Bestimmung der (SIL) für Schutzsysteme in Dampf

Funktionale Sicherheit
Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevels (SIL) für
Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
1
Einleitung
Dieses Informationsblatt enthält Empfehlungen für die Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevels (SIL)
von Sicherheitsfunktionen in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen gemäss EN 12952 (Wasserrohrkessel) oder
EN 12953 (Grosswasserraumkessel).
2
Begriffe
Die Grundlagen entnehmen Sie bitte unserem Informationsblatt:
„Funktionale Sicherheit: Theoretische Grundlagen“
3
Verordnungen und Normen
Die Grundlagen entnehmen Sie bitte unserem Informationsblatt:
„Funktionale Sicherheit: Gesetzliche Grundlagen“
4
Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevels (SIL) nach EN 50156-1
4.1 Gefahren- und Risikoanalyse
Die EN 50156-1 verlangt die Durchführung einer Gefahren- und Risikoanalyse.
Das Ziel der Gefahrenanalyse ist die Ermittlung der mit der Dampf-/Heisswasserkesselanlagen verbundenen
Gefahren, die zu einem gefährlichen Ereignis führen können, und der hieraus resultierenden Sicherheitsfunktionen. In der EN 12952 bzw. EN 12953 sind die notwendigen Sicherheitsfunktionen für die Dampf/Heisswasserkesselanlagen bereits festgelegt. Die Gefahrenanalyse nach EN 50156-1 ist daher durch die
Anwendung dieser Normen abgedeckt.
Im Rahmen der Risikoanalyse wird die Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevel zu den jeweiligen
Sicherheitsfunktionen durchgeführt, wobei die Beurteilung der Eintrittswahrscheinlichkeit eines bestimmten
gefährlichen Ereignisses und dessen Auswirkungen berücksichtigt wird. In der EN 50156-1 wird hierfür die
Methode des Risikographen aufgeführt (siehe Bild 1).
4.2 Risikograph
Die Methode des Risikographen basiert darauf, dass jede Sicherheitsfunktion mit den Risikoparametern
C, F, P und W bewertet wird:
C
Folgen des gefährlichen Ereignisses
F
Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts im Gefahrenbereich
P
Möglichkeit der Abwendung des gefährlichen Ereignisses
W
Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses
Aus der Kombination dieser Risikoparameter ergibt sich der Sicherheits-Integritätslevel.
Nachfolgend werden Empfehlungen für die Auswahl der Risikoparameter gegeben. Bei der Bewertung wird
davon ausgegangen, dass das betreffende Schutzsystem nicht vorhanden ist.
4.2.1 Folgen des gefährlichen Ereignisses (C)
Der Risikoparameter C ist wie folgt klassifiziert:
C1
leichte Verletzung
C2
schwere irreversible Verletzung einer oder mehrerer Personen, Tod einer Person
C3
Tod mehrerer Personen
C4
sehr viele Tote
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Die Notwendigkeit der SIL-Einstufung ergibt sich aus der EN 50156-1 (Elektrische Ausrüstung von
Feuerungsanlagen; Teil 1: Bestimmungen für die Anwendungsplanung und Errichtung), deren Anwendung in
der EN 12952 und der EN 12953 gefordert wird.
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Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevels (SIL) für
Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
Bei den in konventionellen Dampf-/Heisswasserkesselanlagen möglichen gefährlichen Ereignissen handelt
es sich häufig um Vorgänge, die eine unkontrollierte Freisetzung von energiereichen Stoffströmen (z. B.
Dampf, Rauchgas) zur Folge haben können. Da das Ausmass der Stoffströme und die betroffenen
Anlagenbereiche nicht immer eindeutig festgelegt werden können, werden in der Regel die Parameter C2
oder C3 zugrunde gelegt.
4.2.2 Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts im Gefahrenbereich (F)
Der Risikoparameter F ist wie folgt klassifiziert:
F1
selten bis öfter
F2
häufig bis dauernd
Die Wahl des Parameters F sollte in enger Abstimmung mit dem Auftraggeber erfolgen, da dieser Parameter
unmittelbar mit den jeweiligen anlagen-, betriebs- und/oder kundenspezifischen Randbedingungen in
Beziehung zu setzen ist. Es gelten im Übrigen die folgenden Empfehlungen für F1 und F2.
Hierbei wurde als Bezugsgrösse die Zeit zwischen zwei geplanten Revisionsstillständen zugrunde gelegt
und qualitativ wie folgt eingestuft:
•
•
•
•
Rundengänger, die kurzzeitige Kontrollen in der Anlage vornehmen, sind mit F1 abgedeckt.
Bei alleinstehenden Anlagen sind erforderliche, betriebsbedingte Wartungsarbeiten, Instandhaltung,
Messungen, Prüfungen und Reparaturen mit F1 abgedeckt.
Bei mehreren Anlagen in einem Gebäude ist zwischen Hersteller und Auftraggeber zu klären, ob bei
Revisionen, Reparaturen oder Erweiterungen durch zusätzliche Massnahmen weiterhin der
Parameter F1 verwendet werden kann. In solchem Fall wird in der Regel Parameter F2 empfohlen.
Normalerweise definieren den Parameter F2 nur regelmässige langzeitige Aufenthalte im
Gefahrenbereich.
Für den Zugang von betriebsfremden Personen, z. B. Besuchergruppen, ist zwischen Hersteller und
Auftraggeber zu klären, ob durch zusätzliche organisatorische Massnahmen weiterhin der Parameter F1
verwendet werden kann.
4.2.3 Möglichkeit der Abwendung des gefährlichen Ereignisses (P)
Der Risikoparameter P ist wie folgt klassifiziert:
P1
möglich unter bestimmten Bedingungen
P2
kaum möglich
Die Abwendung eines gefährlichen Ereignisses gemäss P1 bedingt einen nicht plötzlichen
Entwicklungsverlauf des Ereignisses sowie die Alarmierung des qualifizierten Personals (z. B.
Anlagenbediener, Kesselwärter, Rundengänger), dem eine angemessene Zeit zur Verfügung steht, um die
notwendigen Massnahmen einzuleiten. Zu diesen Massnahmen können Prozesseingriffe gehören. Dabei ist
sicher zu stellen, dass die Massnahmen unabhängig und rückwirkungsfrei (z. B. verschiedenartige
Technologien, 2oo3-Systeme mit rückwirkungsfreier Auskopplung) vom Schutzsystem funktionieren.
Der Parameter P2 ist dort einzusetzen, wo durch eine schnelle Entwicklung der Gefährdung keine
Vermeidung durch Flucht oder Handeingriffe möglich ist.
4.2.4 Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses (W)
W1
sehr geringe Wahrscheinlichkeit (weniger als max. 1x / 10 Jahren)
W2
geringe Wahrscheinlichkeit
W3
relativ hohe Wahrscheinlichkeit (1x / Jahr und öfter)
(weniger als 1x / Jahr, aber innerhalb von 10 Jahren zu erwarten)
Da belastbare Daten über die Anzahl gefährlicher Ereignisse in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen in einem
bestimmten Zeitraum üblicherweise nicht verfügbar sind, wird in dieser Information auf einen statistischen
Ansatz für die Einstufung der Parameters W verzichtet. Stattdessen wird nachfolgend ein verfahrenstechnischer Ansatz gewählt.
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Bei konventionellen Dampf-/Heisswasserkesselanlagen haben die Folgen gefährlicher Ereignisse
üblicherweise keine massiven Auswirkungen auf die Umgebung der Gesamtanlage. Der Parameter C4 wird
demzufolge nicht in Betracht gezogen.
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Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
Eine weitere Reduzierung kann z.B. mit der Inanspruchnahme einer weiteren unabhängigen Messgrösse
begründet werden. Weitere organisatorische Massnahmen (z.B. verkürzte Prüfintervalle der betrieblichen
Leittechnik, Fahrweise) sowie spezielle zeitlich begrenzte Betriebszustände (z.B. Anfahrvorgänge) können
ebenfalls zu einer Reduzierung des Parameters W herangezogen werden.
Erforderliche Anforderungsstufe:
-
keine Sicherheitsanforderungen
a
keine besonderen Sicherheitsanforderungen
b
einfaches Schutzsystem ist nicht ausreichend
1 - 4 Sicherheits-Integritätslevel SIL1, 2, 3, 4
Bild 1: Risikograph nach DlN EN 50156-1
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Mit dem Parameter W wird der Beitrag der Risikominderung durch Betriebsbedingungen oder andere
Betriebseinrichtungen als das Schutzsystem bewertet. D.h., dass mit W3 die höchste Wahrscheinlichkeit des
unerwünschten Ereignisses vorhanden ist. Die Reduzierung des Parameters W um eine Stufe ist zulässig,
wenn die für ein unerwünschtes Ereignis relevanten Prozessgrössen z.B. im Rahmen der betrieblichen
Leittechnik über Regelungs- und Steuerungsfunktionen überwacht werden. Die betriebliche Leittechnik muss
dabei unabhängig und rückwirkungsfrei (z.B. verschiedenartige Technologien oder 2oo3-Systeme mit
rückwirkungsfreier Auskopplung) vom Schutzsystem arbeiten.
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Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
Beispiel für den Zusammenhang von Feuerung mit zugehörigen Einrichtungen,
beheiztem System, Leittechnik und Schutzsystem (EN 50156-1)
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Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
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Beispiele für die Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevels
Die Vorgehensweise bei der Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevels wird nachfolgend anhand von
Beispielen der Sicherheitsfunktionen aus der EN 12952/12953 dargestellt:
Abschalten der Beheizung bei Unterschreitung eines festgelegten Wasserstands (NW) bei einem
Dampfkessel (Grosswasserraumkessel).
Erfassung:
Kesselwasserstand
Gefährliches Ereignis:
(Ereigniskette)
Absinken des Wasserstands unter den Bereich der Rauchrohre/Flammrohr
• unzureichende Kühlung der Rauchrohre/Flammrohr
• unzulässig hohe Rohrwandtemperaturen
• Rohrreisser (nicht unmittelbar)
• unkontrollierter Dampfaustritt
Gefahrenbereich:
gesamtes Kesselhaus
Bestimmung der
Risikoparameter:
Folgen des gefährlichen Ereignisses (C):
C3
Der unkontrollierte Austritt einer grossen Dampfmenge in das gesamte Kesselhaus
kann nicht ausgeschlossen werden.
Eine kontrollierte Zugangsbeschränkung in das gesamte Kesselhaus besteht in der
Regel nicht. Infolge der Gefährdung durch Verbrühen und Ersticken besteht die
Gefahr mehrerer Toter.
Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts im Gefahrenbereich (F):
F1/F2
Die Bestimmung der Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts von Personen im
Gefahrenbereich wird durch die jeweiligen anlagen- bzw. betriebsspezifischen
Aspekte und ggf. durch kundenspezifische Randbedingungen beeinflusst.
Die Festlegung auf F1 oder F2 muss daher individuell und möglichst in
Abstimmung mit dem Betreiber erfolgen.
Möglichkeit der Abwendung des gefährlichen Ereignisses (P):
P1
Der Betrieb wird durch ausgebildete Personen (Bediener) ständig überwacht. Der
Kesselwasserstand ist erkennbar. Die Entwicklung des gefährlichen Ereignisses
(bis zum Aufreissen von Rohren) ist nicht plötzlich.
Die Zeit zwischen der Warnung des Bedieners und dem Aufreissen von Rohren ist
ausreichend für erforderliche Massnahmen (Evakuierung, Prozesseingriff). Es ist
sicher zu stellen, dass die Massnahmen unabhängig und rückwirkungsfrei vom
Schutzsystem funktionieren.
Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses (W):
W2
Die betriebliche Leittechnik (Betriebsautomaten und Speisewasserregelung) ist
eine Massnahme zur Reduzierung der Eintrittswahrscheinlichkeit. Es ist sicher zu
stellen, dass sie unabhängig und rückwirkungsfrei vom Schutzsystem funktioniert.
Sicherheits-Integritätslevel der Sicherheitsfunktion: SIL 2 (falls F2) oder SIL 1 (falls F1)
Typische Anforderungen zum Sicherheits-Integritätslevel (SIL) von Kesselschutzsystemen sind in der Regel
nicht kleiner als SIL2.
Ein vollständiges praktisches Beispiel finden Sie unter:
„Beispiel: SIL-Bestimmung und Verifizierung nach DIN EN 50156-1“
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Beispiel 1
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Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
Beispiel 2
Erfassung:
Trommelwasserstand
Gefährliches Ereignis:
(Ereigniskette)
Absinken des Wasserstands bis in den beheizten Bereich
• unzureichende Kühlung der beheizten Membranwandrohre
• unzulässig hohe Rohrwandtemperaturen
• Rohrreisser (nicht unmittelbar)
• unkontrollierter Dampfaustritt
Gefahrenbereich:
gesamtes Kesselhaus
Bestimmung der
Risikoparameter:
Folgen des gefährlichen Ereignisses (C):
C3
Der unkontrollierte Austritt einer grossen Dampfmenge in das gesamte Kesselhaus
kann nicht ausgeschlossen werden.
Eine kontrollierte Zugangsbeschränkung in das gesamte Kesselhaus besteht in der
Regel nicht. Infolge der Gefährdung durch Verbrühen und Ersticken besteht die
Gefahr mehrerer Toter.
Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts im Gefahrenbereich (F):
F1/F2
Die Bestimmung der Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts von Personen im
Gefahrenbereich wird durch die jeweiligen anlagen- bzw. betriebsspezifischen
Aspekte und ggf. durch kundenspezifische Randbedingungen beeinflusst.
Die Festlegung auf F1 oder F2 muss daher individuell und möglichst in
Abstimmung mit dem Betreiber erfolgen.
Möglichkeit der Abwendung des gefährlichen Ereignisses (P):
P1
Der Betrieb wird durch ausgebildete Personen (Bediener) ständig überwacht. Der
Trommelwasserstand ist erkennbar. Die Entwicklung des gefährlichen Ereignisses
(bis zum Aufreissen von Rohren) ist nicht plötzlich.
Die Zeit zwischen der Warnung des Bedieners und dem Aufreissen von Rohren ist
ausreichend für erforderliche Massnahmen (Evakuierung, Prozesseingriff). Es ist
sicher zu stellen, dass die Massnahmen unabhängig und rückwirkungsfrei vom
Schutzsystem funktionieren.
Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses (W):
W2
Die betriebliche Leittechnik (Betriebsautomaten und Speisewasserregelung) ist
eine Massnahme zur Reduzierung der Eintrittswahrscheinlichkeit. Es ist sicher zu
stellen, dass sie unabhängig und rückwirkungsfrei vom Schutzsystem funktioniert.
Sicherheits-Integritätslevel der Sicherheitsfunktion: SIL 2 (falls F2) oder SIL 1 (falls F1)
Typische Anforderungen zum Sicherheits-Integritätslevel (SIL) von Kesselschutzsystemen sind in der Regel
nicht kleiner als SIL2.
Ein vollständiges praktisches Beispiel finden Sie unter:
„Beispiel: SIL-Bestimmung und Verifizierung nach DIN EN 50156-1“
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Abschalten der Beheizung bei Unterschreitung eines festgefegten Wasserstands bei einem Dampfkessel mit
Naturumlauf/Zwangsumlauf (Wasserrohrkessel).
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Bestimmung der Sicherheits-Integritätslevels (SIL) für
Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
Beispiel 3
Erfassung:
Speisewassermassenstrom
Gefährliches Ereignis:
(Ereigniskette)
Absinken des Verdampferdurchflusses unter den erforderlichen Wert
• unzureichende Kühlung der beheizten Membranwandrohre
• unzulässig hohe Rohrwandtemperaturen
• Rohrreisser (nicht unmittelbar)
• unkontrollierter Dampfaustritt
Gefahrenbereich:
gesamtes Kesselhaus
Bestimmung der
Risikoparameter:
Folgen des gefährlichen Ereignisses (C):
C3
Der unkontrollierte Austritt einer grossen Dampfmenge in das gesamte Kesselhaus
kann nicht ausgeschlossen werden.
Eine kontrollierte Zugangsbeschränkung in das gesamte Kesselhaus besteht in der
Regel nicht. Infolge der Gefährdung durch Verbrühen und Ersticken besteht die
Gefahr mehrerer Toter.
Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts im Gefahrenbereich (F):
F1/F2
Die Bestimmung der Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts von Personen im
Gefahrenbereich wird durch die jeweiligen anlagen- bzw. betriebsspezifischen
Aspekte und ggf. durch kundenspezifische Randbedingungen beeinflusst.
Die Festlegung auf F1 oder F2 muss daher individuell und möglichst in
Abstimmung mit dem Betreiber erfolgen.
Möglichkeit der Abwendung des gefährlichen Ereignisses (P):
P1
Der Betrieb wird durch ausgebildete Personen (Bediener) ständig überwacht. Das
Unterschreiten eines Verdampfermindestdurchflusses (Speisewassermassenstrom)
ist durch die Alarmierung bei Ausfall der Speisewasserversorgung und/oder bei
Überschreitung der zulässigen Temperatur am Austritt des Verdampfers erkennbar.
Die Entwicklung des gefährlichen Ereignisses (bis zum Aufreissen von Rohren) ist
nicht plötzlich. Die Zeit zwischen der Warnung des Bedieners und dem Aufreissen
von Rohren ist ausreichend für erforderliche Massnahmen (Evakuierung,
Prozesseingriff). Es ist sicher zu stellen, dass die Massnahmen unabhängig und
rückwirkungsfrei vom Schutzsystem funktionieren.
Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses (W):
W2
Die betriebliche Leittechnik (Betriebsautomaten und Speisewasserregelung) ist
eine Massnahme zur Reduzierung der Eintrittswahrscheinlichkeit. In der Regel sind
zwei Speisewasserpumpen vorhanden, so dass bei Ausfall einer Pumpe auf die
Reservepumpe umgeschaltet wird.
Die Temperaturüberwachung am Austritt des Verdampfers würde bei
Überschreitung der zulässigen Temperatur alarmieren und zur Abschaltung der
Beheizung führen. Es ist sicher zu stellen, dass die Massnahmen unabhängig und
rückwirkungsfrei vom Schutzsystem funktionieren.
Sicherheits-Integritätslevel der Sicherheitsfunktion: SIL 2 (falls F2) oder SIL 1 (falls F1)
Typische Anforderungen zum Sicherheits-Integritätslevel (SIL) von Kesselschutzsystemen sind in der Regel
nicht kleiner als SIL2.
Ein vollständiges praktisches Beispiel finden Sie unter:
„Beispiel: SIL-Bestimmung und Verifizierung nach DIN EN 50156-1“
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Abschalten der Beheizung bei Unterschreitung eines festgelegten Verdampferdurchflusses bei einem
Dampfkessel mit Zwangsdurchlauf (Wasserrohrkessel).
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Schutzsysteme in Dampf-/Heisswasserkesselanlagen
Beispiel 4
Erfassung:
Flammenintensität eines Brenners
Gefährliches
Ereignis:
(Ereigniskette)
Unkontrollierter Brennstoffeintrag
• Verpuffung im Feuerraum oder in den Rauchgaszügen
• Beschädigungen von Kesselwandung, Rauchgaskanälen, …
• unkontrollierter Austritt von Medien, umher fliegende Teile
Gefahrenbereich:
gesamtes Kesselhaus
Bestimmung der
Risikoparameter:
Folgen des gefährlichen Ereignisses (C):
C3
Der unkontrollierte Austritt einer grossen Rauchgas-/Dampfmenge in das gesamte
Kesselhaus kann nicht ausgeschlossen werden.
Eine kontrollierte Zugangsbeschränkung in das gesamte Kesselhaus besteht in der
Regel nicht. Infolge der Gefährdung durch Verbrühen und Ersticken besteht die Gefahr
mehrerer Toter.
Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts im Gefahrenbereich (F):
F1/F2
Die Bestimmung der Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts von Personen im
Gefahrenbereich wird durch die jeweiligen anlagen- bzw. betriebsspezifischen Aspekte
und ggf. durch kundenspezifische Randbedingungen beeinflusst.
Die Festlegung auf F1 oder F2 muss daher individuell und möglichst in Abstimmung
mit dem Betreiber erfolgen.
Möglichkeit der Abwendung des gefährlichen Ereignisses (P):
P2
Die Entwicklung des gefährlichen Ereignisses ist plötzlich. Es bleibt nicht ausreichend
Zeit für gefahrenabwehrende Massnahmen (Evakuierung, Prozesseingriff).
Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses (W):
W2
Fall - Nicht entstehende Flamme:
Eine Massnahme zur Minderung der Eintrittswahrscheinlichkeit der nicht
entstehenden Flamme stellt der Einsatz von automatischen Zündeinrichtungen
dar.
• Fall - Erlöschen der Flamme:
Eine Massnahme zur Minderung der Eintrittswahrscheinlichkeit der erlöschenden Flamme stellt die automatische Überwachung des Brennstoff-LuftVerhältnisses dar.
Es ist sicher zu stellen, dass diese Einrichtungen unabhängig und rückwirkungsfrei
vom Schutzsystem funktionieren.
•
Sicherheits-Integritätslevel der Sicherheitsfunktion: SIL 3 (falls F2) oder SIL 2 (falls F1)
Typische Anforderungen zum Sicherheits-Integritätslevel (SIL) von Kesselschutzsystemen sind in der Regel
nicht kleiner als SIL2.
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Unterbrechen der Brennstoffzufuhr beim Erlöschen oder Nichtanstehen der Flamme.