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センサコラム「計装2007年7月号」Vol.04

4．化学プラント反応器の事例

（SAFETY INSTRUMENTED SYSTEMS VERIFICATION 14章　Chemical Industryより） SIF安全計装機能による機器への要求事項と、SIL決定後の機器の選定事例を紹介する。 SILは、サイトの仕様，許容リスクと、プロセス条件，化学品の仕様，機器の設計条件，制御システム，独特のハザードの評価により決定する。

反応器（図４参照）

反応の乱れが生じたとき、反応器の内温，内圧が上昇する。SIFは、内温，内圧が上限を超えたときにフィード弁を閉とする機能から規定される。
　SIFの設計－検出端として圧力スイッチと温度スイッチを用いる。 PFD_AVG算出のためのFT（Fault Tree）を図５に示す。
　 PFD_AVG.は10年間8760時間の運転時間を基に算出され、うち24時間は安全PLC内で、検出された故障の危険の修復に充てられる。
　ＰＦＤはＧａｔｅごとに表４のデータを用いて概算計算にて算出できる（図６参照）
表５にサブシステムのＰＦＤ、 PFD_AVG.を示す。
PFD_AVG.＝０．０５５５となるが、ＳＩＬ２を満たしていない。

反応機ＳＩＦ安全要求仕様

SIFの起因	危険事象	入力	ＳＩＬ	出力
反応機からの送り出しラインの故障による、反応機内の高温，高圧	爆発や機器の損傷によるラプチェアからの可燃性ガスの大気への放出	ＰＳＴＳ	２	フィード弁閉

安全要求仕様－SIF＝SIL2（反応の乱れは5年に1回以下）プロセス－10年間の安定運転が前提。
図４　反応器でのＳＩＦ安全要求仕様と機器の選定事例

		PFD	PFD_AVG
Sensor subsystem	G2	0.0045	0.0019
Safty PLC subsystem	G3	0.0018	0.0010
Final Element subsystem	G4	0.1037	0.0526
合計			0.0555

表５　サブシステムのＰＦＤ、ＰＦＤ_AVG

図５　ＰＦＤ_AVG算出のためのＦＴ

表４　計測器の故障率と故障モードのデータ

G6-圧力スイッチ，安全ＰＬＣＤ/Ｉ，伝送ライン
PFD_G6 ＝（λ_３０）×8760＋（λ₄₄）×87600＋（λ₃₁）×8760＋（λ₄₅）×87600
＋（λ₂₀）×24＋（λ_３４）×8760＋（λ₄₈）×87600

G7-温度スイッチ，安全ＰＬＣＤ/Ｉ
PFD_G7 ＝（λ₃₂）×8760＋（λ₄₆）×87600＋（λ₂₀）×24＋（λ₃₄）×8760＋（λ₄₈ ）×87600

G5-圧力スイッチと温度スイッチの１oo２多数決を示す。
PFD_G5 ＝（λ₃₀）×8760＋（λ₄₄）×87600＋（λ₃₁）×8760＋（λ₄₅）
＋（λ₂₀）×24＋（λ₃₄）×8760＋（λ₄₈）×87600］×［（λ₃₂）×8760＋（λ₄₆）× 87600
＋（λ₂₀）×24＋（λ₃₄）×8760＋（λ₄₈）×87600］

G2－センササブシステム，G5の結果に2個のセンサと安全PLCの共通原因故障を加える。
2個のスイッチには共通の技術から、共通原因故障率は5%を与える。
PFD_G2 ＝［（λ₃₀）×8760＋（λ₄₄）× 87600＋（λ₃₁）× 8760＋（λ₄₅）× 87600
＋（λ₂₀）×24＋（λ₃₄）×8760＋（λ₄₈）×87600］×［（λ₃₂）×8760＋（λ₄₆）
×87600＋（λ₂₀）×24＋（λ₃₄）×8760＋（λ₄₈）×87600］
＋β［（λ₃₀＋λ₃₂）/2×8760＋（λ₄₄＋λ₄₆）/2×87600
＋（λ₂₀）×24＋（λ₃₄）×8760＋（λ₄₈）×87600
PFD計算値=0.0045，時間従属のPFDが、運転時間間隔を超えるとき、PFD=0.0019となる。

G3－安全PLC内の回路　1D/Iモジュール，1D/Oモジュールと、全ての共通回路，プロセッサーを含む
PFD_G3＝（λ₂₁）×24＋（λ₃₅）×8760＋（λ₄₉）×87600＋（λ₂₄）×24
＋（λ₃₈）×8760＋（λ₅₂）×87600＋（λ₂₅）×24＋（λ₃₉）×8760＋（λ₅₃）×87600
PFD計算値=0.0018，時間従属のPFD_AVG.=0.001

G4－操作端のサブシステム，電磁弁，アクチュエータ/弁を含む
PFD_G4＝（λ₄₁）×8760＋（λ₅₅）×87600＋（λ₄₂）×8760＋（λ₅₆）
×87600＋（λ₂₆）×24＋（λ₄₀）×8760＋（λ₅₄）×87600
PFD=0.1037，　PFD_AVG.=0.0526

図６　ＰＦＤの計算方法：故障率

以上のケースでは、は明らかに操作端サブシステムに問題あり、SIL2の要求を満たしていない。操作端を1oo2多数決構成することが考えられる。共通原因故障β＝10% とするため、独立したサービスの弁が要請される。
1oo2多数決の2個弁として、再計算した結果を示す。（SILverによる）
SIF計算結果　PFD_AVG.＝0.0109　（SIL2を満たしていない）

反応器　検出端（温度，圧力	PFD_AVG＝0.00194
SIL2 PLC	PFD_AVG＝0.000923
1oo2弁	PFD_AVG＝0.00802

他の代替設計では1つの弁で部分的弁ストロークテストを用いるものがある。
FMEDAによるアクチュエータ，弁のデータを表６に示す。

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