孟然

(北京燕山玉龍石化工程有限公司，北京 102500)

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安全儀表系統(tǒng)在丁二烯抽提裝置中的應(yīng)用

孟然

(北京燕山玉龍石化工程有限公司，北京 102500)

摘要：針對丁二烯抽提裝置生產(chǎn)的安全性,從理論和實際應(yīng)用兩方面詳細(xì)分析了引起安全儀表系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因，并結(jié)合丁二烯抽提裝置對安全儀表系統(tǒng)中的檢測元件、執(zhí)行元件、邏輯控制器的選型配置，整個安全儀表系統(tǒng)的安裝、施工，以及系統(tǒng)后期維護(hù)管理等多個方面，討論提高安全儀表系統(tǒng)可靠性的具體措施和辦法。

關(guān)鍵詞：丁二烯抽提裝置安全儀表系統(tǒng)可靠性故障

安全儀表系統(tǒng)是一種自動保護(hù)系統(tǒng)，由檢測元件、邏輯控制器和執(zhí)行元件等組成，其作用是用來提高工藝生產(chǎn)裝置及輔助設(shè)備的安全性，實現(xiàn)事故情況下，關(guān)斷工藝系統(tǒng)以保護(hù)人員和工程設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，減小事故損失。近年來，隨著對安全生產(chǎn)要求的不斷提高，安全儀表系統(tǒng)已經(jīng)成為保證裝置正常生產(chǎn)，保護(hù)人員和設(shè)備安全必不可少的措施，對其性能要求也逐漸提高。本文結(jié)合丁二烯抽提裝置，從可靠性角度進(jìn)行分析，集中闡述了安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用。

1安全儀表系統(tǒng)的可靠性分析

1.1可靠性定性分析

可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定的時間間隔內(nèi)發(fā)生故障的概率，安全儀表系統(tǒng)必須有較高的可靠性，以達(dá)到石油化工工業(yè)的高安全性要求。可靠性可以表示為工作時間與故障失效率的函數(shù)，R(t)=e-λt，其中λ表示故障失效率，t表示運行時間，e為常數(shù)。在一定時間內(nèi)，產(chǎn)品隨著使用時間的增加，其正常工作的概率逐漸降低，即故障率升高。

安全儀表系統(tǒng)的安全功能的平均失效概率可以看作是所有子系統(tǒng)和元件的故障失效概率的疊加之和，即λ總=λ1+λ2+λ3+…，其可靠性則為R0(t)=R1(t)R2(t)R3(t)…。由此可知，構(gòu)成系統(tǒng)的任一單元發(fā)生故障，系統(tǒng)的可靠性都會下降。

1.2故障原因分析

系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)自身的故障率不可能為零，其結(jié)構(gòu)、硬件及軟件的復(fù)雜程度、受外界環(huán)境的影響和不當(dāng)?shù)木S護(hù)都會影響其可靠性。通過以往經(jīng)驗對系統(tǒng)故障的原因作以下總結(jié)：

1) 設(shè)計階段。因工藝系統(tǒng)流程的缺陷和投資概算的限制、對過程風(fēng)險分析不充足以及保護(hù)層分配不合理，致使系統(tǒng)設(shè)計選型不當(dāng)、結(jié)構(gòu)配置不合理等，主要表現(xiàn)： 冗余容錯結(jié)構(gòu)不合理，不適合生產(chǎn)過程的安全保護(hù)要求；儀表選型不合理，不適合工藝參數(shù)的要求或元件本身存在較大故障隱患，造成測量不準(zhǔn)、動作不到位或不動作；設(shè)計不完善，如調(diào)節(jié)閥參與安全聯(lián)鎖時，調(diào)節(jié)和安全聯(lián)鎖的信號共用一個檢測元件，因為檢測元件故障或調(diào)節(jié)回路設(shè)置時觸發(fā)聯(lián)鎖信號而造成誤動作。

2) 安裝調(diào)試階段。施工安裝時未能按照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求進(jìn)行，施工后未進(jìn)行有效檢查，安裝調(diào)試沒有詳細(xì)的記錄等。主要表現(xiàn)： 儀表信號線接線松動，接觸不良或不明原因停車或誤動作；儀表伴熱系統(tǒng)失靈，介質(zhì)凝結(jié)產(chǎn)生虛假信號導(dǎo)致誤停車。

3) 維護(hù)管理階段。安全儀表系統(tǒng)的操作和維護(hù)規(guī)程制訂存在缺陷，未按照安全完整性等級的要求定期對安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行校驗和測試。主要表現(xiàn)： 對老化耗損的安全儀表、元件未能及時進(jìn)行測試和更換，安全儀表回路的安全完整性等級下降，不能有效執(zhí)行安全功能。

由上述分析可知，一套高安全性、高可靠性的安全儀表系統(tǒng)，設(shè)計階段最為關(guān)鍵，直接影響到后續(xù)階段的運行和實施。

2安全儀表系統(tǒng)在丁二烯抽提裝置的應(yīng)用

2.1裝置概述

丁二烯抽提裝置以乙烯裝置的混合C4為原料，以乙腈為溶劑，經(jīng)過萃取精餾、丁二烯精制、溶劑精制和回收后得到聚合級1,3-丁二烯產(chǎn)品，工藝介質(zhì)易燃、易爆且伴有毒性。通過對整個裝置工藝流程的分析，在一些重要的流程中設(shè)置了安全聯(lián)鎖，如：

1) 循環(huán)水總管壓力過低時切斷丁二烯混合原料進(jìn)料閥及蒸汽總管進(jìn)汽閥，停汽提塔底釜泵和蒸汽凝液泵。

2) 電源故障時切斷混合原料進(jìn)料閥和蒸汽總管進(jìn)汽閥。

3) 火災(zāi)、失誤操作及機(jī)械故障等重大事故時停裝置所有泵、切斷進(jìn)料出料閥。

2.2現(xiàn)場儀表的設(shè)計

現(xiàn)場儀表由檢測元件和執(zhí)行元件兩部分組成，在危險故障率中所占的比例分別約為35%和50%，其可靠性直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計過程應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮，包括儀表的自身性能的可靠性及外界環(huán)境、安裝等方面。

2.2.1檢測元件

在檢測元件的設(shè)計中，為了減少元件自身的故障率，采用了具有診斷功能的變送器，按隔爆型設(shè)計。為了避免元件故障或調(diào)整工藝設(shè)定參數(shù)時引起安全儀表系統(tǒng)誤動作，造成不必要的停車，變送器均獨立于DCS單獨設(shè)置。在對循環(huán)水總管壓力檢測時采用了冗余的配置方案，方式為“三取二”的邏輯表達(dá)形式，3臺變送器從安裝到接線都是相互獨立的，其檢測信號分別進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)的3個不同的三重化輸入模塊。這種配置方式既增加了安全儀表系統(tǒng)的可靠性又增加了其可用性，除降低了因元件自身故障情況失效導(dǎo)致系統(tǒng)的停車事故，還有效地避免了外界環(huán)境如導(dǎo)壓管堵塞、引壓接頭泄漏、信號接觸不良等多方面的影響，從根本上提高了其可靠性。

2.2.2執(zhí)行元件

執(zhí)行元件多為帶電磁閥的調(diào)節(jié)閥和切斷閥，在設(shè)計時，最多考慮的是其可靠性。執(zhí)行元件的配置無法通過簡單的冗余配置達(dá)到可靠性的要求。根據(jù)GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，閥門采用冗余配置時，可以是1個調(diào)節(jié)閥和1個切斷閥冗余，也可以是2個切斷閥冗余。如采用單一的閥門，其電磁閥也應(yīng)采用冗余配置，但會大量增加經(jīng)濟(jì)投資。如何合理地配置執(zhí)行元件是設(shè)計時的重要考慮因素。

丁二烯抽提裝置從對流程優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)投資等方面考慮，閥門多采取單一閥門的配置方式，為了提高可靠性，選擇了冗余的電磁閥，電磁閥的電源由安全儀表系統(tǒng)提供，按照故障安全型設(shè)計。同時，將閥門的運行狀態(tài)和故障診斷信號上傳至安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。具體配置有以下幾種形式：

1) 原料進(jìn)料線的切斷閥采用了具有安全認(rèn)證的高密封等級的球閥，切斷閥配置冗余的電磁閥，采用串聯(lián)的形式，如圖1所示。當(dāng)需要切斷進(jìn)料線時，安全儀表系統(tǒng)發(fā)生2路關(guān)閥信號，分別送到閥XZSOV-10101A/B。任何1個電磁閥動作，都可以切斷原料進(jìn)料線。電磁閥串聯(lián)的結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的可靠性，防止因為其中1個電磁閥的故障而導(dǎo)致不動作。

圖1　雙電磁閥串聯(lián)示意

2) 萃取中間罐底的閥門為調(diào)節(jié)閥，如圖2所示。正常工況時，其控制指令由DCS給出送至電氣閥門定位器，參與中間罐液位的穩(wěn)定控制。當(dāng)裝置出現(xiàn)異常時，需要迅速切斷閥門，以保證后續(xù)系統(tǒng)的安全，這時其控制指令由安全儀表系統(tǒng)給出送至電磁閥。中間罐底的閥門采用了調(diào)節(jié)閥配置雙電磁閥的結(jié)構(gòu)，電磁閥采用并聯(lián)形式。只有2個電磁閥均失電非勵磁時，才會切斷閥門，從而避免電磁閥失效引發(fā)聯(lián)鎖誤動作，造成停車事故。

圖2　雙電磁閥并聯(lián)示意

2.3安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計

邏輯控制器是安全儀表系統(tǒng)的控制核心，在危險故障率中僅占15%。丁二烯抽提裝置的安全儀表系統(tǒng)選用了安全等級為SIL3的TRICON三重冗余系統(tǒng)，按故障安全型設(shè)計。TRICON系統(tǒng)采用三重化模件(TMR)冗余容錯的結(jié)構(gòu)，將三路隔離、并行的控制和診斷集成在一個系統(tǒng)中，采用“三取二”的表決形式，系統(tǒng)中所有的I/O信號都要經(jīng)過硬件的“三取二”表決。每個系統(tǒng)通道獨立地執(zhí)行控制程序，與其他兩個通道并行工作，不會因單點的故障導(dǎo)致系統(tǒng)失效。安全儀表系統(tǒng)能診斷和顯示系統(tǒng)的全部部件故障，并顯示在安全儀表系統(tǒng)的操作站上，為保證安全儀表系統(tǒng)整體的安全性，電源及通信均采用冗余配置，結(jié)構(gòu)配置如圖3所示。整個系統(tǒng)主要由1個系統(tǒng)柜(控制站)、2個輔助柜、1個遠(yuǎn)程I /O 機(jī)柜、2臺工程師站兼事件順序記錄站(其中1臺與其他裝置共用，設(shè)置在中心控制室)、1臺操作員站和1個輔助操作臺組成。控制站和工程師站放在現(xiàn)場機(jī)柜室，遠(yuǎn)程I/O 機(jī)柜、操作員站和輔助操作臺集中在中心控制室內(nèi)，進(jìn)行集中操作、控制和管理。輔助操作臺安裝操作按鈕和燈屏信號。現(xiàn)場機(jī)柜室與中心控制室之間采用冗余鎧裝單模光纖進(jìn)行連接。

圖3　安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置示意

2.4安裝與施工

在安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用中，一些不可量化的因素也決定著其安全性和可靠性，其中現(xiàn)場儀表的安裝和接線往往最容易被忽略。在安裝各種變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，要嚴(yán)格按照各類儀表規(guī)范、設(shè)計要求進(jìn)行，做好儀表防凍防凝、伴熱保溫工作。在儀表電纜接線上，對于冗余配置的現(xiàn)場儀表，其信號電纜敷設(shè)至機(jī)柜室的路由應(yīng)分開設(shè)置，避免因為一些外在因素導(dǎo)致信號不能正常傳輸，造成儀表信號失效。現(xiàn)場儀表接線采用“分支電纜—接線箱—多芯電纜”模式時，冗余配置的現(xiàn)場儀表的電纜傳輸時應(yīng)分別布置在不同的接線箱。

2.5系統(tǒng)維護(hù)管理

從故障的原因分析中可知，系統(tǒng)的故障率隨著時間的推移而不斷上升，合理有效地對組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行維護(hù)是必要的，需制訂詳細(xì)的維護(hù)管理規(guī)程，建立安全儀表設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫，及時對系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行升級。在裝置停車檢修期間，對各種開關(guān)、變送器、一次儀表進(jìn)行校驗并做好記錄；執(zhí)行機(jī)構(gòu)要注油潤滑，電磁閥需更新；還要對儀表線路進(jìn)行檢查和調(diào)校等。

3結(jié)束語

該丁二烯抽提裝置于2012年年底實現(xiàn)工程中交，并于2013年6月順利開車。其安全儀表系統(tǒng)隨裝置一并投運，目前運行正常，為裝置安全生產(chǎn)提供了有力的保障。

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打造中國高端閥門城

陽春三月，剛踏入鞍山高端閥門產(chǎn)業(yè)園的施工現(xiàn)場，就被眼前的景象吸引了。閥門產(chǎn)業(yè)園中人頭攢動，挖掘機(jī)轟隆作響，一派熱火朝天，生機(jī)勃勃的景象。

該產(chǎn)業(yè)園座落于鞍山城區(qū)西部，鞍山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)境內(nèi)，位于遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶和沈陽經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要連接帶，毗鄰桃仙機(jī)場、營口港和大連港，沈大高速、哈大高鐵橫貫?zāi)媳?。鞍山機(jī)場、奧體中心、職教城均座落在園區(qū)境內(nèi)。產(chǎn)業(yè)園總規(guī)劃面積15.61km2，起步區(qū)面積4km2，按照“高端化、成套化、國際化、總部化”的發(fā)展定位，分為閥門制造區(qū)、產(chǎn)業(yè)配套區(qū)和公共服務(wù)區(qū)三大區(qū)域，采用全產(chǎn)業(yè)鏈招商新模式，全力打造中國最大的高端閥門產(chǎn)業(yè)集群。

該產(chǎn)業(yè)園在發(fā)展閥門產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上，成立了高端閥門研發(fā)中心、遼寧省泵閥檢測中心和電子商務(wù)中心。通過工業(yè)化、信息化深度融合，增強技術(shù)支撐與突破引領(lǐng)，構(gòu)筑富有競爭力、充滿活力和效率的產(chǎn)業(yè)體系，為該產(chǎn)業(yè)園早日建成中國最大的高端閥門產(chǎn)業(yè)基地提供可持續(xù)發(fā)展的不竭動力。

遼寧省閥門研發(fā)中心為該產(chǎn)業(yè)園與鞍山市科技局聯(lián)合成立的研發(fā)機(jī)構(gòu)。研發(fā)中心與國內(nèi)知名院校合作，并成立院士工作站、協(xié)同創(chuàng)新平臺，與大連理工大學(xué)聯(lián)合建立3D數(shù)字化研發(fā)中心、以強大的自主研發(fā)實力為支撐，為高端閥門的發(fā)展提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

遼寧省閥門檢測中心，占地面積10000m2，一期已投入使用?，F(xiàn)有閥門壓力性能試驗、靜壓壽命試驗、流量流阻試驗(≤DN500)、低溫耐火、高溫高壓、材料理化分析等檢測項目。檢測中心已獲得省級資質(zhì)，預(yù)計18個月后將獲得國家級檢測中心資質(zhì)，屆時將成為東北三省、內(nèi)蒙古、北京、天津和河北地區(qū)唯一的國家級泵閥檢測中心。

鞍山高端閥門商務(wù)中心，占地面積18000m2，建筑面積38000m2。引入注冊資本3000萬元的鞍山全球閥門網(wǎng)有限公司，作為招商引資的官方網(wǎng)站，訪問量每天達(dá)1萬人次；利用開發(fā)區(qū)精特鋼電子商務(wù)平臺中的大數(shù)據(jù)，獲取海關(guān)閥門進(jìn)出口數(shù)據(jù)，利用信息化帶動園區(qū)企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，做好產(chǎn)業(yè)化布局。未來，商務(wù)中心將建設(shè)成為集展示、交易、研發(fā)、倉儲、金融擔(dān)保、電子商務(wù)六位一體的閥門商務(wù)中心，容納總部經(jīng)濟(jì)企業(yè)200戶，電子商務(wù)企業(yè)500戶。(鞍山市高端閥門產(chǎn)業(yè)招商服務(wù)中心)

Application of SIS in Butadiene Extraction Installation

Meng Ran

(Beijing Yanshan Yulong Petrochemical Engineering Co.Ltd., Beijing,102500,China)

Abstract：Aiming at the safety of production for butadiene extraction installation, the reasons for causing breakdown of SIS (safety instrumented system) are discussed in detail from both theoretical and practical aspects. Detailed countermeasures and means on how to improve reliability of SIS are discussed with combination of model selection and configuration of detection element, executive dement, logistic controller, installation and construction of SIS, and post-maintenance management.

Key words：butadiene; extraction installation; safety instrumented system; reliability； breakdown

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0034-04

作者簡介：孟然(1982—)，女，遼寧凌源人，2005年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于北京燕山玉龍石化工程有限公司，從事自控設(shè)計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-11-28，修改稿收到日期： 2015-01-19。