中，持续监控每台设备的安全要求和保护层的充分性，并实施纠正措施以提高安全性能。为了验证所提出的方法，将H-SIL应用于甲醇装置，并将其结果与LOPA分析的结果进行比较。H-SIL和LOPA方法的SIL结果之间的高度一致性证明了所提方法的准确性，可靠性和逻辑一致性。因此，H-SIL方法不仅在结果准确性上与LOPA保持一致，而且还提供了如确定本质SIL，识别固有风险缺口，评估独立保护层充分性等额外功能。

功能安全是工艺装置设计与运行的核心要求。安全仪表系统(SIS)负责在面临高压等危险场景时执行安全仪表功能(SIF)，从而将残余风险降至可容忍水平，而安全完整性等级(SIL)定义了SIS降低风险的具体数值。现有标准（如IEC 61508）在规定SIL时，通常采用基于要求时失效概率(PFD)或每小时失效概率(PFH)的半定量或定性方法。然而，这些传统方法具有显著局限性。定性方法（如风险图）高度依赖专家团队的主观经验，容易导致不同分析人员得出截然不同的结论，且通常无法精确量化现有保护层的作用；半定量方法（如保护层分析(LOPA)）在参数范围界定上较为宽泛，同样受制于主观判断；定量方法（如故障树分析(FT)）虽然准确度较高，但对输入数据敏感，计算复杂且成本高昂。为了解决传统方法在保守性、主观性和时间消耗方面的固有缺陷，研究人员提出必须从纯粹主观的静态风险评估向数据驱动的现实性评估转变，并开发了混合安全完整性等级(H-SIL)确定方法。该研究发表在《Results in Engineering》。H-SIL方法结合了本质安全设计指标与设备故障率数据，有效消除了定性与半定量方法的主观性，同时避免了完全定量技术的计算复杂性，为高风险化工过程提供了一种精确且动态的风险评估手段。

在关键技术方法方面，研究人员利用本质更安全设计(ISD)原理中的综合本质安全指数(CISI)作为后果严重度的评估工具，该指数涵盖了化学本质安全指数(ICI)和过程本质安全指数(IPI)，可量化每台设备的火灾、爆炸、毒性及反应危险性。对于事故发生可能性，研究采用来自OREDA手册等国际数据库的设备故障率数据。通过设置几何比例边界构建安全完整性等级矩阵(SILM)，将设备的CISI得分与故障率映射至5×5的矩阵中以确定固有安全完整性等级(ISIL)。随后采用类似LOPA的独立保护层(IPL)风险降低系数逻辑来评估现有保护层的充分性并计算固有风险缺口。研究的验证案例选取自某甲醇生产装置，涵盖余热回收、二氧化碳增压、压缩、反应和净化等主要单元。

在“H-SIL方法确定甲醇装置SIL”的研究结果中，通过对各工段设备进行CISI和故障率计算，构建了甲醇装置的SIL矩阵。研究得出结论，由于反应、压缩和余热回收段的过程流量较高且设备众多，这些工段表现出相对更高的后果严重度。对于热交换器设备HE01等方法判定即使未配置SIS，基于其固有危险和故障率，仍需一定程度的额外风险降低。此方法能够判定每台设备的ISIL值，摒弃了传统方法中所有同类设备配置相同保护层的错误假设。例如，研究明确得出压缩工段中由于固有危险和工艺参数各异，各台压缩机被赋予了不同的ISIL值，为设计人员按风险等级优先配置保护系统提供了依据。

在“H-SIL验证”的研究结果中，研究人员将H-SIL应用于压缩工段的洗涤器和压缩机案例，并将结果与LOPA方法进行比对。研究发现，在对C05压缩机的场景分析中，H-SIL通过核算报警系统和安全阀的IPL风险降低系数，精确识别剩余风险缺口，得出需增加一个未指定完整性等级的SIS的结论，与传统方法相比防止了过度或不足保护。研究得出结论，对于C04与C05压缩机，LOPA因采用固定的后果定义而未体现出C05在排放端温度和压力更高所致的严重度差异，导致两设备SIL分配相同。H-SIL凭借对设备在工艺全局中的关键性和操作条件的精准评估，纠正了这一偏差。该结果明确证实了H-SIL在SIL确定及匹配真实工艺风险特征上具有更高的准确性与优越性。

在结论部分，研究人员指出H-SIL方法已成功基于本质安全指数和设备可靠性数据被开发出来。该方法能够在不考虑现有保护层的条件下明确各设备的固有安全完整性等级(ISIL)，从而精准识别出固有风险缺口。ISIL值代表了必须通过独立保护层(IPL)实现的风险降低量。这一理念为从基础设计到工厂运行阶段的保护层选择和优先级排序提供了极高灵活性，使设计人员能确保所选保护层具有针对性且比例合适。这推动了安全系统在技术与经济层面上的优化，避免了冗余保护层的实施，通过甲醇生产案例验证了反应段风险最高，而压缩段所需IPL最多。尽管该方法仍面临设备故障数据不确定性以及需选取最佳本质安全设计指数的局限性，但其为建立数据驱动的工厂安全管理策略开辟了新路径。