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安全儀表系統(tǒng)的功能安全分析

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安全儀表系統(tǒng)的功能安全分析      
電子信息與自動化學(xué)院
王鵬
備注：1
目錄
1.  課題背景及研究現(xiàn)狀
2.  安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評估
3.  火電廠鍋爐運行過程的危險及風(fēng)險分析
4.  鍋爐爐膛爆炸的保護層分析
5.  爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評估
6.  總結(jié)與展望
2
備注：2
3
 研究背景及意義
         隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的控制規(guī)模在不斷擴大，復(fù)雜程度不斷增加，工藝過程不斷強化，對過程控制系統(tǒng)的要求也越來越高。
        在生產(chǎn)過程中，用于監(jiān)視生產(chǎn)過程，在危險條件下采取相應(yīng)措施防止危險事件發(fā)生的安全儀表系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛使用。
      但安全儀表系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，遇到了系統(tǒng)功能安全難以保證這個最大的阻力。1976年意大利化工廠二噁英泄漏、1984年印度Bhopal農(nóng)藥廠毒氣泄漏、1986年切爾諾貝利核電站事故……連接發(fā)生的工業(yè)事故起因都是安全儀表系統(tǒng)的功能失效。
備注：3
4
安全儀表系統(tǒng)（SIS）
  監(jiān)視控制系統(tǒng)狀態(tài)，完成安全保護功能，注重安全性

研究背景及意義
控制系統(tǒng)分為兩類：
基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）
  實現(xiàn)對過程的連續(xù)控制或順序控制，強調(diào)可靠性
備注：4
 研究背景及意義
5
安全儀表系統(tǒng) (SIS)
功能安全理論
安全功能（Safety Function）
功能安全（Functional Safety ）
備注：安全儀表系統(tǒng)（SIS）與基本過程控制系統(tǒng)（BPCS），作為自動控制系統(tǒng)的兩個重要分支,在過程工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。BPCS用于執(zhí)行基本的過程控制功能，保證生產(chǎn)的正常進行；SIS用于監(jiān)視控制系統(tǒng)狀態(tài)，判斷危險條件，并能采取緊急措施防止危險的發(fā)生或減輕事故后果.

備注：5
 研究背景及意義
6
火電廠爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）
統(tǒng)一SIS的范圍：包括 ESD、FSSS、FGS等
安全完整性等級（SIL）作為功能安全的評價標準
安全生命周期（SLC）為架構(gòu)
廣泛應(yīng)用到化工、冶金、鐵路、機械等領(lǐng)域，電力行業(yè)開始引進和滲透。
功能安全理論
備注：6
 功能安全技術(shù)的研究內(nèi)容
7
以功能安全標準為基礎(chǔ)
以安全生命周期為架構(gòu)
基于風(fēng)險降低原理
備注：7
功能安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
8
功能安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

可靠性
技術(shù)

安全評價技術(shù)

功能安全技術(shù)

可靠性數(shù)學(xué)
可靠性物理
可靠性工程
危險識別
風(fēng)險評價
風(fēng)險控制
功能安全標準
功能安全理論
功能安全產(chǎn)品的評估和認證
備注：8
9
危險辨識及
風(fēng)險分析
確定目標安全
完整性等級(SIL)
FSSS的SIL驗證
及改進措施
FSSS的功能安全分析
火電廠鍋爐的危險辨識

建立爐膛爆炸后果的數(shù)學(xué)模型

爐膛爆炸事故
保護層分析

采用風(fēng)險矩陣及風(fēng)險圖法，確定FSSS的目標SIL
主燃料跳閘（MFT）硬跳閘回路安全性
與可靠性分析

風(fēng)量<30%觸發(fā)MFT，對比實際SIL與目標SIL，提出整改措施。
備注：9
目錄
1.  課題背景及研究現(xiàn)狀
2.  安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評估
3.  火電廠鍋爐運行過程的危險及風(fēng)險分析
4.  鍋爐爐膛爆炸的保護層分析
5.  爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評估
6.  總結(jié)與展望
10
備注：10
可靠性與安全性指標
11
可靠性指標
可靠度R(t)、可用率A(t)、失效率λ(t)、平均故障前時間MTTF、平均故障修復(fù)時間MTTR、維修率μ(t)及平均故障間隔時間MTBF
安全性指標
要求時失效概率PFD、安全失效概率PFS、平均無危險故障時間MTTF及診斷覆蓋率C
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
備注：11
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
SIS控制器的冗余結(jié)構(gòu)
12
1oo1結(jié)構(gòu)
1oo2結(jié)構(gòu)
2oo3結(jié)構(gòu)
2oo2結(jié)構(gòu)
備注：12
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
13
失效模式
安全（S）
危險（D）
無影響
安全檢測到的（SD）
安全未檢測到的（SU）
危險檢測到的（DD）
危險未檢測到的（DU）
安全檢測到的共因（SDC）
安全檢測到的獨立（SDN）
安全未檢測到的共因（SUC）
安全未檢測到的獨立（SUN）
危險檢測到的共因（DDC）
危險檢測到的獨立（DDN）
危險未檢測到的共因（SUC）
危險未檢測到的獨立（SUN）
失效模式分類
備注：13
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
定義出12種狀態(tài)：OK、DDN、DUN、SDN、SUN、DDN SDN、
DDN SUN、DUN SDN、DUN SUN、FS、FDD、FDU

14
四種冗余結(jié)構(gòu)的馬爾可夫模型
1oo1結(jié)構(gòu)
1oo2結(jié)構(gòu)
備注：14
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
15
2oo3結(jié)構(gòu)
2oo2結(jié)構(gòu)
備注：15
16
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
安全完整性等級	低要求操作模式下的PFD	高要求操作模式下的PFH
4	10-4～10-5	10-8～10-9
3	10-3～10-4	10-7～10-8
2	10-2～10-3	10-6～10-7
1	10-1～10-2	10-5～10-6
安全性和可用性指標
安全完整性等級（SIL）是SIS安全性能最重要的衡量標準
可用率(A)用來表征可維修系統(tǒng)的正常工作特性
穩(wěn)態(tài)可用率
時變可用率
備注：16
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
基于連續(xù)馬爾可夫模型求取  PFD、PFS
    
17
初始狀態(tài)矩陣
為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

，
經(jīng)過n個時間間隔
安全失效向量
危險失效向量
  
令時間增量趨于0，得到連續(xù)時間馬爾可夫模型
假設(shè)條件
推導(dǎo)過程
離散時間馬爾可夫模型
或
備注：17
基于連續(xù)時間馬爾可夫模型的系統(tǒng)可用性評估
 N取M(MooN)結(jié)構(gòu)的PFS、PFD曲線
PFS最終趨于穩(wěn)態(tài)
曲線分析
PFD都呈線性增加趨勢
與1oo1結(jié)構(gòu)相比
1oo2： PFD       PFS
2oo2： PFD       PFS
2oo3： PFD       PFS
MooN結(jié)構(gòu)的時變可用率
18
2oo2 < 1oo1< 1oo2< 2oo3

可用率比較：

備注：18
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
單元故障事件描述
單元i單獨故障
含單元i在內(nèi)的若干單元同時故障
逆事件
單元i正常
可靠性與安全性分析的假設(shè)
系統(tǒng)單元故障次數(shù)服從泊松分布
相同個數(shù)的單元共因失效的故障率相同
每個單元服從相同的分布，承受相似的共因失效沖擊
…
19
備注：19
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
20
基于上述假設(shè)，得到：
在[0,t)時間內(nèi)，單個單元及多個單元同時故障首次發(fā)生概率為：
 
,
…
在[0,t)時間內(nèi)，首次故障不發(fā)生的概率為：
,
…
備注：20
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
21
存在共因失效的典型結(jié)構(gòu)可靠性分析
串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖
并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖
系統(tǒng)正常
串聯(lián)系統(tǒng)可靠度
平均故障前時間
系統(tǒng)正常
并聯(lián)系統(tǒng)可靠度
平均故障前時間
備注：21
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
n取k系統(tǒng)的可靠性框圖
不考慮共因失效的n取k系統(tǒng)的可靠度
 
替換為
考慮共因失效的n取k系統(tǒng)的可靠度
平均故障前時間
22
備注：22
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
23
a)串-并聯(lián)系統(tǒng)
b)并-串聯(lián)系統(tǒng)
混聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖
     表示第i個并聯(lián)子系統(tǒng)中j個單元
的共因失效率
串-并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度
平均故障前時間
     表示第j個串聯(lián)子系統(tǒng)中i個單元的共因失效率
并-串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度
平均故障前時間
備注：23
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
24
存在共因失效的系統(tǒng)安全性分析
串聯(lián)系統(tǒng)的故障樹模型
備注：24
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
25
并聯(lián)系統(tǒng)的故障樹模型
備注：25
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
26
 n取k系統(tǒng)的故障樹模型
                                                   
備注：26
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
27
多重冗余結(jié)構(gòu)的共因失效故障率確定
雙重冗余結(jié)構(gòu)
共因失效模型
三重冗余結(jié)構(gòu)
共因失效模型
四重冗余結(jié)構(gòu)
共因失效模型
備注：27
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
28
手動跳閘按鈕可靠性與安全性指標計算
動作方式		結(jié)構(gòu)	
正邏輯
跳閘方式	    串聯(lián)	  并-串聯(lián)	 串-并聯(lián)
負邏輯
跳閘方式	    并聯(lián)	 并-串聯(lián)	
手動跳閘按鈕連接方式
備注：28
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
29
   兩種跳閘方式下的觸點失效模式影響及診斷分析
（Failure modes, effects, and diagnostic analysis, FMEDA）
名稱	失效模式	影響	λ	自診斷
能力	DD	DU	SD	SU
正邏輯
跳閘
觸點	高插入損耗	危險	10	0	0	10	0	0
正邏輯
跳閘
觸點	污濁	危險	6	0	0	6	0	0
正邏輯
跳閘
觸點	開路	危險	1	0	0	1	0	0
正邏輯
跳閘
觸點	短路	安全	1	0	0	0	0	1
正邏輯
跳閘
觸點	工藝及其它	危險	3	0	0	3	0	0
負邏輯
跳閘
觸點	高插入損耗	安全	10	0	0	0	0	10
負邏輯
跳閘
觸點	污濁	安全	6	0	0	0	0	6
負邏輯
跳閘
觸點	開路	安全	1	0	0	0	0	1
負邏輯
跳閘
觸點	短路	危險	1	0	0	1	0	0
負邏輯
跳閘
觸點	工藝及其它	安全 	3	0	0	0	0	3
備注：29
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
30
結(jié)論
1.   可靠度比較
      正邏輯串聯(lián)與負邏輯并聯(lián)的可靠度相同，
      正邏輯串-并聯(lián)與負邏輯并-串聯(lián)的可靠度相同
結(jié)構(gòu)	PFDavg	PFS
正邏輯串聯(lián)		
正邏輯并—串聯(lián)		
正邏輯串—并聯(lián)		
負邏輯并聯(lián)		
負邏輯并—串聯(lián)

正邏輯：

負邏輯：
2. 
與
比較
正邏輯三種結(jié)構(gòu)的可靠度隨時間變化趨勢
不同結(jié)構(gòu)的PFDavg與PFS指標
備注：30
考慮共因失效因素的系統(tǒng)可靠性與安全性評估
31
 可靠度均隨    因子的增大而增大，隨時間的增長而呈下降趨勢
正邏輯串聯(lián)
正邏輯串-并聯(lián)
正邏輯并-串聯(lián)
3.  正邏輯三種結(jié)構(gòu)的可靠度隨
因子和時間變化趨勢
備注：31
目錄
1.  課題背景及研究現(xiàn)狀
2.  安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評估
3.  火電廠鍋爐運行過程的危險及風(fēng)險分析
4.  鍋爐爐膛爆炸的保護層分析
5.  爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評估
6.  總結(jié)與展望
32
備注：32
33
火電廠單元機組生產(chǎn)流程
備注：33
火電廠鍋爐危險辨識
34
鍋爐壓力容器
失效分析
火電廠鍋爐
常見事故
分為：強度失效、剛度失效、穩(wěn)定失效
按力學(xué)特征，
按宏觀外貌特征，
分為：變形失效、斷裂失效、表面損傷失效、
             泄漏失效、裂紋引起失效、材料老化
鍋爐供水及水質(zhì)引起的事故（缺水、滿水、汽水共騰、水擊）
鍋爐爆管事故（水冷壁、省煤器、過熱器、再熱器）
燃燒及風(fēng)煙系統(tǒng)事故（爐膛爆燃、尾部煙道二次燃燒、鍋爐結(jié)渣）
鍋爐爆炸事故（水蒸氣、超壓、缺陷、嚴重缺水）
備注：34
鍋爐爐膛爆炸事故的風(fēng)險分析
35
鍋爐爆燃原理
爐膛外爆
定容等熵過程
理想氣體定容
積存的可燃混合物容積
定容平均比熱容
可燃混合物單位容積發(fā)熱值
爐膛內(nèi)爆
理想氣體方程
積存的可燃物被瞬時點燃，爐膛煙氣側(cè)壓力驟增
爐膛壓力過低、下降幅值超過爐墻結(jié)構(gòu)的承受壓力
備注：35
鍋爐爐膛爆炸事故的風(fēng)險分析
36
鍋爐爐膛爆炸后果分析
干飽和蒸汽爆破能量計算
常用壓力下
干飽和蒸汽爆破能量系數(shù)
干飽和蒸汽體積
P（MPa）	0.3	0.5	0.8	1.3	2.5	3.0
Cs（kJ/m3）						
干飽和蒸汽爆破能量系數(shù)擬合曲線
一次函數(shù)
二次函數(shù)
三次函數(shù)
干飽和蒸汽爆破能量系數(shù)
備注：36
鍋爐爐膛爆炸事故的風(fēng)險分析
37
飽和水的爆破能量計算
飽和水爆破能量系數(shù)
P（MPa）	0.3	0.5	0.8	1.3	2.5	3.0
Cw（kJ/m3）						
飽和水爆破能量系數(shù)擬合曲線
飽和水爆破能量系數(shù)
飽和水體積
一次函數(shù)
二次函數(shù)
三次函數(shù)
   
備注：37
鍋爐爐膛爆炸事故的風(fēng)險分析
爆炸沖擊波超壓計算
若
則
取1000kgTNT為基準爆炸能量，計算距離爆炸中心R處的超壓
R0 (m)	5	6	7	8	9	10	11	12	16
          （MPa）	2.94	2.06	1.67	1.27	0.95	0.76	0.50	0.33	0.235
R0 (m)	18	20	25	30	35	40	45	50	55
          （MPa）	0.17	0.126	0.079	0.057	0.043	0.033	0.027	0.0235	0.021
R0 (m)	60	65	70	75					
          （MPa）	0.018	0.016	0.014	0.013					
1000kgTNT爆炸的沖擊波超壓
38
備注：38
直流鍋爐的爆炸風(fēng)險分析
39
直流鍋爐的水容積及壓力分布
部件	V（m3）	P（MPa）	部件	V（m3）	P（MPa）
省煤器	126.1	29.4	過熱器	134.6	26
水冷壁	67.7	28.79	再熱器	379.4	4.5
分離器	11.8	27.2			
部件	爆炸比例	沖擊波超壓 （MPa）	后果
省煤器	1%	0.126~0.17	大部分人員死亡
防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌
省煤器	5%	0.50~0.76	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
省煤器	10%	0.95~1.27	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
省煤器	30%	2.06~2.94	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
省煤器	50%	>2.94	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
省煤器	80%	>2.94	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
省煤器	100%	>2.94	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
部件	爆炸比例	沖擊波超壓 （MPa）	后果
水冷壁	1%	0.079~0.126	人員內(nèi)臟嚴重損傷或死亡，磚墻倒塌
防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌
水冷壁	5%	0.235~0.33	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
水冷壁	10%	0.50~0.76	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
水冷壁	30%	1.27~1.67	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
水冷壁	50%	1.67~2.06	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
水冷壁	80%	2.06~2.94	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
水冷壁	100%	>2.94	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
省煤器爆破能量、沖擊波超壓及后果
水冷壁爆破能量、沖擊波超壓及后果
備注：39
直流鍋爐的爆炸風(fēng)險分析
40
部件	爆炸比例	沖擊波超壓（MPa）	后果
分離器	1%	<0.013	人員輕微損傷，受壓面的門窗玻璃大部分破碎
分離器	5%	<0.013	人員輕微損傷，受壓面的門窗玻璃大部分破碎
分離器	10%	<0.013	人員輕微損傷，受壓面的門窗玻璃大部分破碎
分離器	30%	0.021~0.0235	人員輕微損傷，墻裂縫
分離器	50%	0.0235~0.027	人員輕微損傷，墻裂縫
分離器	80%	0.033~0.043	人員聽覺器官損傷或骨折，墻大裂縫，屋瓦掉落
分離器	100%	0.033~0.043	人員聽覺器官損傷或骨折，墻大裂縫，屋瓦掉落
部件	爆炸比例	沖擊波超壓（MPa）	后果
過熱器	1%	<0.013	人員輕微損傷，受壓面的門窗玻璃大部分破碎
過熱器	5%	0.027~0.033	人員聽覺器官損傷或骨折，墻大裂縫，屋瓦掉落
過熱器	10%	0.033~0.043	人員聽覺器官損傷或骨折，墻大裂縫，屋瓦掉落
過熱器	30%	0.079~0.126	人員內(nèi)臟嚴重損傷或死亡，磚墻倒塌;防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌
過熱器	50%	0.079~0.126	人員內(nèi)臟嚴重損傷或死亡，磚墻倒塌;防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌
過熱器	80%	0.17~0.235	大部分人員死亡，防震鋼筋混凝土破壞;小房屋倒塌或大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
過熱器	100%	0.17~0.235	大部分人員死亡，防震鋼筋混凝土破壞;小房屋倒塌或大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
分離器爆破能量、沖擊波超壓及后果
過熱器爆破能量、沖擊波超壓及后果
備注：40
直流鍋爐的爆炸風(fēng)險分析
41
部件	爆炸比例	沖擊波超壓（MPa）	后果
再熱器	1%	0.016~0.018	人員輕微損傷，窗框損壞
再熱器	5%	0.033~0.043	人員聽覺器官損傷或骨折，墻大裂縫，屋瓦掉落
再熱器	10%	0.057~0.079	人員內(nèi)臟嚴重損傷或死亡，木建筑廠房房柱折斷，房架松動，磚墻倒塌
再熱器	30%	0.079~0.126	人員內(nèi)臟嚴重損傷或死亡，磚墻倒塌,防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌
再熱器	50%	0.17~0.235	大部分人員死亡，防震鋼筋混凝土破壞、小房屋倒塌或大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
再熱器	80%	0.235~0.33	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
再熱器	100%	0.235~0.33	大部分人員死亡，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞
再熱器爆破能量、沖擊波超壓及后果
備注：41
可容忍風(fēng)險標準確定
42
嚴重性
可能性	災(zāi)難性的	危險性的	臨界性的	安全的
頻繁	1	2	7	13
容易	2	5	9	16
偶然	4	6	11	18
很少	8	10	14	19
幾乎不可能	12	15	17	20
 風(fēng)險評價指數(shù)矩陣
1～5: 1級風(fēng)險，不能接受； 6～9: 2級風(fēng)險，不希望；
10～17: 3級風(fēng)險，有條件接受；18～20: 4級風(fēng)險，完全可接受
 ALARP原則
風(fēng)險概率等級分類
頻率	說明
頻繁	幾乎經(jīng)常出現(xiàn)
容易	在一個項目使用壽命期內(nèi)將出現(xiàn)若干次
偶然	在一個項目使用壽命期內(nèi)可能出現(xiàn)
很少	不能認為不可能出現(xiàn)
幾乎不可能	出現(xiàn)的概率接近于零
風(fēng)險嚴重性等級分類
嚴重性	破壞	人員傷害
災(zāi)難性的	系統(tǒng)報廢	死亡
危險性的	主要系統(tǒng)損壞	嚴重傷害、嚴重職業(yè)病
臨界性的	次要系統(tǒng)損壞	輕傷、輕度職業(yè)病
安全的	系統(tǒng)無損壞	無傷害、無職業(yè)病
備注：42
可容忍風(fēng)險標準確定
43
直流鍋爐給水預(yù)熱蒸發(fā)各部件爆炸的風(fēng)險嚴重性
部件	爆炸
比例	風(fēng)險嚴重性	部件	爆炸
比例	風(fēng)險嚴重性	部件	爆炸
比例	風(fēng)險嚴重性
省煤器	1%	災(zāi)難性的	過熱器	1%	臨界性的	分離器	1%	臨界性的
省煤器	5%	災(zāi)難性的	過熱器	5%	危險性的	分離器	5%	臨界性的
省煤器	10%	災(zāi)難性的	過熱器	10%	危險性的	分離器	10%	臨界性的
省煤器	30%	災(zāi)難性的	過熱器	30%	危險性的	分離器	30%	臨界性的
省煤器	50%	災(zāi)難性的	過熱器	50%	危險性的	分離器	50%	臨界性的
省煤器	80%	災(zāi)難性的	過熱器	80%	災(zāi)難性的	分離器	80%	危險性的
省煤器	100%	災(zāi)難性的	過熱器	100%	災(zāi)難性的	分離器	100%	危險性的
水冷壁	1%	危險性的	再熱器	1%	臨界性的			
水冷壁	5%	災(zāi)難性的	再熱器	5%	危險性的			
水冷壁	10%	災(zāi)難性的	再熱器	10%	危險性的			
水冷壁	30%	災(zāi)難性的	再熱器	30%	危險性的			
水冷壁	50%	災(zāi)難性的	再熱器	50%	災(zāi)難性的			
水冷壁	80%	災(zāi)難性的	再熱器	80%	災(zāi)難性的			
水冷壁	100%	災(zāi)難性的	再熱器	100%	災(zāi)難性的			
災(zāi)難性、偶然發(fā)生的爆炸事故風(fēng)險指數(shù)為4，是不能接受的風(fēng)險；
危險性、偶然發(fā)生的爆炸事故風(fēng)險指數(shù)為6，是不希望有的風(fēng)險；
臨界性、偶然發(fā)生的爆炸事故風(fēng)險指數(shù)為11，是有條件接受的風(fēng)險。
備注：43
目錄
1.  課題背景及研究現(xiàn)狀
2.  安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評估
3.  火電廠鍋爐運行過程的危險及風(fēng)險分析
4.  鍋爐爐膛爆炸的保護層分析
5.  爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評估
6.  總結(jié)與展望
44
備注：44
保護層分析過程
45
保護層分析方法（Layer of Protection Analysis, LOPA）
初始事件頻率
保護層分析步驟
后果嚴重程度
獨立保護層失效頻率
場景風(fēng)險
初始事件
后果
觸發(fā)事件
防護措施
修正因子
外部事件設(shè)備故障人因失效
有效性
獨立性
可審查性
定量方法
查表法
整數(shù)對數(shù)法
矩陣法
數(shù)值風(fēng)險法
獨立保護層信用數(shù)法
備注：45
安全保護層分類
46
過程工業(yè)典型風(fēng)險降低機制
保護層分類及對應(yīng)PFD 
工藝設(shè)計                    10-1~10-6
基本過程控制系統(tǒng)       >10-1
操作員干預(yù)                 1~10-2
安全儀表系統(tǒng)             SIL分類
安全閥/爆破片           10-1~10-5
防火堤/防爆墻           10-2~10-3
耐火材料/通風(fēng)口       10-2~10-3                                         
阻火器或防爆器         10-1~10-3
                  
備注：46
鍋爐爐膛爆炸事故的保護層分析
47
分析場景識別
 鍋爐爐膛外爆的場景路徑
鍋爐爐膛內(nèi)爆的場景路徑
備注：47
鍋爐爐膛爆炸事故的保護層分析
48
初始事件頻率確定

爐膛瞬間滅火
燃料漏入爐膛
未經(jīng)適當吹掃進行點火
燃燒器火焰喪失
吹掃風(fēng)量過大將灰斗的可燃物揚起
外爆事故初始事件
內(nèi)爆事故初始事件
送風(fēng)和引風(fēng)設(shè)備運行不正常
燃料輸入急劇減少
主燃料跳閘
         根據(jù)OREDA數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合電力公司調(diào)研結(jié)果，確定外爆和內(nèi)爆初始事件的發(fā)生頻率分別為16次/年和31次/年
備注：48
鍋爐爐膛爆炸事故的保護層分析
49
場景風(fēng)險量化
鍋爐爐膛外爆的保護層分析圖
鍋爐爐膛內(nèi)爆的保護層分析圖
備注：49
爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的目標安全完整性等級確定
50
風(fēng)險矩陣法

事故后果分類
嚴重程度	描述
較輕	影響一開始只限制在本地區(qū)域，若無相應(yīng)保護措施，可能造成嚴重后果
嚴重	可能造成嚴重損害或死亡，造成出事地500萬元或出事地周邊100萬元財產(chǎn)損失
特別嚴重	超過“嚴重”的程度5倍
事故可能性分類
事故可能性	描述
低	事故發(fā)生小于10-4次/年，具有非常低的可能性
中	事故發(fā)生介于10-4與10-2次/年，具有中等可能性
高	事故發(fā)生大于10-2次/年，具有高可能性
風(fēng)險矩陣
備注：50
爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的目標安全完整性等級確定
51
風(fēng)險圖法
事故后果分類
分類	描述
CA	輕微受傷
CB	PLL=0.01至0.1
CC	PLL=0.1至1.0
CD	PLL>1.0
人員處于危險區(qū)域的頻率分類
分類	描述
FA
	較少處于危險區(qū)域，處于危險區(qū)域的時間少于總時間的10%
FB	經(jīng)常或永久處于危險區(qū)域
未能避開危險事件的概率分類
分類	描述
PA	一定條件下可能
PB	幾乎不可能
未安裝SIS的后果發(fā)生頻率
分類	描述
W1	<0.03次/年
W2	0.03次/年~0.3次/年
W3	0.3次/年~3次/年
備注：51
目錄
1.  課題背景及研究現(xiàn)狀
2.  安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評估
3.  火電廠鍋爐運行過程的危險及風(fēng)險分析
4.  鍋爐爐膛爆炸的保護層分析
5.  爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評估
6.  總結(jié)與展望
52
備注：52
FSSS的工作原理、結(jié)構(gòu)及安全功能
53
FSSS的工作原理
燃燒控制系統(tǒng)（CCS）:控制燃燒狀態(tài)、空氣/燃料比
爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS） :安全保護、順序控制
FSSS 的組成結(jié)構(gòu)
FSSS的安全功能

點火前      油泄漏試驗、爐膛吹掃
運行中       油燃燒器管理、煤燃燒器管理
危險狀況   主燃料跳閘、油燃料跳閘

備注：53
主燃料跳閘硬跳閘回路的安全性與可靠性分析
54
主燃料跳閘（MFT）的功能實現(xiàn)
帶電動作MFT硬跳閘回路
 MFT原理
失電動作MFT硬跳閘回路
備注：54
主燃料跳閘硬跳閘回路的安全性與可靠性分析
55
兩種動作方式硬跳閘回路結(jié)構(gòu)對比
	         帶電動作	     失電動作
手動按鈕	   觸點串-并聯(lián)	 觸點并-串聯(lián)
DCS輸出繼電器組	            常開型繼電器三取二	      常閉型繼電器三取二
跳閘繼電器	            SIMTT KDN-B 型繼電器	            SIMTT D8-ULB型作繼電器
備注：55
主燃料跳閘硬跳閘回路的安全性與可靠性分析
56
MFT硬跳閘回路的失效模式、影響及診斷分析（FMEDA）
帶電動作MFT硬跳閘回路的失效率分類
名稱	各失效模式下的失效率λ
 (            )	各失效模式下的失效率λ
 (            )	各失效模式下的失效率λ
 (            )	各失效模式下的失效率λ
 (            )	冗余結(jié)構(gòu)	β1	β2
名稱	SU	SD	DU	DD	冗余結(jié)構(gòu)	β1	β2
電源單元	0	0	4477	12	1oo2	0.02	
手動跳閘按鈕	4	0	40	0	2oo2	0.05	
按鈕常開觸點	1	0	20	0	正邏輯串-并聯(lián)		
DCS輸出繼電器	8	0	1	0	2oo3	0.025	0.3
SIMTT KDN-B型繼電器	77	0	101	0	1oo1		
OMRON帶電跳繼電器	44	0	69	0	1oo1		
失電動作MFT硬跳閘回路的失效率分類
名稱	各失效模式下的失效率λ
 (           )	各失效模式下的失效率λ
 (           )	各失效模式下的失效率λ
 (           )	各失效模式下的失效率λ
 (           )	冗余結(jié)構(gòu)	β1	β2
名稱	SU	SD	DU	DD	冗余結(jié)構(gòu)	β1	β2
電源單元	4477	12	0	0	1oo2	0.02	
手動跳閘按鈕	11	0	33	0	2oo2	0.05	
按鈕常閉觸點	20	0	1	0	負邏輯并-串聯(lián)		
DCS輸出繼電器	8	0	1	0	2oo3	0.025	0.3
SIMTT D8-ULB型繼電器	30	0	72	0	1oo1		
OMRON失電跳繼電器	62	0	51	0	1oo1		
備注：56
主燃料跳閘硬跳閘回路的安全性與可靠性分析
57
MFT硬跳閘回路的故障樹分析
帶電動作MFT硬跳閘回路故障樹
跳閘方式	名稱	要求時失效概率                    PFD	安全失效概率
PFS
帶電動作	電源單元		0
帶電動作	手動跳閘按鈕		
帶電動作	按鈕常開觸點		
帶電動作	DCS輸出繼電器		
帶電動作	SIMTT KDN-B型繼電器		
帶電動作	OMRON繼電器		
帶電動作	MFT跳閘回路		
備注：57
主燃料跳閘硬跳閘回路的安全性與可靠性分析
58
失電動作MFT硬跳閘回路故障樹
跳閘方式	名稱	要求時失效概率                    PFD	安全失效概率
PFS
失電動作	電源單元	0	
失電動作	手動跳閘按鈕		
失電動作	按鈕常開觸點		
失電動作	DCS輸出繼電器		
失電動作	SIMTT U8-ULB型繼電器		
失電動作	OMRON繼電器		
失電動作	MFT跳閘回路		
備注：58
主燃料跳閘的功能安全評估
59
SIS的組成
爐膛風(fēng)量<30%信號生成
爐膛風(fēng)量<30%MFT的信號流圖
備注：59
主燃料跳閘的功能安全評估
60
風(fēng)量小觸發(fā)MFT的SIS組成
SIF	傳感器部分	邏輯部分	執(zhí)行機構(gòu)
風(fēng)量小觸發(fā)MFT	測量左側(cè)二次風(fēng)流量的3臺差壓變送器（2oo3），
測量右側(cè)二次風(fēng)流量的3臺差壓變送器（2oo3），
測量6臺磨煤機入口一次風(fēng)流量的12臺差壓變送器（分6組，1oo2）	DPU1，DPU10，DPU12，DPU13，DPU14；
DPU10中的AI模件A1、A2、A3（2oo3），DO模件B5、E2、F2（2oo3）；
DPU12/13/14中的AI模件A1、A2（1oo2），B1、B2（1oo2）；
DPU1中的DI模件B5、C3、D1（2oo3），DO模件B4、C4、C5（2oo3）。	硬跳閘回路，采用失電動作方式；
電氣開關(guān)柜；
6臺磨煤機、6臺給煤機、2臺一次風(fēng)機、2臺給水泵；
過熱器、再熱器減溫水相關(guān)電動門共10個；
燃油進油快關(guān)閥、燃油回油快關(guān)閥、燃油泄漏試驗閥；
6磨煤機各分離器出口風(fēng)粉關(guān)斷門共24個；各油角閥共32個。
備注：60
主燃料跳閘的功能安全評估
61
SIL的確定
部件					β1	β2	
二次風(fēng)FT（2oo3）	0	593	1886	172	0.1	0.3	
一次風(fēng)FT（1oo2）	0	593	1886	172	0.1		
AI模件(1oo2)	31	45	20	6	0.025		
AI模件(2oo3)	31	45	20	6	0.025	0.3	
DO模件（2oo3）	16	12	17	3	0.025	0.3	
DI模件（2oo3）	23	16	36	15	0.025	0.3	
DPU	1091	694	1251	4			
通信系統(tǒng)	175	75	158	92	   		
第一層跳閘繼電器	21	93	10	40			
第二層跳閘繼電器	6	6	10	11			
截止閥	0	201	144	224			
電動執(zhí)行器	461	905	2510	388			
備注：61
主燃料跳閘的功能安全評估
62
整改措施包括：
（1）執(zhí)行機構(gòu)部分采用冗余配置；
（2）縮短執(zhí)行機構(gòu)部分的功能測試周期； 
對原有閥門、電動執(zhí)行器、跳閘繼電器組均采用雙重冗余，構(gòu)成二取一邏輯，
共因失效因子β1取0.1。功能測試周期縮短為0.5年，重新計算執(zhí)行器的要求時失效概率 
動作方式	傳感器	邏輯控制器	執(zhí)行機構(gòu)	SIF
帶電動作				
失電動作				
	截止閥	電動執(zhí)行器	跳閘
繼電器組	執(zhí)行機構(gòu)	SIF
帶電動作					
失電動作					
備注：62
目錄
1.  課題背景及研究現(xiàn)狀
2.  安全儀表系統(tǒng)的可靠性與安全性評估
3.  火電廠鍋爐運行過程的危險及風(fēng)險分析
4.  鍋爐爐膛爆炸的保護層分析
5.  爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全評估
6.  總結(jié)與展望
63
備注：63
總結(jié)與展望
64
         本文以FSSS為研究對象，運用功能安全理論，按照安全生命周期框架，實現(xiàn)了火電廠鍋爐的危險辨識及風(fēng)險分析、FSSS的目標安全完整性確定，以及在役FSSS的安全完整性等級驗證，為未來功能安全理論在電力行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展提供了一定的借鑒和參考。
總結(jié)
展望
 工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性
 火電廠發(fā)電機、汽輪機保護系統(tǒng)的可靠性與安全性評估
  FSSS的組態(tài)軟件
 考慮設(shè)計缺陷及人因因素的影響
備注：64
65
謝謝！
備注：65

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04-18