基于IEC61511的LNG船液货安全系统设计

摘要

相对石油和煤更加洁净、高效、廉价的天然气已经逐渐成为了世界能源结构中的重要组成部分。现阶段，中国东南沿海地区对天然气的需求量很大，通过LNG船（LNG Carrier）大量海运进口液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）是满足东南沿海地区对于液化天然气的需求的重要途径。LNG船是在-163℃超低温下运输液化天然气的专用船舶，拥有LNG船设计建造的的自主技术与知识产权是中国国家能源战略实施的重大步骤，其意义不容小觑。 LNG船液货系统是LNG船的关键部分。LNG具有超低温沸点，易燃易爆和1：600的气化比例的高危特点，因此LNG船液货系统具有很高的风险。为了降低风险，必须为LNG船液货系统配置高可靠的安全系统。本文基于这一点，从LNG船液货安全系统设计角度做了如下工作。 一、介绍了LNG船液货系统组成与风险。说明了LNG船液货系统配置相关安全系统的必要性。阐述了安全系统的概念以及设计方法，并提出了LNG船液货安全系统设计规范化与标准化的要求，提出了利用遵循广泛应用在过程工业领域的功能安全国际标准IEC61511，进行LNG船液货安全系统的设计。 二、介绍了功能安全国际标准IEC61511的发展与应用，并着重阐述了IEC61511的两个重要概念：安全完整性等级（Safety Integrity Level，SIL）和安全生命周期（Safety Lifecycle）。这是之后进行LNG船液货安全系统设计的理论基础。 三、介绍了两种危险和风险分析的方法：危险与可操作性分析（HAZOP，Hazard and Operation Analysis）与事件树分析（ETA，Event Tree Analysis）。本文使用了HAZOP与事件树分析的综合方法，利用HAZOP在获得危险事件以及其所造成的风险后果，同时利用事件树分析来计算风险发生的概率。针对LNG船液货系统的液货罐压力、液货罐液位以及液货管网的泄漏三个因素进行危险和风险分析。 四、遵循IEC61511对LNG船液货罐液位安全系统进行设计。安全功能为：当液货罐液位过高（达到并超过液货罐总容积的98.7％）时，启动泵塔中两个卸货泵井底部的液货泵排出液货LNG。期望安全完整性等级为SIL3。 五、通过可靠性框图对设计的安全系统进行安全完整性等级验证。提出了基于执行器的冗余配置，基于传感器执行器的冗余配置和基于执行器、传感器的冗余配置三种改进方案。基于执行器、传感器的冗余配置的改进方案使得LNG船液货罐液位安全系同达到了设计要求。 从对LNG船液货安全系统设计的过程与结果状况来看，针对流程工业的IEC61511对于LNG船液货安全系统的应用也是成功的。这为利用IEC61511对LNG船液货安全系统以及其他类似安全系统的设计与分析起到一定的借鉴意义。