VDMA-Einheitsblatt Februar 2013 VDMA

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1 VDMA-Einheitsblatt Februar 2013 VDMA ICS ; Turbomaschinen und Generatoren Anwendung der Prinzipien der Funktionalen Sicherheit Teil 1: Verfahren zur Ermittlung der notwendigen Risikoreduktion Turbomachinery and generators Application of the principles of functional safety Part 1: Methods for determination of the necessary risk reduction Fortsetzung Seite 1 bis 68 Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v. (VDMA) Das VDMA-Einheitsblatt ist urheberrechtlich geschützt und bleibt ausschließliches Eigentum des VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v., Frankfurt/Main. Eine Änderung, Ergänzung, Bearbeitung, Einarbeitung, Übersetzung, Vervielfältigung und/oder Verbreitung bedarf der ausdrücklichen vorherigen schriftlichen Zustimmung des VDMA. Alleinverkauf der VDMA-Einheitsblätter durch Beuth Verlag GmbH, Berlin. Preisgr. 23

2 Seite 2 Inhalt Seite Vorwort Erläuterungen Anwendungsbereich Anwendungsbereich des gesamten VDMA-Einheitsblatts Anwendungsbereich des VDMA-Einheitsblatts Teil Normative Verweisungen Begriffe Ausrüstungsumfang Ausfallwahrscheinlichkeit bei Anforderung Benutzerinformation Aufenthaltswahrscheinlichkeit "F" Bestimmungsgemäße Verwendung Bestimmungsgemäßer Betrieb Bezugsereignis Betriebszustand Ereignisbasiertes Risiko Ereignisrate Funktionale Sicherheit Gefährdung (oder Gefahrenwirkung) Gefährdungsanalyse Gefährdungsbereich Gefährdungsereignis Gefahr Identifizierung der Gefährdungen Individuelles Risiko Inhärent sichere Konstruktion Kollektives Risiko Lebenszyklus Produktlebenszyklus Prozessgefahr Prüffrequenz Proof Test Relatives Risiko Risiko Risikoanalyse Risikobeurteilung Risikobewertung Risikoeinschätzung... 12

3 Seite Risikoempfänger Risikominderung Risikoreduktionsfaktor (RRF) Risikoziel Schaden Schadensausmaß Schutz Schutzebene Schutzebenenanalyse Sicherheitsfunktion Schutzkreis Schutzmaßnahme Sicherheitsinstrumentierte Funktion (SIF) Sicherheitsinstrumentiertes System (SIS) Sicherheitsintegritätslevel (SIL) Sicherheitslebenszyklus Technische Schutzmaßnahmen Unfallrate Ungeschützte Unfallrate Geschützte Unfallrate Unfallszenario Unvermeidbarkeit Validierung Vermeidbarkeit Verwundbarkeit Wiederholungsprüfung / Proof Test Anwendbarkeit bestehender Richtlinien und Normen Ableitung der Funktionalen Sicherheit aus der Maschinenrichtlinie Anwendbarkeit von Normen zur funktionalen Sicherheit Grundelemente der funktionalen Sicherheit Funktionale Sicherheit Abgrenzung Risiken außerhalb der funktionalen Sicherheit Lebenszyklus des Produktes Sicherheitslebenszyklus der Sicherheitskreise Beschreibung von Risiken Prozessgefahr Risiko Wahrscheinlichkeit und Ereignisrate Messung und Prognose von Ereignisraten Bezugsereignis... 27

4 Seite Auswahl des Bezugsereignisses Schadensausmaß und Schadenskategorien Schadenskategorien für Turbomaschinen und Generatoren Definitionsarten von Risiko für Personen Risikoempfänger in Abhängigkeit von der Definitionsart Gefahrenwirkung und Gefährdungsbereich Unfallszenarien Risikoreduktion - Quantitatives Grundschema Betriebsarten von Sicherheitsfunktionen Anforderungsrate und ungeschützte Unfallrate Niedrige Anforderungsrate - Reduktion des Risikos Hohe Anforderungsrate - Begrenzung des Risikos Allgemeine Darstellung der Betriebsarten von Sicherheitsfunktionen Anforderungsraten für Turbomaschinen und Generatoren Funktionsprüfungen für Sicherheitsfunktionen Beschreibungsgrößen Funktionsprüfungen nach IEC Normen Prüfungen von Sicherheitsfunktionen Deckungsgrad Prooftest - Voraussetzungen Funktionsprüfungen und Sicherheitsanforderungsspezifikation Verfahren zur Bestimmung der Schutzanforderungen Logische Grundstruktur Die allgemeine Risikogleichung und ihre Parameter Die Risikoreduktionsgleichung Konkrete Verfahrensweisen Quantitativ - Semi-Quantitativ - Qualitativ Diskretisierend: Übersicht Schutzebenenanalyse- LOPA Risikomatrix Risikograph Festlegen der Anforderungen an die Sicherheitsfunktion Vorgehen zur Festlegung der Betriebsart Festlegung der Sicherheitsintegritätsparameter Bewertungsgrundlagen für die Risikobeurteilung bei Turbomaschinen und Generatoren Zustand der Ausrüstung Anforderungen an das Personals Gefahrenbereiche Betrachtete Personengruppen und deren Aufenthalt in den Gefahrenbereichen Nebenanlagen Lebensphasen und Betriebszustände, die im Rahmen der funktionalen Sicherheit betrachtet werden... 59

5 Seite Schnittstelle zum Betreiber Festlegung von Risikozielen Allgemeines Ereignisbasiertes Risikoziel Individuelles Risikoziel Gleichwertigkeit der beiden Definitionstypen Kollektives Risikoziel Bezug der Risikoziele zum beabsichtigten Sicherheitsniveau Staffelung der Zielwerte nach Schadenskategorie Literaturhinweise... 68

6 Seite 6 Vorwort An die Sicherheit von Turbomaschinen und Generatoren in Kraftwerken und Industrieanlagen werden hohe Anforderungen gestellt. Sie sind diesen Anforderungen schon immer gerecht geworden. Betreiber und Hersteller von Turbomaschinen und Generatoren haben gemeinsam schon vor mehr als 40 Jahren detaillierte Sicherheitskonzepte erarbeitet, um einen sichereren Betrieb zu gewährleisten. So wurde für Dampfturbinen die VGB-Richtlinie VGB-R 103 und für Gasturbinen die VGB-Richtlinie VGB-R 121 und die ISO herausgegeben. Die VGB-Richtlinien wurden seitdem mehrmals überarbeitet. Einen wesentlichen Aspekt bei der Sicherheit von Turbomaschinen und Generatoren stellt die Auswahl und Realisierung der zugrundeliegenden Steuer-, Regel- und Sicherheitsfunktionen dar. Hierfür werden überwiegend seit Jahrzehnten bewährte mechanische, hydraulische, pneumatische, elektrische, elektromechanische und elektronische Komponenten eingesetzt. In den letzten Jahren wurden in der Prozessindustrie und im Maschinenbau für die Auslegung, das Design und die Validierung von Sicherheitsfunktionen neue Normen verabschiedet. Mit der IEC beziehungsweise deren sektorspezifischen Ableitung IEC für die Prozessindustrie und den unter der Maschinenrichtlinie harmonisierten Normen IEC und ISO wurde u. a. die Betrachtung von Ausfallraten als statistische Größe in die Funktionale Sicherheit eingeführt. Trotz unterschiedlicher Ausprägung ist den neueren Normen gemeinsam, dass sie die Probabilistik in Auslegung und Bewertung von Sicherheitsfunktionen als Stand der Technik einführen. Obwohl Turbomaschinen und Generatoren sicher sind und keinerlei Anlass besteht das gegenwärtige hohe Sicherheitsniveau in Frage zu stellen, müssen Turbomaschinenhersteller diesen neuen Stand der Technik, der den methodischen Einsatz der Wahrscheinlichkeitsrechnung erfordert, berücksichtigen. Einen wesentlichen Einfluss auf die Festlegung der Schutzanforderung haben dabei die Bewertung der Eintrittsrate eines Ereignisses und das mögliche Schadensausmaß. Aufgrund der geringen Schadenshäufigkeit im Betrieb von Turbomaschinen und damit mangelndem Daten ist man bei der Bewertung auf Experteneinschätzungen angewiesen. Die Experten der Firmen, Atlas Copco, MAN Diesel & Turbo und Siemens Energy haben sich unter dem Dach des VDMA zu einem Arbeitskreis Funktionale Sicherheit von Turbomaschinen und Generatoren zusammengefunden, um die neuen Anforderungen für Turbomaschinen und Generatoren umzusetzen. Dabei wurde ein Text erstellt, der für sich selbst steht, ohne dass die zugrunde liegenden Normen parallel verwendet werden müssen. Ziele des Arbeitskreises sind die Festlegung der geeigneten Normenanwendung für Turbomaschinen und Generatoren und die Basisbewertungen für die typischen Sicherheitskreise. Für die Turbomaschinen: Dampfturbinen, Gasturbinen, Kraftwerksgeneratoren und Kompressoren, werden Anforderungen an die Sicherheitsfunktionen festgelegt, bei deren Beachtung der aus der Vergangenheit bekannte hohe Sicherheitsstandard auch unter Beachtung der neuen Normenanforderung, eingehalten wird.

7 1. Erläuterungen Dieses VDMA-Einheitsblatt ist Teil einer Einheitsblattreihe mit den folgenden Teilen: Seite 7 "Turbomaschinen und Generatoren Anwendung der Prinzipien der Funktionalen Sicherheit" Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 Teil 7 Teil 8 Verfahren zur Ermittlung der notwendigen Risikoreduktion Risikobeurteilung Bestandsanlagen frei frei Risikobeurteilung Dampfturbinen Risikobeurteilung Gasturbinen Risikobeurteilung Verdichterstränge Risikobeurteilung Kraftwerksgeneratoren An der Projektarbeit zur Funktionalen Sicherheit bei Turbomaschinen und Generatoren waren folgende Unternehmen beteiligt: Atlas Copco Energas MAN Diesel & Turbo sowie die VDMA Fachverbände Power Systems Kompressoren Druckluft- und Vakuumtechnik. Das vorliegende VDMA-Einheitsblatt wurde von den folgenden Experten erarbeitet: Josef Antretter Dr. Andreas Belzner Dr. Wilfried Blotenberg Reiner Eichmann Christoph Graser Thomas Haag Dr. Jürgen Havemann Frank Mäckle Gerd Weber Gerhard J. Weiss Bernhard Wüst Zeynep Yigit-Rohde Matthias Zelinger MAN Diesel & Turbo Atlas Copco Energas Atlas Copco Energas VDMA Power Systems 2. Anwendungsbereich 2.1 Anwendungsbereich des gesamten VDMA-Einheitsblattes Das vorliegende VDMA-Einheitsblatt behandelt die Anwendung der Prinzipien der funktionalen Sicherheit bei sicherheitsbezogenen Systemen/Steuerungsfunktionen der Gas- und Dampfströmungsmaschinen und entsprechender Arbeitsmaschinen. Diese kommen u.a. in den folgenden Anwendungen zum Einsatz: der Energiewirtschaft zur Stromerzeugung der Prozessindustrie den verfahrenstechnischen Anlagen der Öl- und Gasindustrie Turbomaschinen als Antrieb in Flugzeugen werden hier nicht betrachtet (siehe Abschnitt 5.1).

8 Seite 8 Folgende Maschinen einschließlich ihrer Hilfssysteme werden im Rahmen dieses VDMA-Einheitsblatt betrachtet: Dampfturbinen Gasturbinen Turboverdichter Gasentspannungsturbinen (Expander) Turbogeneratoren Dieses VDMA-Einheitsblatt kann auch analog für Prozessgasschraubenverdichter angewandt werden. Dieses VDMA-Einheitsblatt behandelt den Schutz von Personen gegen die Prozessgefahren von Turbomaschinen und Generatoren. Die Gesundheit von Personen ist das ausdrücklich benannte Schutzziel der Europäischen Richtlinien, insbesondere der Maschinenrichtlinie. In den relevanten Normen zur Funktionalen Sicherheit ist mehrheitlich ebenfalls der Schutz von Personen als das primäre Ziel der Norm angegeben (IEC 61508, IEC61511, IEC62061, ISO13849), obwohl damit andere Schutzziele nicht ausgeschlossen sind. Sach- und Umweltschäden werden hier nicht betrachtet. Dieses VDMA-Einheitsblatt behandelt die Funktionale Sicherheit von Turbomaschinen und Generatoren (siehe Abschnitt 6.1 Funktionale Sicherheit Abgrenzung"). Im Zusammenhang mit der allgemeinen Sicherheit des Produktes ist dies ein Teilbereich. Die Anwendung dieses VDMA-Einheitsblatts alleine reicht nicht aus, Turbomaschinen und Generatoren zu sicheren Maschinen zu machen. Besonders ist zu beachten, dass die Anforderungen der Maschinenrichtlinie (2006/42/EG) und anderer europäischer Richtlinien zur Sicherheit von Produkten über dieses VDMA-Einheitsblatt hinausgehen. Dieses VDMA-Einheitsblatt behandelt die Definition der Sicherheitsintegritätsanforderungen an Sicherheitskreise. Der Entwurf der Sicherheitskreise nach diesen Anforderungen und der Nachweis der Sicherheitsintegrität sind hierin nicht enthalten. Dieses VDMA-Einheitsblatt ist weltweit anwendbar. Es ist auf der Grundlage internationaler Normen erarbeitet worden, die weltweit anerkannt den Stand der Technik für sicherheitsgerichtete Systeme definieren. Die Autoren des VDMA-Einheitsblattes vertreten einen repräsentativen Anteil der Entwickler von Turbomaschinen und Generatoren. Aus der Sicht der Autoren gibt es keinen Umstand, der die Gültigkeit des VDMA-Einheitsblattes geografisch begrenzen würde. 2.2 Anwendungsbereich des VDMA-Einheitsblattes Teil 1 Der vorliegende Teil 1 des VDMA-Einheitsblattes beschreibt die Verfahren zur Ermittlung der notwendigen Risikoreduktion.