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安全仪表系统的功能安全分析
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2021年05月07日
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安全仪表系统的功能安全分析 电子信息与自动化学院 王鹏 备注：1 目录 1. 课题背景及研究现状 2. 安全仪表系统的可靠性与安全性评估 3. 火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析 4. 锅炉炉膛爆炸的保护层分析 5. 炉膛安全监控系统的功能安全评估 6. 总结与展望 2 备注：2 3 研究背景及意义 随着现代化工业的快速发展，工业生产过程的控制规模在不断扩大，复杂程度不断增加，工艺过程不断强化，对过程控制系统的要求也越来越高。 在生产过程中，用于监视生产过程，在危险条件下采取相应措施防止危险事件发生的安全仪表系统已经得到了广泛使用。 但安全仪表系统的产业化应用，遇到了系统功能安全难以保证这个最大的阻力。1976年意大利化工厂二噁英泄漏、1984年印度Bhopal农药厂毒气泄漏、1986年切尔诺贝利核电站事故……连接发生的工业事故起因都是安全仪表系统的功能失效。 备注：3 4 安全仪表系统（SIS） 监视控制系统状态，完成安全保护功能，注重安全性 研究背景及意义 控制系统分为两类： 基本过程控制系统（BPCS） 实现对过程的连续控制或顺序控制，强调可靠性 备注：4 研究背景及意义 5 安全仪表系统 (SIS) 功能安全理论 安全功能（Safety Function） 功能安全（Functional Safety ） 备注：安全仪表系统（SIS）与基本过程控制系统（BPCS），作为自动控制系统的两个重要分支,在过程工业领域得到了广泛的应用。BPCS用于执行基本的过程控制功能，保证生产的正常进行；SIS用于监视控制系统状态，判断危险条件，并能采取紧急措施防止危险的发生或减轻事故后果. 备注：5 研究背景及意义 6 火电厂炉膛安全监控系统（FSSS） 统一SIS的范围：包括 ESD、FSSS、FGS等 安全完整性等级（SIL）作为功能安全的评价标准 安全生命周期（SLC）为架构 广泛应用到化工、冶金、铁路、机械等领域，电力行业开始引进和渗透。 功能安全理论 备注：6 功能安全技术的研究内容 7 以功能安全标准为基础 以安全生命周期为架构 基于风险降低原理 备注：7 功能安全技术的发展现状 8 功能安全技术的发展现状 可靠性 技术 安全评价技术 功能安全技术 可靠性数学 可靠性物理 可靠性工程 危险识别 风险评价 风险控制 功能安全标准 功能安全理论 功能安全产品的评估和认证 备注：8 9 危险辨识及 风险分析 确定目标安全 完整性等级(SIL) FSSS的SIL验证 及改进措施 FSSS的功能安全分析 火电厂锅炉的危险辨识 建立炉膛爆炸后果的数学模型 炉膛爆炸事故 保护层分析 采用风险矩阵及风险图法，确定FSSS的目标SIL 主燃料跳闸（MFT）硬跳闸回路安全性 与可靠性分析 风量<30%触发MFT，对比实际SIL与目标SIL，提出整改措施。 备注：9 目录 1. 课题背景及研究现状 2. 安全仪表系统的可靠性与安全性评估 3. 火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析 4. 锅炉炉膛爆炸的保护层分析 5. 炉膛安全监控系统的功能安全评估 6. 总结与展望 10 备注：10 可靠性与安全性指标 11 可靠性指标 可靠度R(t)、可用率A(t)、失效率λ(t)、平均故障前时间MTTF、平均故障修复时间MTTR、维修率μ(t)及平均故障间隔时间MTBF 安全性指标 要求时失效概率PFD、安全失效概率PFS、平均无危险故障时间MTTF及诊断覆盖率C 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 备注：11 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 SIS控制器的冗余结构 12 1oo1结构 1oo2结构 2oo3结构 2oo2结构 备注：12 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 13 失效模式 安全（S） 危险（D） 无影响 安全检测到的（SD） 安全未检测到的（SU） 危险检测到的（DD） 危险未检测到的（DU） 安全检测到的共因（SDC） 安全检测到的独立（SDN） 安全未检测到的共因（SUC） 安全未检测到的独立（SUN） 危险检测到的共因（DDC） 危险检测到的独立（DDN） 危险未检测到的共因（SUC） 危险未检测到的独立（SUN） 失效模式分类 备注：13 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 定义出12种状态：OK、DDN、DUN、SDN、SUN、DDN SDN、 DDN SUN、DUN SDN、DUN SUN、FS、FDD、FDU 14 四种冗余结构的马尔可夫模型 1oo1结构 1oo2结构 备注：14 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 15 2oo3结构 2oo2结构 备注：15 16 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 安全完整性等级 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 安全性和可用性指标 安全完整性等级（SIL）是SIS安全性能最重要的衡量标准 可用率(A)用来表征可维修系统的正常工作特性 稳态可用率 时变可用率 备注：16 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 基于连续马尔可夫模型求取 PFD、PFS 17 初始状态矩阵 为状态转移矩阵 ， 经过n个时间间隔 安全失效向量 危险失效向量 令时间增量趋于0，得到连续时间马尔可夫模型 假设条件 推导过程 离散时间马尔可夫模型 或 备注：17 基于连续时间马尔可夫模型的系统可用性评估 N取M(MooN)结构的PFS、PFD曲线 PFS最终趋于稳态 曲线分析 PFD都呈线性增加趋势 与1oo1结构相比 1oo2： PFD PFS 2oo2： PFD PFS 2oo3： PFD PFS MooN结构的时变可用率 18 2oo2 < 1oo1< 1oo2< 2oo3 可用率比较： 备注：18 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 单元故障事件描述 单元i单独故障 含单元i在内的若干单元同时故障 逆事件 单元i正常 可靠性与安全性分析的假设 系统单元故障次数服从泊松分布 相同个数的单元共因失效的故障率相同 每个单元服从相同的分布，承受相似的共因失效冲击 … 19 备注：19 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 20 基于上述假设，得到： 在[0,t)时间内，单个单元及多个单元同时故障首次发生概率为： , … 在[0,t)时间内，首次故障不发生的概率为： , … 备注：20 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 21 存在共因失效的典型结构可靠性分析 串联系统的可靠性框图 并联系统的可靠性框图 系统正常 串联系统可靠度 平均故障前时间 系统正常 并联系统可靠度 平均故障前时间 备注：21 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 n取k系统的可靠性框图 不考虑共因失效的n取k系统的可靠度 替换为 考虑共因失效的n取k系统的可靠度 平均故障前时间 22 备注：22 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 23 a)串-并联系统 b)并-串联系统 混联系统的可靠性框图 表示第i个并联子系统中j个单元 的共因失效率 串-并联系统的可靠度 平均故障前时间 表示第j个串联子系统中i个单元的共因失效率 并-串联系统的可靠度 平均故障前时间 备注：23 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 24 存在共因失效的系统安全性分析 串联系统的故障树模型 备注：24 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 25 并联系统的故障树模型 备注：25 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 26 n取k系统的故障树模型 备注：26 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 27 多重冗余结构的共因失效故障率确定 双重冗余结构 共因失效模型 三重冗余结构 共因失效模型 四重冗余结构 共因失效模型 备注：27 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 28 手动跳闸按钮可靠性与安全性指标计算 动作方式 结构 正逻辑 跳闸方式 串联 并-串联 串-并联 负逻辑 跳闸方式 并联 并-串联 手动跳闸按钮连接方式 备注：28 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 29 两种跳闸方式下的触点失效模式影响及诊断分析 （Failure modes, effects, and diagnostic analysis, FMEDA） 名称 失效模式 影响 λ 自诊断 能力 DD DU SD SU 正逻辑 跳闸 触点 高插入损耗 危险 10 0 0 10 0 0 正逻辑 跳闸 触点 污浊 危险 6 0 0 6 0 0 正逻辑 跳闸 触点 开路 危险 1 0 0 1 0 0 正逻辑 跳闸 触点 短路 安全 1 0 0 0 0 1 正逻辑 跳闸 触点 工艺及其它 危险 3 0 0 3 0 0 负逻辑 跳闸 触点 高插入损耗 安全 10 0 0 0 0 10 负逻辑 跳闸 触点 污浊 安全 6 0 0 0 0 6 负逻辑 跳闸 触点 开路 安全 1 0 0 0 0 1 负逻辑 跳闸 触点 短路 危险 1 0 0 1 0 0 负逻辑 跳闸 触点 工艺及其它 安全 3 0 0 0 0 3 备注：29 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 30 结论 1. 可靠度比较 正逻辑串联与负逻辑并联的可靠度相同， 正逻辑串-并联与负逻辑并-串联的可靠度相同 结构 PFDavg PFS 正逻辑串联 正逻辑并—串联 正逻辑串—并联 负逻辑并联 负逻辑并—串联 正逻辑： 负逻辑： 2. 与 比较 正逻辑三种结构的可靠度随时间变化趋势 不同结构的PFDavg与PFS指标 备注：30 考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估 31 可靠度均随 因子的增大而增大，随时间的增长而呈下降趋势 正逻辑串联 正逻辑串-并联 正逻辑并-串联 3. 正逻辑三种结构的可靠度随 因子和时间变化趋势 备注：31 目录 1. 课题背景及研究现状 2. 安全仪表系统的可靠性与安全性评估 3. 火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析 4. 锅炉炉膛爆炸的保护层分析 5. 炉膛安全监控系统的功能安全评估 6. 总结与展望 32 备注：32 33 火电厂单元机组生产流程 备注：33 火电厂锅炉危险辨识 34 锅炉压力容器 失效分析 火电厂锅炉 常见事故 分为：强度失效、刚度失效、稳定失效 按力学特征， 按宏观外貌特征， 分为：变形失效、断裂失效、表面损伤失效、 泄漏失效、裂纹引起失效、材料老化 锅炉供水及水质引起的事故（缺水、满水、汽水共腾、水击） 锅炉爆管事故（水冷壁、省煤器、过热器、再热器） 燃烧及风烟系统事故（炉膛爆燃、尾部烟道二次燃烧、锅炉结渣） 锅炉爆炸事故（水蒸气、超压、缺陷、严重缺水） 备注：34 锅炉炉膛爆炸事故的风险分析 35 锅炉爆燃原理 炉膛外爆 定容等熵过程 理想气体定容 积存的可燃混合物容积 定容平均比热容 可燃混合物单位容积发热值 炉膛内爆 理想气体方程 积存的可燃物被瞬时点燃，炉膛烟气侧压力骤增 炉膛压力过低、下降幅值超过炉墙结构的承受压力 备注：35 锅炉炉膛爆炸事故的风险分析 36 锅炉炉膛爆炸后果分析 干饱和蒸汽爆破能量计算 常用压力下 干饱和蒸汽爆破能量系数 干饱和蒸汽体积 P（MPa） 0.3 0.5 0.8 1.3 2.5 3.0 Cs（kJ/m3） 干饱和蒸汽爆破能量系数拟合曲线 一次函数 二次函数 三次函数 干饱和蒸汽爆破能量系数 备注：36 锅炉炉膛爆炸事故的风险分析 37 饱和水的爆破能量计算 饱和水爆破能量系数 P（MPa） 0.3 0.5 0.8 1.3 2.5 3.0 Cw（kJ/m3） 饱和水爆破能量系数拟合曲线 饱和水爆破能量系数 饱和水体积 一次函数 二次函数 三次函数 备注：37 锅炉炉膛爆炸事故的风险分析 爆炸冲击波超压计算 若 则 取1000kgTNT为基准爆炸能量，计算距离爆炸中心R处的超压 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爆炸的冲击波超压 38 备注：38 直流锅炉的爆炸风险分析 39 直流锅炉的水容积及压力分布 部件 V（m3） P（MPa） 部件 V（m3） P（MPa） 省煤器 126.1 29.4 过热器 134.6 26 水冷壁 67.7 28.79 再热器 379.4 4.5 分离器 11.8 27.2 部件 爆炸比例 冲击波超压 （MPa） 后果 省煤器 1% 0.126~0.17 大部分人员死亡 防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌 省煤器 5% 0.50~0.76 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 省煤器 10% 0.95~1.27 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 省煤器 30% 2.06~2.94 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 省煤器 50% >2.94 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 省煤器 80% >2.94 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 省煤器 100% >2.94 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 部件 爆炸比例 冲击波超压 （MPa） 后果 水冷壁 1% 0.079~0.126 人员内脏严重损伤或死亡，砖墙倒塌 防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌 水冷壁 5% 0.235~0.33 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 水冷壁 10% 0.50~0.76 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 水冷壁 30% 1.27~1.67 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 水冷壁 50% 1.67~2.06 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 水冷壁 80% 2.06~2.94 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 水冷壁 100% >2.94 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 省煤器爆破能量、冲击波超压及后果 水冷壁爆破能量、冲击波超压及后果 备注：39 直流锅炉的爆炸风险分析 40 部件 爆炸比例 冲击波超压（MPa） 后果 分离器 1% <0.013 人员轻微损伤，受压面的门窗玻璃大部分破碎 分离器 5% <0.013 人员轻微损伤，受压面的门窗玻璃大部分破碎 分离器 10% <0.013 人员轻微损伤，受压面的门窗玻璃大部分破碎 分离器 30% 0.021~0.0235 人员轻微损伤，墙裂缝 分离器 50% 0.0235~0.027 人员轻微损伤，墙裂缝 分离器 80% 0.033~0.043 人员听觉器官损伤或骨折，墙大裂缝，屋瓦掉落 分离器 100% 0.033~0.043 人员听觉器官损伤或骨折，墙大裂缝，屋瓦掉落 部件 爆炸比例 冲击波超压（MPa） 后果 过热器 1% <0.013 人员轻微损伤，受压面的门窗玻璃大部分破碎 过热器 5% 0.027~0.033 人员听觉器官损伤或骨折，墙大裂缝，屋瓦掉落 过热器 10% 0.033~0.043 人员听觉器官损伤或骨折，墙大裂缝，屋瓦掉落 过热器 30% 0.079~0.126 人员内脏严重损伤或死亡，砖墙倒塌;防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌 过热器 50% 0.079~0.126 人员内脏严重损伤或死亡，砖墙倒塌;防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌 过热器 80% 0.17~0.235 大部分人员死亡，防震钢筋混凝土破坏;小房屋倒塌或大型钢架结构破坏 过热器 100% 0.17~0.235 大部分人员死亡，防震钢筋混凝土破坏;小房屋倒塌或大型钢架结构破坏 分离器爆破能量、冲击波超压及后果 过热器爆破能量、冲击波超压及后果 备注：40 直流锅炉的爆炸风险分析 41 部件 爆炸比例 冲击波超压（MPa） 后果 再热器 1% 0.016~0.018 人员轻微损伤，窗框损坏 再热器 5% 0.033~0.043 人员听觉器官损伤或骨折，墙大裂缝，屋瓦掉落 再热器 10% 0.057~0.079 人员内脏严重损伤或死亡，木建筑厂房房柱折断，房架松动，砖墙倒塌 再热器 30% 0.079~0.126 人员内脏严重损伤或死亡，砖墙倒塌,防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌 再热器 50% 0.17~0.235 大部分人员死亡，防震钢筋混凝土破坏、小房屋倒塌或大型钢架结构破坏 再热器 80% 0.235~0.33 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 再热器 100% 0.235~0.33 大部分人员死亡，大型钢架结构破坏 再热器爆破能量、冲击波超压及后果 备注：41 可容忍风险标准确定 42 严重性 可能性 灾难性的 危险性的 临界性的 安全的 频繁 1 2 7 13 容易 2 5 9 16 偶然 4 6 11 18 很少 8 10 14 19 几乎不可能 12 15 17 20 风险评价指数矩阵 1～5: 1级风险，不能接受； 6～9: 2级风险，不希望； 10～17: 3级风险，有条件接受；18～20: 4级风险，完全可接受 ALARP原则 风险概率等级分类 频率 说明 频繁 几乎经常出现 容易 在一个项目使用寿命期内将出现若干次 偶然 在一个项目使用寿命期内可能出现 很少 不能认为不可能出现 几乎不可能 出现的概率接近于零 风险严重性等级分类 严重性 破坏 人员伤害 灾难性的 系统报废 死亡 危险性的 主要系统损坏 严重伤害、严重职业病 临界性的 次要系统损坏 轻伤、轻度职业病 安全的 系统无损坏 无伤害、无职业病 备注：42 可容忍风险标准确定 43 直流锅炉给水预热蒸发各部件爆炸的风险严重性 部件 爆炸 比例 风险严重性 部件 爆炸 比例 风险严重性 部件 爆炸 比例 风险严重性 省煤器 1% 灾难性的 过热器 1% 临界性的 分离器 1% 临界性的 省煤器 5% 灾难性的 过热器 5% 危险性的 分离器 5% 临界性的 省煤器 10% 灾难性的 过热器 10% 危险性的 分离器 10% 临界性的 省煤器 30% 灾难性的 过热器 30% 危险性的 分离器 30% 临界性的 省煤器 50% 灾难性的 过热器 50% 危险性的 分离器 50% 临界性的 省煤器 80% 灾难性的 过热器 80% 灾难性的 分离器 80% 危险性的 省煤器 100% 灾难性的 过热器 100% 灾难性的 分离器 100% 危险性的 水冷壁 1% 危险性的 再热器 1% 临界性的 水冷壁 5% 灾难性的 再热器 5% 危险性的 水冷壁 10% 灾难性的 再热器 10% 危险性的 水冷壁 30% 灾难性的 再热器 30% 危险性的 水冷壁 50% 灾难性的 再热器 50% 灾难性的 水冷壁 80% 灾难性的 再热器 80% 灾难性的 水冷壁 100% 灾难性的 再热器 100% 灾难性的 灾难性、偶然发生的爆炸事故风险指数为4，是不能接受的风险； 危险性、偶然发生的爆炸事故风险指数为6，是不希望有的风险； 临界性、偶然发生的爆炸事故风险指数为11，是有条件接受的风险。 备注：43 目录 1. 课题背景及研究现状 2. 安全仪表系统的可靠性与安全性评估 3. 火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析 4. 锅炉炉膛爆炸的保护层分析 5. 炉膛安全监控系统的功能安全评估 6. 总结与展望 44 备注：44 保护层分析过程 45 保护层分析方法（Layer of Protection Analysis, LOPA） 初始事件频率 保护层分析步骤 后果严重程度 独立保护层失效频率 场景风险 初始事件 后果 触发事件 防护措施 修正因子 外部事件设备故障人因失效 有效性 独立性 可审查性 定量方法 查表法 整数对数法 矩阵法 数值风险法 独立保护层信用数法 备注：45 安全保护层分类 46 过程工业典型风险降低机制 保护层分类及对应PFD 工艺设计 10-1~10-6 基本过程控制系统 >10-1 操作员干预 1~10-2 安全仪表系统 SIL分类 安全阀/爆破片 10-1~10-5 防火堤/防爆墙 10-2~10-3 耐火材料/通风口 10-2~10-3 阻火器或防爆器 10-1~10-3 备注：46 锅炉炉膛爆炸事故的保护层分析 47 分析场景识别 锅炉炉膛外爆的场景路径 锅炉炉膛内爆的场景路径 备注：47 锅炉炉膛爆炸事故的保护层分析 48 初始事件频率确定 炉膛瞬间灭火 燃料漏入炉膛 未经适当吹扫进行点火 燃烧器火焰丧失 吹扫风量过大将灰斗的可燃物扬起 外爆事故初始事件 内爆事故初始事件 送风和引风设备运行不正常 燃料输入急剧减少 主燃料跳闸 根据OREDA数据库中的相关数据，结合电力公司调研结果，确定外爆和内爆初始事件的发生频率分别为16次/年和31次/年 备注：48 锅炉炉膛爆炸事故的保护层分析 49 场景风险量化 锅炉炉膛外爆的保护层分析图 锅炉炉膛内爆的保护层分析图 备注：49 炉膛安全监控系统的目标安全完整性等级确定 50 风险矩阵法 事故后果分类 严重程度 描述 较轻 影响一开始只限制在本地区域，若无相应保护措施，可能造成严重后果 严重 可能造成严重损害或死亡，造成出事地500万元或出事地周边100万元财产损失 特别严重 超过“严重”的程度5倍 事故可能性分类 事故可能性 描述 低 事故发生小于10-4次/年，具有非常低的可能性 中 事故发生介于10-4与10-2次/年，具有中等可能性 高 事故发生大于10-2次/年，具有高可能性 风险矩阵 备注：50 炉膛安全监控系统的目标安全完整性等级确定 51 风险图法 事故后果分类 分类 描述 CA 轻微受伤 CB PLL=0.01至0.1 CC PLL=0.1至1.0 CD PLL>1.0 人员处于危险区域的频率分类 分类 描述 FA 较少处于危险区域，处于危险区域的时间少于总时间的10% FB 经常或永久处于危险区域 未能避开危险事件的概率分类 分类 描述 PA 一定条件下可能 PB 几乎不可能 未安装SIS的后果发生频率 分类 描述 W1 <0.03次/年 W2 0.03次/年~0.3次/年 W3 0.3次/年~3次/年 备注：51 目录 1. 课题背景及研究现状 2. 安全仪表系统的可靠性与安全性评估 3. 火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析 4. 锅炉炉膛爆炸的保护层分析 5. 炉膛安全监控系统的功能安全评估 6. 总结与展望 52 备注：52 FSSS的工作原理、结构及安全功能 53 FSSS的工作原理 燃烧控制系统（CCS）:控制燃烧状态、空气/燃料比 炉膛安全监控系统（FSSS） :安全保护、顺序控制 FSSS 的组成结构 FSSS的安全功能 点火前 油泄漏试验、炉膛吹扫 运行中 油燃烧器管理、煤燃烧器管理 危险状况 主燃料跳闸、油燃料跳闸 备注：53 主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析 54 主燃料跳闸（MFT）的功能实现 带电动作MFT硬跳闸回路 MFT原理 失电动作MFT硬跳闸回路 备注：54 主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析 55 两种动作方式硬跳闸回路结构对比 带电动作 失电动作 手动按钮 触点串-并联 触点并-串联 DCS输出继电器组 常开型继电器三取二 常闭型继电器三取二 跳闸继电器 SIMTT KDN-B 型继电器 SIMTT D8-ULB型作继电器 备注：55 主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析 56 MFT硬跳闸回路的失效模式、影响及诊断分析（FMEDA） 带电动作MFT硬跳闸回路的失效率分类 名称 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 ( ) 冗余结构 β1 β2 名称 SU SD DU DD 冗余结构 β1 β2 电源单元 0 0 4477 12 1oo2 0.02 手动跳闸按钮 4 0 40 0 2oo2 0.05 按钮常开触点 1 0 20 0 正逻辑串-并联 DCS输出继电器 8 0 1 0 2oo3 0.025 0.3 SIMTT KDN-B型继电器 77 0 101 0 1oo1 OMRON带电跳继电器 44 0 69 0 1oo1 失电动作MFT硬跳闸回路的失效率分类 名称 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 ( ) 冗余结构 β1 β2 名称 SU SD DU DD 冗余结构 β1 β2 电源单元 4477 12 0 0 1oo2 0.02 手动跳闸按钮 11 0 33 0 2oo2 0.05 按钮常闭触点 20 0 1 0 负逻辑并-串联 DCS输出继电器 8 0 1 0 2oo3 0.025 0.3 SIMTT D8-ULB型继电器 30 0 72 0 1oo1 OMRON失电跳继电器 62 0 51 0 1oo1 备注：56 主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析 57 MFT硬跳闸回路的故障树分析 带电动作MFT硬跳闸回路故障树 跳闸方式 名称 要求时失效概率 PFD 安全失效概率 PFS 带电动作 电源单元 0 带电动作 手动跳闸按钮 带电动作 按钮常开触点 带电动作 DCS输出继电器 带电动作 SIMTT KDN-B型继电器 带电动作 OMRON继电器 带电动作 MFT跳闸回路 备注：57 主燃料跳闸硬跳闸回路的安全性与可靠性分析 58 失电动作MFT硬跳闸回路故障树 跳闸方式 名称 要求时失效概率 PFD 安全失效概率 PFS 失电动作 电源单元 0 失电动作 手动跳闸按钮 失电动作 按钮常开触点 失电动作 DCS输出继电器 失电动作 SIMTT U8-ULB型继电器 失电动作 OMRON继电器 失电动作 MFT跳闸回路 备注：58 主燃料跳闸的功能安全评估 59 SIS的组成 炉膛风量<30%信号生成 炉膛风量<30%MFT的信号流图 备注：59 主燃料跳闸的功能安全评估 60 风量小触发MFT的SIS组成 SIF 传感器部分 逻辑部分 执行机构 风量小触发MFT 测量左侧二次风流量的3台差压变送器（2oo3）， 测量右侧二次风流量的3台差压变送器（2oo3）， 测量6台磨煤机入口一次风流量的12台差压变送器（分6组，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）。 硬跳闸回路，采用失电动作方式； 电气开关柜； 6台磨煤机、6台给煤机、2台一次风机、2台给水泵； 过热器、再热器减温水相关电动门共10个； 燃油进油快关阀、燃油回油快关阀、燃油泄漏试验阀； 6磨煤机各分离器出口风粉关断门共24个；各油角阀共32个。 备注：60 主燃料跳闸的功能安全评估 61 SIL的确定 部件 β1 β2 二次风FT（2oo3） 0 593 1886 172 0.1 0.3 一次风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 通信系统 175 75 158 92 第一层跳闸继电器 21 93 10 40 第二层跳闸继电器 6 6 10 11 截止阀 0 201 144 224 电动执行器 461 905 2510 388 备注：61 主燃料跳闸的功能安全评估 62 整改措施包括： （1）执行机构部分采用冗余配置； （2）缩短执行机构部分的功能测试周期； 对原有阀门、电动执行器、跳闸继电器组均采用双重冗余，构成二取一逻辑， 共因失效因子β1取0.1。功能测试周期缩短为0.5年，重新计算执行器的要求时失效概率 动作方式 传感器 逻辑控制器 执行机构 SIF 带电动作 失电动作 截止阀 电动执行器 跳闸 继电器组 执行机构 SIF 带电动作 失电动作 备注：62 目录 1. 课题背景及研究现状 2. 安全仪表系统的可靠性与安全性评估 3. 火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析 4. 锅炉炉膛爆炸的保护层分析 5. 炉膛安全监控系统的功能安全评估 6. 总结与展望 63 备注：63 总结与展望 64 本文以FSSS为研究对象，运用功能安全理论，按照安全生命周期框架，实现了火电厂锅炉的危险辨识及风险分析、FSSS的目标安全完整性确定，以及在役FSSS的安全完整性等级验证，为未来功能安全理论在电力行业的应用和发展提供了一定的借鉴和参考。 总结 展望 工业无线传感器网络的可靠性与安全性 火电厂发电机、汽轮机保护系统的可靠性与安全性评估 FSSS的组态软件 考虑设计缺陷及人因因素的影响 备注：64 65 谢谢！ 备注：65
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