劉燕江
(云南云天化國(guó)際化工股分有限公司紅磷分公司,云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661600)
云南云天化國(guó)際化工股份有限公司紅磷分公司是目前具有年產(chǎn)117萬(wàn)t硫酸、39萬(wàn)t磷酸、8萬(wàn)t合成氨、45萬(wàn)t磷銨及30萬(wàn)t復(fù)合肥生產(chǎn)能力的磷復(fù)肥企業(yè)。多年來(lái)紅磷分公司緊跟自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),選用先進(jìn)的自動(dòng)化儀表及系統(tǒng),為生產(chǎn)自動(dòng)化及信息化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
目前,公司形成了以合成氨、硫酸為代表的長(zhǎng)周期運(yùn)行,以磷酸、磷銨為代表的周期性清堵、檢修的生產(chǎn)裝置,數(shù)千臺(tái)儀表以網(wǎng)狀、節(jié)點(diǎn)的形式遍布于生產(chǎn)的各個(gè)角落,把生產(chǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量轉(zhuǎn)換后匯集于以PC為平臺(tái)的操作控制及信息層面上。目前公司生產(chǎn)信息化已初步實(shí)現(xiàn)。
自動(dòng)化儀表在公司生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要且不可代替?!昂诵摹眱x表故障往往會(huì)造成裝置的非計(jì)劃性緊急停車(chē),給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患,而僅“核心”儀表就有數(shù)百臺(tái)件。因此,如何有效維護(hù)好自動(dòng)化儀表,滿足工藝生產(chǎn)的需要是我們亟待探討的課題。
按照應(yīng)用領(lǐng)域和自身技術(shù)特點(diǎn),儀器儀表大致分為工業(yè)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、電子與電工測(cè)量、醫(yī)療儀器、各類(lèi)專(zhuān)用儀器、傳感器與儀器儀表元器件及材料6個(gè)大類(lèi)[1]。
化工生產(chǎn)過(guò)程控制主要圍繞壓力、溫度、流量、液位及成分5大參數(shù)進(jìn)行,而這些參數(shù)的測(cè)量與控制是由自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)及執(zhí)行器等組成的“自動(dòng)化系統(tǒng)”完成的,其作用相當(dāng)于人的眼、耳、神經(jīng)系統(tǒng)、大腦及手腳。
目前,公司在線運(yùn)行的自動(dòng)化儀表約7 000余臺(tái)件,其中,智能儀表約4 000余臺(tái)件;80萬(wàn)t/a硫酸主裝置采用現(xiàn)場(chǎng)總線儀表;全公司的核心儀表(影響裝置開(kāi)停)約為400臺(tái)件,關(guān)鍵儀表(影響工藝操作、指標(biāo)控制)約1 200臺(tái)件。
1.3.1 壓力類(lèi)儀表
壓力類(lèi)儀表主要是壓力變送器、壓力開(kāi)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)壓力表,是第一大類(lèi)儀表,測(cè)量覆蓋范圍為-0.1~60 MPa。此外,壓力變送器也應(yīng)用于差壓式液位測(cè)量及流量測(cè)量。
1.3.2 溫度類(lèi)儀表
首先是溫度傳感器,主要有Pt100的熱電阻、K(鎳鉻-鎳硅)分度和S(鉑銠10-鉑)分度的熱電偶,測(cè)溫原理為熱電阻的阻值、熱電偶的毫伏電勢(shì)隨溫度變化而變化,但不論是熱電阻還是熱電偶,其熱電特性是非線性的。熱電偶與二次儀表的連線需要專(zhuān)用的補(bǔ)償導(dǎo)線,溫度測(cè)量覆蓋范圍為-150~1 600℃。此外,還有部分現(xiàn)場(chǎng)顯示的雙金屬溫度計(jì)。溫度類(lèi)儀表是第二大類(lèi)儀表。
1.3.3 流量類(lèi)儀表
流量類(lèi)儀表主要有:電磁流量計(jì);流體振蕩類(lèi)流量計(jì),如渦街、旋渦;差壓流量計(jì),通過(guò)節(jié)流元件如標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、阿紐巴、V錐、彎管、皮托巴等取得與流量相對(duì)應(yīng)的差壓,通過(guò)流量變送器及補(bǔ)償算法得到流量;科氏力、熱質(zhì)式質(zhì)量流量計(jì);超聲波流量計(jì)等。以電磁流量計(jì)為例,測(cè)量口徑覆蓋范圍為DN10~1 000、量程為0~1 500 m3/h。由于流量計(jì)直接安裝在工藝管道上,因此,其受工藝條件如溫度、壓力、流速等因素的影響大,在實(shí)際應(yīng)用中也是爭(zhēng)議較多的儀表。從世界范圍來(lái)看,流量計(jì)是使用比制造難得多的少數(shù)儀表之一[2],是第三大類(lèi)儀表,是類(lèi)型、工作原理、技術(shù)最復(fù)雜的儀表。此外,皮帶秤、給料機(jī)可歸為“流量?jī)x表”。
1.3.4 物(液)位儀表
物(液)位儀表主要有差壓式液位計(jì)、超聲波及雷達(dá)液位計(jì)、同位素液位計(jì),是第四大類(lèi)儀表。
1.3.5 分析儀表
氣體分析儀主要用于過(guò)程、尾氣及環(huán)境可燃性、毒性氣體含量分析,分析原理有紅外線、熱導(dǎo)式、催化燃燒式、電化學(xué)式等。液體分析儀主要分析過(guò)程液體的電導(dǎo)率、pH值、酸濃度等。分析儀表是第五大類(lèi)儀表,是需要精心維護(hù)的儀表。
1.3.6 執(zhí)行器
執(zhí)行器主要是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥及由儀表專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)的電磁閥。
1.3.7 其他儀表
如自動(dòng)定量包裝秤、噴碼機(jī)等。
現(xiàn)代儀表利用微處理器及其軟件技術(shù),實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力、溫度等變化對(duì)檢測(cè)元件的影響,并在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償,使其測(cè)量的精度高,如在公司普遍應(yīng)用的3051壓力變送器精度為0.075%、量程比為100∶1。寬量程比即儀表測(cè)量范圍寬,可減少變送器的規(guī)格,增強(qiáng)儀表的通用性和互換性。
以美國(guó)德州儀器公司提出的“DSPS”[1]概念為例,其以DSP芯片為核心,配合先進(jìn)的混合信號(hào)電路、ASIC電路、元件及開(kāi)發(fā)工具等進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。儀表進(jìn)一步與微處理器、PC技術(shù)融合,采用大量超大規(guī)模集成的新器件、表面貼裝技術(shù)、多層線路板印刷、圓片規(guī)模集成和多芯片模塊等新工藝,使多媒體技術(shù)、模糊控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在現(xiàn)代儀表中得到廣泛的應(yīng)用。智能儀表具有完善的自診斷、自校正等功能。
隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)已突破了傳統(tǒng)通信方式的時(shí)空和地域限制,進(jìn)入了生產(chǎn)及生活的各個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)化、總線化[1]儀表作為網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的節(jié)點(diǎn),測(cè)控信息可在網(wǎng)絡(luò)上傳輸或跨越網(wǎng)絡(luò)組成遠(yuǎn)程在線、實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀表相比,網(wǎng)絡(luò)化、總線化儀表具有節(jié)約大量的現(xiàn)場(chǎng)布線、全數(shù)字化、開(kāi)放性與互操作性好、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)擴(kuò)充及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)?!熬W(wǎng)絡(luò)就是儀表”[3]的概念確切地概括了這一特點(diǎn)。
對(duì)一臺(tái)已完成機(jī)械安裝、電纜連接和通電的電磁流量計(jì)而言,其投用也非常簡(jiǎn)單,只需要通過(guò)面板使用按鍵、觸摸屏或是手持式智能終端,按照菜單提示進(jìn)行對(duì)話式的設(shè)定操作(一般只需要設(shè)置儀表位號(hào)、測(cè)量單位、測(cè)量管口徑、量程4個(gè)基本參數(shù))就可以正常投用,其過(guò)程僅幾分鐘。
某些儀表如羅斯蒙特5600系列的雷達(dá)液位計(jì),則須借助PC及專(zhuān)用軟件組成的平臺(tái),在實(shí)際使用條件下完成調(diào)試,才能發(fā)揮其應(yīng)有的功能。
儀表的服務(wù)對(duì)象是工藝及設(shè)備,而不同的工藝及設(shè)備對(duì)儀表有著不同的測(cè)量重點(diǎn)及要求。合理選型的首要條件是對(duì)工藝流程、操作范圍、介質(zhì)特性的準(zhǔn)確把握;其次是對(duì)具體安裝位置的電磁、振動(dòng)、腐蝕等因素對(duì)不同工作原理的儀表可能造成的影響評(píng)估;再次是熟知各種儀表的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍,熟悉國(guó)內(nèi)外主要儀表廠商的儀表性能及技術(shù)優(yōu)勢(shì),并具有在不同過(guò)程條件下的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。此外,還要從可靠性、穩(wěn)定性、長(zhǎng)期性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考慮,作出最優(yōu)化的選型。一般來(lái)說(shuō),應(yīng)選技術(shù)成熟可靠的產(chǎn)品,對(duì)新型儀表的選用應(yīng)先在一定的范圍內(nèi)試用,取得可靠的數(shù)據(jù)后再逐步推廣。實(shí)踐證明選對(duì)儀表才能用好、維護(hù)好儀表[4]。
有了好的儀表選型,如果安裝不正確,再先進(jìn)的儀表也不能發(fā)揮其應(yīng)有的功能與作用,甚至損壞儀表[5]。由于安裝不合理導(dǎo)致儀表?yè)p壞的典型例子莫過(guò)于18萬(wàn)t/a磷銨裝置進(jìn)管式反應(yīng)器的料漿陶瓷襯里電磁流量計(jì)FT-3303,其安裝位置示意圖如圖1所示。
圖1 流量計(jì)安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the installation location for flow meter
由于多方面的原因,管式反應(yīng)器周?chē)膬x表安裝非常緊湊;FT-3303安裝前后的管道扭曲嚴(yán)重,振動(dòng)大;流量計(jì)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和止逆閥緊貼著安裝在不足1.5 m的管道上,止逆閥后就是吹掃管反蒸汽的接入口。2008年3月8日01:10、15:25、19:55,11月 2日00:50,11月13日18:20,各損壞流量計(jì)1臺(tái),共5臺(tái),損壞的流量計(jì)均為陶瓷襯里徑向炸裂。流量計(jì)損壞的過(guò)程分析如下。
正常開(kāi)車(chē)時(shí),工藝操作先進(jìn)料漿,接著進(jìn)氨,料漿的溫度在80℃左右。當(dāng)需要吹掃管式反應(yīng)器的反應(yīng)管時(shí),先停料漿,再停氨,而當(dāng)時(shí)止逆閥實(shí)際已失效。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)是在關(guān)死時(shí)也具有一定的泄漏量,因此,當(dāng)料漿停后,在重力作用下,流量計(jì)的測(cè)量管成了空管,這時(shí)氨很容易通過(guò)止逆閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥到達(dá)流量計(jì)測(cè)量管,使陶瓷襯里很快從80℃左右下降到0℃以下。接著工藝用140℃左右的蒸汽吹掃反應(yīng)管,蒸汽以同樣的方式到達(dá)流量計(jì)測(cè)量管,使其陶瓷襯里又很快從0℃以下上升到140℃左右。如此反復(fù)大幅度的驟冷驟熱正是流量計(jì)陶瓷襯里炸裂的根本原因。此外,由于工藝清管敲打等原因,管道扭曲嚴(yán)重,在驟冷驟熱的過(guò)程中熱脹冷縮,產(chǎn)生的應(yīng)力使陶瓷襯里炸裂往徑向發(fā)展。
在增加優(yōu)化聯(lián)鎖、恢復(fù)止逆閥(后改為氣動(dòng)切斷閥)、優(yōu)化操作等持續(xù)分析改進(jìn)及試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),隱藏在背后使流量計(jì)損壞的真正原因是安裝位置的不正確,如仍安裝在損壞位置,即使增加聯(lián)鎖及切斷閥,由于安裝太過(guò)緊湊,吹掃反應(yīng)管時(shí)的驟冷驟熱仍會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)方式到達(dá)流量計(jì),只是速度、幅度沒(méi)有直接的方式大,而管道熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力仍無(wú)法克服,事實(shí)上以前已損壞過(guò),只是沒(méi)有此次的突出與集中,所以認(rèn)為是“正?!睋p壞。把FT-3303的安裝位置改到圖1中A點(diǎn)后,同型號(hào)的流量計(jì)已正常運(yùn)行三年多。
此外,儀表的防水、防振、防砸等措施也不容忽視。
合理的備件有利于正常的運(yùn)行維護(hù),備件量大會(huì)造成資金的積壓,而備件不足則會(huì)影響生產(chǎn)的運(yùn)行。由于儀表故障具有一定的突發(fā)性和偶然性且基本不具有可維修性,因此面對(duì)數(shù)量、型號(hào)、規(guī)格眾多的儀表,應(yīng)該做好合理的備件。
備件的需求主要來(lái)自4個(gè)方面:①進(jìn)入壽命晚期,故障增多需要更換;②選型不當(dāng)或?qū)嶋H的工藝磨損;③非正?;虿豢煽咕芰?dǎo)致的損壞;④非計(jì)劃增加的測(cè)量點(diǎn)。因此,主要的備件量應(yīng)以前面所述4點(diǎn)的需求作為基準(zhǔn)。
優(yōu)化儀表備件應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手:①儀表選型時(shí)除考慮綜合的性?xún)r(jià)比外,還需要進(jìn)行規(guī)劃統(tǒng)一,減少型號(hào)及廠家,同一系列的儀表部件應(yīng)具有通用性和互換性;②強(qiáng)化儀表的日常維護(hù)與管理,杜絕非正常性損壞;③極積開(kāi)展修舊利廢,對(duì)故障儀表進(jìn)行分類(lèi)處理,清理出正常的部件,測(cè)試后按正常備件進(jìn)行管理;④對(duì)新增測(cè)量點(diǎn),要嚴(yán)格審批,可要可不要的就不要,必須要的就一定要用好;⑤核心儀表必須有備件且必須完好。
3.4.1 從維修向維護(hù)轉(zhuǎn)變
現(xiàn)代儀表的技術(shù)特點(diǎn)決定了其在應(yīng)用過(guò)程中故障特別是硬件故障時(shí)的“可維修”空間不大,即使把故障儀表送回廠家,其處理方法也基本上是更換故障模塊或直接給用戶(hù)更換一臺(tái)新表。因此,在現(xiàn)代自動(dòng)化儀表應(yīng)用中,傳統(tǒng)意義上的儀表維修基本上沒(méi)有了,再者一般儀表用戶(hù)也不具備維修的資源。因此,應(yīng)將維修向維護(hù)轉(zhuǎn)變[6],將管理及工作的重點(diǎn)放在維護(hù)保養(yǎng)環(huán)節(jié)中,給儀表提供盡可能理想的運(yùn)行條件,以良好的維護(hù)保養(yǎng)措施來(lái)避免儀表故障的發(fā)生,杜絕非正常性的損壞,延長(zhǎng)儀表的使用壽命。
3.4.2 智能維護(hù)調(diào)試平臺(tái)
現(xiàn)代儀表的技術(shù)特點(diǎn)決定了其已經(jīng)不再是那種憑借一塊萬(wàn)用表、螺絲刀等工具并根據(jù)說(shuō)明書(shū)就能夠投入運(yùn)行或維護(hù)的傳統(tǒng)儀表[7],而是基于手持式智能終端或以PC為平臺(tái)的軟件工具進(jìn)行調(diào)試及維護(hù)。如智能壓力變送器的零點(diǎn)漂移可以在線用475通信器輕松校準(zhǔn)而不必費(fèi)時(shí)費(fèi)力地拆回檢定室校準(zhǔn),而3095多參量變送器、雷達(dá)液位計(jì)等智能儀表,則須以PC、專(zhuān)業(yè)軟件、通信接口組成的工具平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試與維護(hù),才能夠充分發(fā)揮這類(lèi)儀表應(yīng)有的功能。離開(kāi)這些“智能”工具,簡(jiǎn)單的投運(yùn)都變得非常困難,但這些智能工具要求維護(hù)人員必須具備所連接儀表最確切的知識(shí)并通曉有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議。
3.4.3 維護(hù)方式的轉(zhuǎn)變與優(yōu)化
提高自動(dòng)化儀表的維護(hù)水平,一個(gè)重要的途徑就是維護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化和維護(hù)方式的選擇[8]。目前,儀表維護(hù)主要是故障維護(hù)即事后維護(hù),即當(dāng)儀表指示異?;蚬收蠒r(shí)才進(jìn)行處理。事后維護(hù)對(duì)裝置影響不大的儀表來(lái)說(shuō)是可以接受的,但對(duì)關(guān)系到裝置甚至全廠平穩(wěn)運(yùn)行的核心儀表、影響工藝操作及指標(biāo)控制的關(guān)鍵儀表來(lái)說(shuō)是不能夠接受的。
現(xiàn)階段常用的幾種維護(hù)方式及其特點(diǎn)如表1所示[9]。表1中:相對(duì)維護(hù)費(fèi)用=事后維護(hù)費(fèi)用/定期維護(hù)費(fèi)用×100%。
表1 現(xiàn)階段常用的幾種維護(hù)方式及特點(diǎn)Tab.1 Several commonly used maintenance methods and their features at present
實(shí)踐表明,80%的風(fēng)險(xiǎn)只與20%的設(shè)備有關(guān),而設(shè)備80%的故障發(fā)生于20%的關(guān)鍵部位。通過(guò)對(duì)表1中幾種維護(hù)方式的對(duì)比分析,結(jié)合公司當(dāng)前儀表專(zhuān)業(yè)的實(shí)際情況,總結(jié)適用于儀表維護(hù)的優(yōu)化方式為:首先,對(duì)公司內(nèi)的儀表進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),根據(jù)儀表故障時(shí)對(duì)裝置影響的程度確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)(目前我們習(xí)慣稱(chēng)為核心儀表、關(guān)鍵儀表和一般性?xún)x表);其次,結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行情況、歷年出現(xiàn)的故障及可維護(hù)(修)性,重點(diǎn)對(duì)核心儀表、關(guān)鍵儀表進(jìn)行可靠性分析,對(duì)于可靠性低的核心儀表還必須采取冗余、旁路等措施,以提高可靠性,再結(jié)合預(yù)防、預(yù)測(cè)性進(jìn)行最優(yōu)的維護(hù),以最小的維護(hù)資源,取得最大的維護(hù)效果,對(duì)一般性?xún)x表則采用事后維護(hù)的方式,以降低維護(hù)費(fèi)用。
工藝生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn),要靠先進(jìn)的設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)及操作維護(hù)人員的共同努力來(lái)完成,從系統(tǒng)的角度看,他們不是孤立的,而是相互滲透、緊密聯(lián)系、協(xié)調(diào)一致的有機(jī)體[10]。
儀表是為工藝及設(shè)備服務(wù)的,從某種意義上說(shuō)服務(wù)對(duì)象的“性格脾氣”決定了儀表維護(hù)的特點(diǎn)。在儀表維護(hù)過(guò)程中我們常為處理某一“儀表故障”忙碌半天,結(jié)果儀表是正常的。在生產(chǎn)過(guò)程中,儀表和控制系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)反映出一些不正常的現(xiàn)象,這些現(xiàn)象可能是儀表故障或干擾產(chǎn)生的,也可能是工藝過(guò)程的真實(shí)反映、偶然變化或操作擾動(dòng)如開(kāi)停泵產(chǎn)生的。因此,在儀表維護(hù)過(guò)程中對(duì)工藝及設(shè)備特性的了解越多,解決問(wèn)題就越輕松,了解故障前后的工藝操作、對(duì)比流程前后的數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)記錄曲線,相當(dāng)一部分的“儀表故障”在操作室就可以解決。實(shí)踐證明,一名優(yōu)秀的儀表技術(shù)員同時(shí)也是一名優(yōu)秀的工藝員。
工藝操作人員主要通過(guò)儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)人機(jī)界面提供的數(shù)據(jù)監(jiān)控工藝生產(chǎn),是儀表及系統(tǒng)的直接使用者,需要具備一定的自動(dòng)化知識(shí),了解工藝流程中儀表的檢測(cè)點(diǎn)及測(cè)量范圍。當(dāng)某一數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí),工藝操作人員能正確判斷是工藝問(wèn)題還是儀表故障,以便及時(shí)通知儀表維護(hù)人員來(lái)處理,并給予適當(dāng)?shù)呐浜?,避免處理過(guò)程中一些不必要的彎路。如某一反應(yīng)槽的溫度測(cè)量,工藝人員反映溫度高、超指標(biāo),儀表維護(hù)人員經(jīng)檢查確認(rèn)儀表測(cè)量正常甚至把整套儀表全換掉,但工藝人員仍堅(jiān)持儀表測(cè)量存在問(wèn)題。實(shí)際情況是工藝降低了液位控制,使插入槽子的溫度元件測(cè)量點(diǎn)落在了反應(yīng)區(qū),從而使溫度測(cè)量為“高”?;謴?fù)液位控制后,溫度恢復(fù)正常。
儀器儀表是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”、科學(xué)研究的“先行官”、軍事上的“戰(zhàn)斗力”,這是以王大珩、楊嘉墀為代表的老一輩科學(xué)家對(duì)其重要作用的精辟闡述[1]。立足于紅磷分公司的實(shí)際情況,結(jié)合現(xiàn)代自動(dòng)化儀表的技術(shù)特點(diǎn),轉(zhuǎn)變觀念,把被動(dòng)的事后維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥煽啃詾橹行牡闹鲃?dòng)性維護(hù),以主動(dòng)良好的維護(hù)保養(yǎng)措施來(lái)避免故障的出現(xiàn)、延長(zhǎng)儀表的使用壽命、為工藝生產(chǎn)提供最優(yōu)的服務(wù)。
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