化工裝置儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)思路

李克敏，常小凱

［1.甘肅劉化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，甘肅 永靖 731603；2.蘭州理工大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730050］

0 引 言

一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代化工生產(chǎn)中儀表控制的核心是DCS系統(tǒng)，其最終的控制路徑由調(diào)節(jié)閥、切斷閥等來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于DCS系統(tǒng)的核心地位，DCS系統(tǒng)通常有2套UPS供電，并且這2套UPS由兩個(gè)不同回路的電源供電，以盡可能地避免DCS系統(tǒng)由于電源供電故障引起失電。目前，儀表自動(dòng)化行業(yè)對(duì)于DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、控制優(yōu)化、常見(jiàn)故障處理與日常維護(hù)都有了明確的認(rèn)識(shí)，SIS系統(tǒng)在國(guó)家規(guī)定的一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源或重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝和危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域的應(yīng)用等方面也有很多的闡述，但對(duì)支撐DCS系統(tǒng)或SIS系統(tǒng)正常運(yùn)行的儀表氣源的設(shè)置等方面考慮得并不多。以下就化工企業(yè)控制系統(tǒng)的儀表氣源配置進(jìn)行分析與探討，并提出一些建議供業(yè)內(nèi)交流與參考。

1 儀表氣源在化工生產(chǎn)中的重要性

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與科技的不斷進(jìn)步，化工生產(chǎn)逐步走向大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、節(jié)能化、精細(xì)化，其自動(dòng)化、現(xiàn)代化程度也日益提高，這就離不開(kāi)儀表控制系統(tǒng)的參與。一個(gè)簡(jiǎn)單的儀表控制系統(tǒng)包括被控變量、操縱變量和相應(yīng)的控制規(guī)律，要使被控變量與期望的設(shè)定值保持一致，就需要一種控制手段，把用于調(diào)節(jié)的變量稱(chēng)為操縱變量，通常通過(guò)調(diào)節(jié)閥或變頻泵來(lái)實(shí)現(xiàn)變量的操縱——化工生產(chǎn)過(guò)程中的負(fù)荷變化或操作條件改變時(shí)，通過(guò)檢測(cè)元件和變送器將過(guò)程的被控變量送控制器，經(jīng)控制規(guī)律運(yùn)算后輸出至執(zhí)行器，改變過(guò)程中相應(yīng)的流體流量，使被控變量與設(shè)定值保持一致。簡(jiǎn)言之，檢測(cè)元件和變送器類(lèi)似于人的眼睛，控制器類(lèi)似于人的大腦，執(zhí)行器類(lèi)似于人的手腳。這些自控閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動(dòng)力源分為電動(dòng)和氣動(dòng)兩種，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用220 V交流電源，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用潔凈的壓力穩(wěn)定的壓縮空氣。相較于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推力小、價(jià)格高，適用于防爆要求不太高及缺乏氣源的場(chǎng)合；而氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠穩(wěn)定、輸出力大、安裝維修方便、價(jià)格便宜且防火防爆，因此化工裝置中大量運(yùn)用各種形式的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、切斷閥。氣動(dòng)儀表控制機(jī)構(gòu)精密、微小，對(duì)氣源壓力、質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，故壓力穩(wěn)定、純凈度高的儀表氣源對(duì)于連續(xù)性非常強(qiáng)的化工生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)重要的。

2 常見(jiàn)儀表氣源配置模式及特點(diǎn)

2.1 單機(jī)單路直供模式

最初的儀表氣源系統(tǒng)配置，大多由儀表空壓機(jī)直供管網(wǎng)，由管網(wǎng)承擔(dān)氣源的分配及儲(chǔ)存功能，因此儀表控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行直接由空壓機(jī)（包括配套有空氣分離系統(tǒng)的空壓機(jī)）的運(yùn)行狀態(tài)決定。不過(guò)，目前這種單機(jī)單路直供模式已被配套有儲(chǔ)氣罐的供氣系統(tǒng)所取代。

2.2 單機(jī)+儲(chǔ)氣罐模式

隨著化工裝置的大型化及單機(jī)單路直供模式缺陷的凸顯，為穩(wěn)定儀表氣源供應(yīng)，許多化工企業(yè)增設(shè)了儲(chǔ)氣罐，或在項(xiàng)目建設(shè)之初就選配了為穩(wěn)定儀表氣源壓力而設(shè)置的儲(chǔ)氣罐，如此一來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥、切斷閥的儀表氣源就有兩路：一路儀表氣源由空壓機(jī)出口送入儀表空氣管網(wǎng)；一路儀表氣源由儀表空氣儲(chǔ)罐提供，儀表空氣儲(chǔ)罐的容量一般夠全廠(chǎng)用氣設(shè)備工作15～30 min，在空壓機(jī)出現(xiàn)故障的情況下，可保障全廠(chǎng)化工裝置安全停車(chē)的儀表氣源供給。

對(duì)于現(xiàn)代大型化、多模塊的化工生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，一般不止1套空分裝置和1臺(tái)空壓機(jī)，大多是由多臺(tái)套裝置組成的聯(lián)合生產(chǎn)線(xiàn)，儀表氣源采用單機(jī)+儲(chǔ)氣罐模式供應(yīng)，一旦空壓機(jī)發(fā)生故障而儲(chǔ)氣罐供氣壓力不足時(shí)，就會(huì)造成全廠(chǎng)儀表空氣的停送，易使與該臺(tái)空壓機(jī)或該套空分裝置沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)裝置停車(chē)，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。從理論上來(lái)說(shuō)，單機(jī)+儲(chǔ)氣罐模式的儀表氣源供應(yīng)，實(shí)質(zhì)上是一路（空壓機(jī)）供氣，另一路（儲(chǔ)氣罐）只是事故狀態(tài)下的安全停車(chē)氣源，這對(duì)于有中間儲(chǔ)罐供應(yīng)下一工段物料，或者是間歇式生產(chǎn)的化工裝置來(lái)說(shuō)，其缺點(diǎn)非常明顯：對(duì)連續(xù)性化工生產(chǎn)裝置來(lái)說(shuō)，上一工段停車(chē)會(huì)因?yàn)闆](méi)有物料逼停下一工段乃至上游生產(chǎn)系統(tǒng)；對(duì)不連續(xù)或間歇式化工生產(chǎn)裝置來(lái)說(shuō)，任一工段停車(chē)短期內(nèi)不會(huì)影響其他工段的生產(chǎn)，但若儀表氣源出現(xiàn)故障，則會(huì)引起全廠(chǎng)生產(chǎn)裝置停車(chē)。

3 儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)思路

3.1 儀表氣源三冗余總體設(shè)計(jì)思路

借鑒DCS系統(tǒng)供電模式的配置，針對(duì)大型化、多模塊的化工生產(chǎn)裝置，提出其儀表氣源采用三冗余供氣的思路，即2臺(tái)空壓機(jī)（如果是電拖空壓機(jī)，均為一級(jí)供電負(fù)荷；如果是汽拖空壓機(jī)，2臺(tái)空壓機(jī)不能用同一臺(tái)鍋爐產(chǎn)出的動(dòng)力蒸汽）+儲(chǔ)氣罐均壓供氣模式。正常情況下由1臺(tái)空壓機(jī)為全廠(chǎng)提供儀表氣源，一旦供氣管網(wǎng)壓力低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，冗余供氣管路的切斷閥打開(kāi)，兩路氣源同時(shí)為儀表空氣管網(wǎng)供氣；當(dāng)氣源管網(wǎng)壓力持續(xù)降低達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，可能是兩路供氣空壓機(jī)同時(shí)出現(xiàn)了故障，此時(shí)空氣儲(chǔ)罐出口切斷閥會(huì)打開(kāi)，由空氣儲(chǔ)罐提供事故狀態(tài)下的停車(chē)氣源。

3.1.1 儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)方案一

三路氣源供氣，一路供氣的空壓機(jī)（空壓機(jī)Ⅰ）出口（設(shè)有止逆閥）直通儀表氣源管網(wǎng)；另一路冗余供氣的空壓機(jī)（空壓機(jī)Ⅱ）出口通過(guò)電動(dòng)切斷閥（位于空壓機(jī)Ⅱ出口止逆閥后）與儀表氣源管網(wǎng)相通，正常生產(chǎn)時(shí)空壓機(jī)Ⅱ出口電動(dòng)切斷閥關(guān)閉。值得一提的是，如果是電拖空壓機(jī)，正常供氣的空壓機(jī)（空壓機(jī)Ⅰ）電源與冗余供氣的空壓機(jī)（空壓機(jī)Ⅱ）出口電動(dòng)切斷閥電源不應(yīng)是同一個(gè)回路的電源，否則當(dāng)這一路電源故障時(shí)，空壓機(jī)Ⅰ停機(jī)，空壓機(jī)Ⅱ出口電動(dòng)切斷閥也因電源故障打不開(kāi)；同理，在空氣儲(chǔ)罐出口也加裝電動(dòng)切斷閥，正常生產(chǎn)時(shí)空氣儲(chǔ)罐出口電動(dòng)切斷閥關(guān)閉，整個(gè)儲(chǔ)罐系統(tǒng)處于充壓靜止?fàn)顟B(tài)。儀表空氣管道上加裝的切斷閥采用電動(dòng)而不是氣動(dòng)，主要是避免氣源管路突然大幅泄漏或排放以及空壓機(jī)故障引起管網(wǎng)壓力突降時(shí)出現(xiàn)切斷閥打不開(kāi)的情況。

3.1.2 儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)方案二

上述方案一中，空壓機(jī)Ⅰ是供送儀表空氣的主設(shè)備，空壓機(jī)Ⅱ?qū)儆趥溆脷庠吹墓┧驮O(shè)備，只有當(dāng)空壓機(jī)Ⅰ出現(xiàn)故障時(shí)，空壓機(jī)Ⅱ才會(huì)向儀表空氣管網(wǎng)供氣。為使管網(wǎng)切換更具可操作性，三路氣源供氣設(shè)計(jì)方案二將空壓機(jī)Ⅰ與空壓機(jī)Ⅱ供送儀表氣源設(shè)計(jì)為互為冗余。具體而言就是，空壓機(jī)Ⅰ出口供氣管線(xiàn)止逆閥后增設(shè)1臺(tái)電動(dòng)切斷閥（Ⅰ），即空壓機(jī)Ⅰ出口儀表空氣經(jīng)止逆閥、電動(dòng)切斷閥（Ⅰ）后并入儀表空氣管網(wǎng)，同樣空壓機(jī)Ⅱ出口儀表空氣也經(jīng)止逆閥、電動(dòng)切斷閥（Ⅱ）后并入儀表空氣管網(wǎng)，由于空壓機(jī)Ⅰ和空壓機(jī)Ⅱ出口均安裝有電動(dòng)切斷閥，當(dāng)儀表空氣管網(wǎng)壓力低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)切斷閥Ⅰ、電動(dòng)切斷閥Ⅱ同時(shí)自動(dòng)打開(kāi)，兩路氣源同時(shí)為儀表空氣管網(wǎng)供氣，待氣源管網(wǎng)壓力正常后，由工藝人員選擇手動(dòng)關(guān)閉其中一路的電動(dòng)切斷閥。

3.2 儀表氣源三冗余邏輯控制思路及實(shí)現(xiàn)

一般的聯(lián)鎖回路中大多采用三取中，鑒于儀表氣源壓力低則無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，提出氣源壓力低三取低思路，即在儀表氣源不同位置的最遠(yuǎn)端設(shè)置3個(gè)（或大于3個(gè)）儀表氣源壓力測(cè)量點(diǎn)，當(dāng)其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力值低于某個(gè)值時(shí)，聯(lián)鎖動(dòng)作，冗余供氣的空壓機(jī)出口電動(dòng)切斷閥打開(kāi)，兩路氣源同時(shí)為儀表空氣管網(wǎng)供氣，經(jīng)過(guò)處理當(dāng)儀表空氣管網(wǎng)壓力恢復(fù)正常后，手動(dòng)關(guān)閉其中一路供氣的空壓機(jī)出口電動(dòng)切斷閥。如果某一個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力變送器或測(cè)量元件出現(xiàn)故障致壓力指示虛低，也沒(méi)有關(guān)系，這時(shí)冗余供氣管路的電動(dòng)切斷閥打開(kāi)，會(huì)出現(xiàn)兩路同時(shí)供氣的狀況，如此也不會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)有不良影響；當(dāng)DCS系統(tǒng)出現(xiàn)冗余氣源供氣電動(dòng)切斷閥打開(kāi)和某一點(diǎn)氣源壓力低報(bào)警后，工藝和儀表人員會(huì)同時(shí)檢查氣源管網(wǎng)運(yùn)行情況，排除儀表故障后，恢復(fù)單路正常供氣?？諝鈨?chǔ)罐出口電動(dòng)切斷閥的打開(kāi)與關(guān)閉也是同樣的道理。

儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)方案二之三取低邏輯圖如圖1。

圖1 儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)方案二之三取低邏輯圖

在圖1中，當(dāng)任意一路儀表氣源壓力低于0.65 MPa時(shí)，空壓機(jī)Ⅰ和空壓機(jī)Ⅱ出口電動(dòng)切斷閥自動(dòng)打開(kāi)，由于正常生產(chǎn)中其中一路已經(jīng)是打開(kāi)的，真正打開(kāi)的是備用冗余氣源的電動(dòng)切斷閥，此時(shí)由兩路氣源同時(shí)為儀表空氣管網(wǎng)供氣；如果儀表空氣管網(wǎng)壓力繼續(xù)降低，當(dāng)任意一路儀表氣源壓力低于0.6 MPa時(shí)，空氣儲(chǔ)罐出口電動(dòng)切斷閥會(huì)打開(kāi)，此時(shí)表面上由三路氣源同時(shí)為儀表空氣管網(wǎng)供氣，可實(shí)際上因正常供氣的兩路（空壓機(jī)）氣源已經(jīng)沒(méi)有足夠的壓力將氣源送入儀表空氣管網(wǎng)，儀表空氣管網(wǎng)實(shí)際上主要是由空氣儲(chǔ)罐在供氣，以便安全地使化工裝置停車(chē)或贏(yíng)得故障排除的時(shí)間。這里設(shè)置的0.65 MPa和0.6 MPa只是舉例，可根據(jù)實(shí)際情況具體設(shè)定，也可以是DCS系統(tǒng)里的低報(bào)警值和低低報(bào)警值；設(shè)置手動(dòng)開(kāi)閥／關(guān)閉按鈕，主要是滿(mǎn)足儀表人員對(duì)電動(dòng)切斷閥安裝調(diào)試、回路聯(lián)校的需要。

3.3 儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)方案的效益分析

化工企業(yè)因儀表氣源中斷造成生產(chǎn)裝置停車(chē)的案例比比皆是，對(duì)于大型化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，單元系統(tǒng)停車(chē)造成的損失相對(duì)較小，而全廠(chǎng)停車(chē)事故損失則至少達(dá)幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)元。甘肅劉化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司主產(chǎn)品產(chǎn)能為400 kt／a合成氨、700 kt／a尿素和100 kt／a甲醇，平常運(yùn)行的裝置主要有2套空分裝置、1套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)（3臺(tái)氣化爐，采用天然氣直燒工藝）、3套氨合成系統(tǒng)、3套尿素裝置和1套甲醇裝置。2016年5月，在線(xiàn)運(yùn)行的18 000 m3／h空分裝置之空壓機(jī)故障停車(chē)，儀表空氣氣源中斷，由于生產(chǎn)裝置儀表氣源由18 000 m3／h空分裝置供應(yīng)，7 000 m3／h空分裝置外送儀表空氣未接入儀表氣源主管網(wǎng)，上游供氣中斷后，只有7 000 m3／h空分裝置未受影響正常運(yùn)行，其余生產(chǎn)裝置依靠?jī)?chǔ)氣罐儀表空氣實(shí)現(xiàn)安全停車(chē)，造成經(jīng)濟(jì)損失約110萬(wàn)元。2021年4月，在靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)劉化化工有限公司煤化工項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)審圖會(huì)上，由筆者提出的“儀表空氣三路氣源供氣設(shè)計(jì)方案”得到了與會(huì)專(zhuān)家的一致認(rèn)可，將在靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)劉化化工有限公司煤化工項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)思路，是在現(xiàn)有單機(jī)+儲(chǔ)氣罐供氣模式的基礎(chǔ)上增加一路儀表空氣的供應(yīng)管路，除了增加一些管道外，主要是需增加1臺(tái)或2臺(tái)電動(dòng)切斷閥，在DCS系統(tǒng)中做一些組態(tài)，投資不過(guò)幾萬(wàn)元。在原來(lái)一路正常供氣和一路空氣儲(chǔ)罐事故供氣的基礎(chǔ)上，增加一路冗余的供氣管路，據(jù)運(yùn)行機(jī)制，三路供氣管路相互獨(dú)立。從概率上講，記事件Ai（i=1，2，3）為第i條供氣管路發(fā)生故障，假設(shè)發(fā)生的概率為pi（0≤pi≤1）且獨(dú)立同分布，則停車(chē)事件A可表示為A=A1′A2A3+A1A2′A3+A1A2A3′（式中：Ai′表示事件Ai的對(duì)立事件，發(fā)生的概率為1-pi），那么事件A發(fā)生的概率為p（A）=（1-p1）p2p3+p1（1-p2）p3+p1p2（1-p3）。例如：在兩路供氣氣源（1臺(tái)空壓機(jī)+儲(chǔ)氣罐）的情況下，假設(shè)p1=0.1、p2=0（即第二路氣源——空氣儲(chǔ)罐不會(huì)出現(xiàn)故障），則停車(chē)的概率為0.1；升級(jí)為儀表氣源三冗余供氣（2臺(tái)空壓機(jī)+儲(chǔ)氣罐）后，假設(shè)p1=p2=0.1、p3=0（即第三路氣源——空氣儲(chǔ)罐不會(huì)出現(xiàn)故障），則停車(chē)的概率為0.1×0.1=0.01。簡(jiǎn)言之，多增設(shè)一路氣源，系統(tǒng)停車(chē)的概率降為兩路氣源供氣停車(chē)概率的1／10。假如一個(gè)化工生產(chǎn)企業(yè)由于儀表氣源引起的停車(chē)事故2 a發(fā)生一次，按照儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)思路技改后，因儀表氣源問(wèn)題引起的停車(chē)事故可減少到20 a發(fā)生一次。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論是國(guó)家對(duì)“兩重點(diǎn)一重大”化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施要求配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)，還是化工裝置的事故空氣儲(chǔ)罐，其設(shè)計(jì)目的都是停車(chē)優(yōu)先，以保證人員和設(shè)備及生產(chǎn)裝置的安全。而從連續(xù)生產(chǎn)、確保生產(chǎn)的角度出發(fā)，這里提出的儀表氣源三冗余設(shè)計(jì)思路，在儀表回路的執(zhí)行單元，可大幅降低調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)切斷閥因儀表氣源壓力過(guò)低而同時(shí)動(dòng)作的概率。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確定位與精準(zhǔn)操作，對(duì)于儀表空氣的品質(zhì)也有相當(dāng)高的要求，儀表空氣不能帶水、帶油、含鐵銹及焊渣等雜質(zhì)，只有保證了儀表空氣的壓力和品質(zhì)，才能延長(zhǎng)自調(diào)閥、氣動(dòng)切斷閥的穩(wěn)定運(yùn)行周期，從而達(dá)到長(zhǎng)周期、穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。