黃正

摘 ?要：本文嘗試在加氫裝置傳統(tǒng)液位計(jì)選型方案的基礎(chǔ)上，從避免共模故障發(fā)生的角度，提出改進(jìn)措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高裝置的安全性。

關(guān)鍵詞：共模故障;加氫裝置;安全性;可靠性;優(yōu)化

如圖I所示的常規(guī)加氫裝置，原料油經(jīng)催化劑的作用，在反應(yīng)器中不斷進(jìn)行放熱反應(yīng)。由于反應(yīng)在高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生，且介質(zhì)易燃易爆，因此在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行充分的安全性分析以滿足裝置的安全完整性等級(jí)要求。

在加氫裝置中，與液位相關(guān)的安全聯(lián)鎖，對(duì)整個(gè)裝置的安全性而言極其重要。如進(jìn)料緩沖罐液位低低停加熱爐、停進(jìn)料聯(lián)鎖;冷/熱高分罐液位低低切斷出口閥聯(lián)鎖;壓縮機(jī)入口分液罐液位高高停機(jī)聯(lián)鎖等。

1. 加氫裝置傳統(tǒng)常用的液位計(jì)選型

對(duì)于用作聯(lián)鎖的遠(yuǎn)傳液位計(jì)的設(shè)計(jì)選型，傳統(tǒng)常用的做法是選用三臺(tái)相同的液位計(jì)，如雙法蘭液位計(jì)或浮筒液位開關(guān)，通過SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2oo3聯(lián)鎖。

以熱高分罐液位低低切斷出口閥聯(lián)鎖為例，圖II為選用三臺(tái)雙法蘭液位計(jì)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的安裝示意圖。圖III為2oo3低低切斷出口閥聯(lián)鎖邏輯示意圖。選用雙法蘭液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)，通常在設(shè)備上開兩組取源口，每組取源口通過取源管引出后，用三通分出兩對(duì)取源嘴，安裝三臺(tái)雙法蘭液位計(jì)以及一臺(tái)用于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的磁浮子液位計(jì)。圖VI為選用浮筒液位開關(guān)安裝示意圖。選用浮筒液位開關(guān)時(shí)，在設(shè)備上于連鎖報(bào)警點(diǎn)附近開一組取源口，通過取源管引出后安裝三臺(tái)浮筒液位開關(guān)。

傳統(tǒng)的液位計(jì)設(shè)置及選型方式，充分兼顧了高安全性和高可用性，在多套加氫裝置中成功應(yīng)用，歷經(jīng)多年時(shí)間檢驗(yàn)，早已被奉為行業(yè)圭臬。同時(shí)隨著全社會(huì)對(duì)包括石油化工在內(nèi)的所有高危行業(yè)的安全問題日益關(guān)注，以及整個(gè)石化行業(yè)對(duì)安全儀表系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的加深。特別是2013年9月，由住建部和質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布的《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50770-2013）正式實(shí)施，成為石油化工儀表安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面而科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。本著加強(qiáng)設(shè)計(jì)安全意識(shí)，踐行正確安全理念的態(tài)度，本文嘗試在加氫裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施，使之優(yōu)化以后更加安全。

2. 加氫裝置液位計(jì)選型的優(yōu)化方案：

我們注意到，在加氫裝置液位計(jì)選型傳統(tǒng)方案中，用于聯(lián)鎖報(bào)警的儀表是三臺(tái)完全相同的液位計(jì)，且無論選用雙法蘭液位計(jì)或浮筒液位開關(guān)，都存在共用取源口的情況。此外還有一個(gè)容易被人忽視的細(xì)節(jié)，液位信號(hào)進(jìn)SIS系統(tǒng)時(shí)，出于便于安裝和維護(hù)的考慮，往往將聯(lián)鎖的液位信號(hào)接入同一塊冗余AI模塊相鄰的通道上。上述狀況均可能導(dǎo)致共模故障的發(fā)生。

2.1 參數(shù)共模故障因子β及其與平均失效概率PFDavg之間的關(guān)系

所謂共模故障，即多個(gè)元件、模塊、單元或系統(tǒng)，因?yàn)橥瑯拥脑虬l(fā)生的故障，它是一種相依故障事件，由空間、環(huán)境、設(shè)計(jì)以及人為因素造成的失誤等原因，使得故障事件不再被人為是獨(dú)立的事件。由于組成系統(tǒng)的各個(gè)部件之間存在相互作用，故在它們中間。發(fā)生的部件故障不再認(rèn)為是相互獨(dú)立的。對(duì)高可靠性的系統(tǒng)尤其是安全方面的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，針對(duì)共模故障的分析十分重要。

共模故障會(huì)降低系統(tǒng)安全性，提高系統(tǒng)的平均失效概率PFDavg（Probability of Failure on Demand Average）。共模故障對(duì)PFDavg的影響，可通過馬爾可夫模型（Markov Model）[1]，使用灰關(guān)聯(lián)分析法 [2]，找到參數(shù)共模故障因子（亦稱共因失效因子）β與PFDavg之間對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系PFDavg（β）。相關(guān)推導(dǎo)過程過于復(fù)雜，本文不詳細(xì)敘述，而將直接引用相關(guān)文獻(xiàn)[3] [4]得出的結(jié)論。下表I為不同β取值對(duì)應(yīng)的PFDavg的計(jì)算結(jié)果。

下圖V為β值對(duì)應(yīng)PFDavg的擬合曲線

根據(jù)以上擬合曲線可以看到，PFDavg隨著共模故障因子β的增大而增大，且二者近似線性關(guān)系。因此若要提高系統(tǒng)可靠性，降低平均失效概率PFDavg，應(yīng)降低共模故障因子β值。常用的方法有一下幾種。

2.2 降低共模故障因子β值的常用方法

2.2.1 液位測(cè)量取源口的物理分離

具體在加氫裝置與聯(lián)鎖相關(guān)的液位計(jì)的設(shè)計(jì)過程中，考慮為每臺(tái)液位計(jì)在設(shè)備上獨(dú)立開設(shè)一對(duì)取壓口。確保取源口在相互隔離的位置上相互獨(dú)立取源，避免因共用取源口帶來的共模故障。

2.2.2 液位計(jì)的差異化選型

為避免相同的液位計(jì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的共模誤差，設(shè)計(jì)選型時(shí)，考慮選用不同測(cè)量原理的液位計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)液位安全報(bào)警聯(lián)鎖。筆者在甘肅宏匯能源化工有限公司1000萬噸煤炭分質(zhì)利用項(xiàng)目一期工程50萬噸/年煤焦油精制裝置的設(shè)計(jì)中，便選用了雙法蘭液位計(jì)、浮筒式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)等多種不同形式的液位計(jì)。

雙法蘭液位計(jì)的測(cè)量原理，是通過測(cè)量正負(fù)端的膜片受壓后產(chǎn)生微小形變，形變位移通過毛細(xì)管內(nèi)填充液傳遞至差壓變送器，由變送器將差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的液位信號(hào)遠(yuǎn)傳輸出。

浮筒式液位計(jì)的測(cè)量原理是阿基米德原理，根據(jù)液體對(duì)沉浸在液體中的浮筒的浮力隨液位高度變化而變化來測(cè)量液位。

磁致伸縮液位計(jì)的測(cè)量原理是浮力原理和磁性耦合作用，利用波導(dǎo)管內(nèi)的電脈沖與浮子內(nèi)的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變脈沖（又叫波導(dǎo)扭曲），通過精確測(cè)量詢問脈沖和返回脈沖之間的時(shí)間間隔，獲得高精度高重復(fù)性的液位值。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理，是通過處理雷達(dá)波從探頭發(fā)射到介質(zhì)表面然后返回到探頭的時(shí)間來測(cè)量液位。

考慮到磁致伸縮液位計(jì)，不僅可以輸出高精度高重復(fù)性的液位值，而且還可以很方便地在現(xiàn)場(chǎng)就地觀測(cè)液位，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)傳和現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)的合二為一。因此建議在加氫裝置液位計(jì)的選型中，對(duì)于需要三取二液位報(bào)警聯(lián)鎖的設(shè)備，至少選用一臺(tái)磁致伸縮液位計(jì)，這樣便不用再設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)。既能節(jié)省工程投資，又可節(jié)約安裝空間，降低施工難度。除此之外，另外兩臺(tái)液位計(jì)，可結(jié)合測(cè)量范圍長(zhǎng)度、介質(zhì)特性、工藝條件等綜合考慮，選用其它兩種測(cè)量原理相異的液位計(jì)。

2.2.3 液位信號(hào)進(jìn)SIS系統(tǒng)的優(yōu)化

根據(jù)R.A.Humphreys提出的評(píng)估系統(tǒng)β因子的方法[5]，如下表II所示，最終評(píng)估得到的β因子的值為所有添加的β因子之和。從表二可以看出，為降低共模故障因子β的值，液位信號(hào)進(jìn)SIS后，應(yīng)盡量進(jìn)不同的機(jī)柜內(nèi)的冗余通道。但考慮到裝置規(guī)模、投資成本等因素，SIS系統(tǒng)的AI模塊很可能集中安裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，在這種情況下，應(yīng)盡量將液位信號(hào)接至位于同一機(jī)柜內(nèi)不同機(jī)架上的模塊上不相鄰的通道（而不是為便于安裝和維護(hù)，將聯(lián)鎖的液位信號(hào)接入同一塊冗余AI模塊相鄰的通道上）。

3. 優(yōu)化前后的PFDavg對(duì)比

以簡(jiǎn)單的β模型為例，即假設(shè)液位聯(lián)鎖在硬件和軟件方面各只存在一個(gè)故障。對(duì)于硬件故障，專家估計(jì)的β參數(shù)值[6]通常為0.005～0.110，軟件故障的β參數(shù)值通常為0.005～0.60。假設(shè)硬件β參數(shù)值為0.05，軟件β參數(shù)值為0.1，整體β值為二者之和，即0.15。參照表I，對(duì)應(yīng)PFDavg的值為0.6979‰。

在K-out-of-n系統(tǒng)中，設(shè)各部件可靠度皆相同為R（t），則系統(tǒng)的可靠度為：

其中

具體在液位聯(lián)鎖報(bào)警構(gòu)成的2-out-of-3系統(tǒng)中，其可靠度為：

=

假設(shè)單臺(tái)液位計(jì)所在的儀表回路平均失效概率為1‰，則其可靠度 =0.999。帶入以上公式得： =0.999997。

改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案可視為已排除簡(jiǎn)單的β模型中的β因子，則其平均失效概率PFDavg可視為三取二液位聯(lián)鎖報(bào)警的平均失效概率： ?=0.003‰

而改進(jìn)前的方案中，除三取二液位聯(lián)鎖報(bào)警的平均失效概率，還應(yīng)考慮到共模故障因子β帶來的誤差，故其平均失效概率應(yīng)為二者之和： ?=0.6979‰+0.003‰=0.7009‰。

平均失效概率 之值，改進(jìn)前的是改進(jìn)后的0.7009‰/0.003‰=233.63倍。改進(jìn)后 大幅降低。

結(jié)束語：

對(duì)于加氫裝置中用于安全聯(lián)鎖的液位計(jì)選型，在進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)可靠性分析時(shí)，應(yīng)充分考慮到共模故障可能對(duì)裝置的可靠性造成的影響，從根源上預(yù)防共模故障的產(chǎn)生，盡量降低其影響，提高裝置的安全性。本文列舉出的優(yōu)化方案，對(duì)項(xiàng)目安全性的定性分析及設(shè)計(jì)過程的實(shí)際運(yùn)用均有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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