表格模板-安全仪表系统的功能安全分析 精品.ppt

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1、安全仪表系统安全仪表系统的功能安全分析的功能安全分析 电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院王鹏王鹏目录目录1. 课题背景及研究现状课题背景及研究现状2. 安全仪表安全仪表系统的可靠性系统的可靠性与安全性评估与安全性评估3. 火电厂锅炉运行过程的危险及风险分析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炉膛安全监控系统的功能安全评估6. 总结总结与展望与展望23 研究背景及意义研究背景及意义 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

2、加，工艺过程不断强化，对在不断扩大，复杂程度不断增加，工艺过程不断强化，对过程过程控制系统控制系统的要求也越来越高。的要求也越来越高。 在在生产过程生产过程中，用于中，用于监视监视生产生产过程过程，在危险条件下采取，在危险条件下采取相应措施相应措施防止危险事件发生防止危险事件发生的的安全安全仪表仪表系统系统已经得到了广泛已经得到了广泛使用。使用。 但但安全安全仪表仪表系统系统的产业化应用，遇到了系统的产业化应用，遇到了系统功能安全功能安全难以难以保证保证这个最大的阻力。这个最大的阻力。19761976年意大利化工厂年意大利化工厂二噁英二噁英泄漏、泄漏、19841984年印度年印度BhopalB

3、hopal农药厂毒气泄漏、农药厂毒气泄漏、19861986年切尔诺贝利核电站年切尔诺贝利核电站事故事故连接发生的工业事故起因都是连接发生的工业事故起因都是安全安全仪表仪表系统的功能系统的功能失效失效。4安全仪表系统（安全仪表系统（SISSIS） 监视控制系统状态，完成安全保护功能，注重监视控制系统状态，完成安全保护功能，注重安全性安全性 研究背景及意义研究背景及意义控制系统分为两类：控制系统分为两类：基本过程控制系统（基本过程控制系统（BPCSBPCS） 实现对过程的连续控制或顺序控制，强调实现对过程的连续控制或顺序控制，强调可靠性可靠性 研究背景及意义研究背景及意义5安全仪表系统安全仪表系统

4、 ( (SIS) )功能安全理论功能安全理论安全功能安全功能（Safety Function）功能安全功能安全（Functional Safety ） 研究背景及意义研究背景及意义6火电厂炉膛安全监控系统火电厂炉膛安全监控系统（FSSS）统一统一SIS的范围：包括的范围：包括 ESD、FSSS、FGS等等安全完整性等级（安全完整性等级（SIL）作为功能安全）作为功能安全的评价标准的评价标准安全生命周期（安全生命周期（SLC）为架构）为架构广泛应用到化工、冶金、铁路、机械广泛应用到化工、冶金、铁路、机械等领域，电力行业开始引进和渗透。等领域，电力行业开始引进和渗透。功能安全理论功能安全理论 功能

5、安全技术的研究内容功能安全技术的研究内容7以功能安全标准为基础以功能安全标准为基础以安全生命周期为架构以安全生命周期为架构基于风险降低原理基于风险降低原理功能安全技术的发展现状功能安全技术的发展现状8功能安全技术的发展现状功能安全技术的发展现状功能安全功能安全技术技术可靠性数学可靠性数学可靠性物理可靠性物理可靠性工程可靠性工程危险识别危险识别风险评价风险评价风险控制风险控制功能安全标准功能安全标准功能安全理论功能安全理论功能安全产品的评估和认证功能安全产品的评估和认证9123危险辨识及危险辨识及风险分析风险分析确定目标安全确定目标安全完整性等级完整性等级(SIL)FSSS的的SIL验证验证及改

6、进措施及改进措施FSSS的功能安全分析的功能安全分析火电厂锅炉的危险火电厂锅炉的危险辨识辨识建立建立炉膛炉膛爆炸后果爆炸后果的数学模型的数学模型炉膛爆炸事故炉膛爆炸事故保护层分析保护层分析采用风险矩阵及采用风险矩阵及风险图法，风险图法，确定确定FSSS的目标的目标SIL主燃料跳闸（主燃料跳闸（MFT）硬跳闸回路安全性硬跳闸回路安全性与可靠性分析与可靠性分析风量风量30%触发触发MFT，对比实际对比实际SIL与目标与目标SIL，提出整改措施。，提出整改措施。目录目录1. 课题背景及研究现状课题背景及研究现状2. 安全仪表安全仪表系统的可靠性系统的可靠性与安全性评估与安全性评估3. 火电厂锅炉运行

7、过程的危险及风险分析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炉膛安全监控系统的功能安全评估6. 总结总结与展望与展望10可靠性与安全性指标可靠性与安全性指标11可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度R(t)、可用率、可用率A(t)、失效率、失效率(t)、平均、平均故障前时间故障前时间MTTF、平、平均故障修复时间均故障修复时间MTTR、维修率维修率(t)及平均故障及平均故障间隔时间间隔时间MTBF安全性指标安全性指标要求时失效概率要求时失效概率PFD、安全失效概率安全失效概率P PFS、平、平均无危险故障时间均无危险

8、故障时间MTTF及诊断覆盖率及诊断覆盖率C基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估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考虑共因失效因素的系统可靠性与安全性评估基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估的系统可用性评估SIS控制器的控制器的冗余结构冗余结构121oo1结构1oo2结构2oo3结构2oo2结构基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估的系统可用性评估13失效模式失效模式安全（安全（S）危险（危险（D）无影响无影响安全检测到的（安全检测到的（SD）安全未检测到的（安全未检测到的（SU）危险检测到的

9、（危险检测到的（DD）危险未检测到的（危险未检测到的（DU）安全检测到的共因（安全检测到的共因（SDC）安全检测到的独立（安全检测到的独立（SDN）安全未检测到的共因（安全未检测到的共因（SUC）安全未检测到的独立（安全未检测到的独立（SUN）危险检测到的共因（危险检测到的共因（DDC）危险检测到的独立（危险检测到的独立（DDN）危险未检测到的共因（危险未检测到的共因（SUC）危险未检测到的独立（危险未检测到的独立（SUN）失效模式分类失效模式分类基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估的系统可用性评估定义出定义出12种状态种状态：OK、DDN、DUN、SDN、SUN、

10、DDN SDN、DDN SUN、DUN SDN、DUN SUN、FS、FDD、FDU14四种四种冗余冗余结构结构的马尔可夫模型的马尔可夫模型1oo1结构1oo2结构00120012221000010010000010000001DDNDUNSCSNDDCDUCSDSDDDUSDSD2P001 ()1000100001SDSDSUDDDUSDSD1P基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估的系统可用性评估152oo3结构2oo2结构001200122221000010010000010000001SD NSU NSCD D CD D ND U CD U NSDSD DD

11、USDSD3P001200133.3310.20001.22.00.10000.01DDNDUNDDCDUCDCDNDDCDDNDUCDUN4P16基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估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PFH410-410-510-810-9310-310-410-710-8210-210-310-610-7110-110-210-510-6安全性和可用性指标安全性和可用性指标安全完整性等级（安全完整性等级（SIL）是）是SIS安全性能最重要的衡量标准安全性能最重要的衡量标准可用率可用率( (A) )用来表征可维

12、修系统用来表征可维修系统的的正常工作特性正常工作特性稳态可用率稳态可用率时变可用率时变可用率A A tPFS tPFD t1 基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估的系统可用性评估基于连续马尔可夫模型求取基于连续马尔可夫模型求取 PFD、PFS 17初始状态矩阵初始状态矩阵为状态转移矩阵为状态转移矩阵 ，经过经过n个时间间隔个时间间隔安全失效向量安全失效向量危险失效向量危险失效向量 令时间增量趋于令时间增量趋于0 0，得到连续时间马尔可夫模型，得到连续时间马尔可夫模型假设条件假设条件推导过程推导过程离散时间马尔可夫模型离散时间马尔可夫模型或或0010SPT0 0 .1

13、 0 0FSVT1 1 0 . 0 0FDV0nnSSPnnFSPFS SVnnFDPFD SV tttSSP tIttttttttSPSSSPS dttdtSSPI TTTdttdtSPIS基于连续基于连续时间时间马尔可夫马尔可夫模型模型的系统可用性评估的系统可用性评估020004000600080001000000.511.522.5x 10-3t(h)PFD02000400060008000100000123456x 10-4t(h)PFS1oo11oo22oo22oo31oo11oo22oo22oo3 N取取M(MooN)结构的结构的PFS、PFD曲线曲线PFS最终趋于稳态曲线分析曲线

14、分析PFD都呈线性增加趋势与1oo1结构相比1oo2： PFD PFS2oo2： PFD PFS2oo3： PFD PFS05000100000.9970.9980.99911oo1t(h)A05000100000.9970.9980.99911oo2t(h)A05000100000.9970.9980.99912oo2t(h)A05000100000.9970.9980.99912oo3t(h)AMooN结构的时变可用率结构的时变可用率182oo2 1oo1 1oo22.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏80%2.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人

15、员死亡，大型钢架结构破坏100%2.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏部部件件爆炸爆炸比例比例冲击波超压冲击波超压 （MPa）后果后果水水冷冷壁壁1%0.0790.126人员内脏严重损伤或死亡，砖墙倒塌人员内脏严重损伤或死亡，砖墙倒塌防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌5%0.2350.33大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏10%0.500.76大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏30%1.271.67大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏50%1.67

16、2.06大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏80%2.062.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏100%2.94大部分人员死亡，大型钢架结构破坏大部分人员死亡，大型钢架结构破坏省煤器省煤器爆破能量、冲击波超压及后果爆破能量、冲击波超压及后果水冷壁水冷壁爆破能量、冲击波超压及后果爆破能量、冲击波超压及后果直流锅炉的爆炸风险分析直流锅炉的爆炸风险分析40部部件件爆炸比爆炸比例例冲击波超压冲击波超压（MPa）后果后果分分离离器器1%0.013人员轻微损伤人员轻微损伤，受，受压面的门窗玻璃大部分破碎压面的门窗玻璃大部分破碎5%0.013人员轻微损伤人员轻微损伤，受，受压面的门窗玻璃大部分压面的门窗玻璃大部分破碎破碎10%0.013人员轻微损伤人员轻微损伤，受，受压面的门窗玻璃大部分破碎压面的门窗玻璃大部分破碎30%0.0210.0235人员轻微损伤，墙裂缝人员轻微损伤，墙裂缝50%0.02350.027人员轻微损伤，墙裂缝人员轻微损伤，墙裂缝80%0.0330.043人员听觉器官损伤或骨折人员听觉器官损伤或骨折，墙，墙大裂缝，屋瓦掉