精細化工自動化儀表選型研究

竇 凱

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300450）

隨著科學技術的不斷進步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)升級，精細化工行業(yè)得到了快速發(fā)展。精細化工是現(xiàn)代化學工業(yè)的重要組成部分，其產(chǎn)品種類多樣、附加值高，在國民經(jīng)濟中占據(jù)十分重要的地位[1]。精細化工生產(chǎn)過程的復雜性與特殊性，對自動化儀表的選型提出了特殊要求。不同于常規(guī)的化學工業(yè)，精細化工對自動化儀表的測量精度、響應速度、穩(wěn)定性及可靠性等都有著更高的要求。同時，精細化工生產(chǎn)環(huán)境復雜，涉及易燃、易爆、腐蝕性介質(zhì)，這對儀表的防爆性能與材料的兼容性提出了特殊要求。

1 精細化工自動化儀表概述

1.1 自動化儀表的分類

自動化儀表是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動檢測、控制與優(yōu)化的重要設備。按照測量對象和功能，自動化儀表可以分為多種類型。

根據(jù)測量對象可以將自動化儀表分為物理量測量儀表和分析儀表。其中，物理量測量儀表包括溫度儀表（熱電偶、熱電阻等）、壓力儀表（差壓變送器、壓力變送器等）、流量儀表（差壓流量計、電磁流量計、質(zhì)量流量計等）、液位儀表（浮球液位計、靜壓液位計、雷達液位計等）；分析儀表包括pH 計、電導率儀、在線色譜儀、近紅外分析儀等[2]。

根據(jù)功能可以將自動化儀表分為測量儀表、執(zhí)行機構(gòu)和控制器。其中，測量儀表包括溫度變送器、壓力變送器、流量計等，執(zhí)行機構(gòu)包括調(diào)節(jié)閥、變頻器等，控制器包括比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）等。

隨著計算機技術和網(wǎng)絡通信的發(fā)展，現(xiàn)代自動化儀表逐步實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化，基于現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)等通信方式的集散控制系統(tǒng)得到推廣應用，極大地提升了自動化儀表的集成度與控制性能。

1.2 精細化工對自動化儀表的需求特性

精細化工生產(chǎn)過程具有工藝復雜、產(chǎn)品附加值高、質(zhì)量要求嚴格等特點，對自動化儀表提出了特殊需求。首先，精細化工生產(chǎn)涉及大量物理化學反應，溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的測量與控制直接影響產(chǎn)品質(zhì)量與收率。據(jù)統(tǒng)計，在精細化工生產(chǎn)中，關鍵工藝參數(shù)測量誤差每降低1%，產(chǎn)品收率可提升0.5%～1.5%[3]。因此，精細化工生產(chǎn)對自動化儀表的測量精度和重復性有著極高的要求，一般要求測量誤差小于1.0%，重復性誤差小于0.5%。其次，精細化工生產(chǎn)過程動態(tài)特性復雜，工藝參數(shù)變化快，對自動化儀表的響應速度提出了更高要求。再次，精細化工中存在大量易燃、易爆、腐蝕性介質(zhì)，自動化儀表必須具備可靠的防爆、耐腐蝕性能。最后，精細化工生產(chǎn)環(huán)境復雜，溫度、濕度變化大，對自動化儀表的環(huán)境適應性提出了嚴苛要求。

2 精細化工自動化儀表的選型原則

精細化工自動化儀表選型是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮工藝需求、技術性能、經(jīng)濟成本等多方面因素，遵循科學合理的選型原則，只有這樣才能確保自動化儀表可靠運行并發(fā)揮最佳性能[4]。首先，自動化儀表選型必須滿足工藝要求，要根據(jù)生產(chǎn)工藝的特點和控制需求，選擇最匹配的儀表類型和規(guī)格。例如，對于精度要求高的關鍵測量點，應優(yōu)先選用高精度、高穩(wěn)定性的儀表，如氣體質(zhì)量流量計的測量不確定度需要達到±0.2%，而對于一般測量點，可以選用精度等級稍低的儀表，在滿足工藝要求的同時兼顧經(jīng)濟性。其次，自動化儀表選型需要全面衡量技術性能指標，如測量范圍、精度等級、響應時間、穩(wěn)定性、安全等級等。再次，自動化儀表的精度等級需與工藝控制精度相匹配，如精細化工過程控制一般要求儀表的精度等級優(yōu)于0.5 級。最后，自動化儀表選型需要考慮經(jīng)濟性因素，綜合評估儀表的購置成本、安裝成本、運維成本，選擇性價比最高的儀表產(chǎn)品。在滿足工藝要求和技術性能的前提下，通過對比不同廠家、不同型號儀表的價格和使用壽命，選擇最為經(jīng)濟實用的儀表，以降低自動化儀表的全生命周期成本。此外，儀表選型需要考慮標準化、集成化因素，優(yōu)先選擇符合國際標準和國家標準的儀表產(chǎn)品，提高互換性和互操作性。

3 精細化工自動化儀表的選型策略與方法

3.1 基于工藝特性匹配的自動化儀表選型策略

精細化工自動化儀表選型的首要條件是滿足工藝要求，即要根據(jù)生產(chǎn)工藝的特點和控制需求，選擇性能最佳、參數(shù)最優(yōu)的儀表產(chǎn)品。這就需要深入分析工藝過程，準確提煉工藝參數(shù)與儀表性能的對應關系，制定合理的儀表選型策略[5]。

首先，全面調(diào)研和分析精細化工生產(chǎn)工藝，明確每個工序的原理、流程、物料平衡，以及關鍵工藝參數(shù)的測控需求，并提煉出自動化儀表的技術規(guī)范，包括測量對象、測量范圍、精度等級、響應時間、安全等級等。例如，在硝化反應工序，溫度測量范圍為0～150 ℃，要求測量誤差小于1 ℃，壓強測量范圍為0.1～0.5 MPa，測量誤差小于0.5%FS，且壓力變送器必須滿足隔爆型防爆等級。

其次，根據(jù)工藝特點分類關鍵測控點，有針對性地制定儀表選型方案。通常，對于連續(xù)生產(chǎn)工藝應選用在線式自動化儀表，以實現(xiàn)實時、連續(xù)測量和閉環(huán)控制；對于間歇生產(chǎn)工藝，可以選用便攜式或?qū)嶒炇曳治鰞x表，定期抽樣檢測關鍵工藝參數(shù)。

再次，對于精細化工生產(chǎn)中普遍存在的特殊工況，如高溫高壓、真空、多相流、強腐蝕性介質(zhì)等，需要有針對性地選用專用儀表。例如：對于高溫高壓環(huán)境，壓力變送器可以選用耐高溫型陶瓷壓阻式傳感器，而流量測量宜采用高溫型渦街流量計或質(zhì)量流量計；對于真空環(huán)境，需要選用專門的真空計，如電容膜片式真空計或熱導真空計等。

最后，對精細化工生產(chǎn)中的關鍵質(zhì)量控制點，如反應終點、物料純度等，應優(yōu)先配置先進的在線分析儀表，在工藝過程中實時監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量，及時優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)，從而穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高收率。

3.2 考慮安全性與可靠性的自動化儀表選擇方法

安全性與可靠性是精細化工自動化儀表選型的核心要素，直接關系生產(chǎn)過程的安全和設備的長周期、穩(wěn)定運行。為確保自動化儀表的安全性與可靠性，選型時必須嚴格遵循相關標準規(guī)范，并采用系統(tǒng)的分析方法和科學的評估工具，綜合權(quán)衡各種影響因素，力求做出最優(yōu)決策。

嚴格遵循國家和行業(yè)標準，選用符合安全要求的防爆型、本安型自動化儀表?！侗ㄎｋU環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》（GB 50058—2014）中明確規(guī)定，在爆炸性氣體環(huán)境中，自動化儀表的防爆等級須達到隔爆型或本質(zhì)安全型，并獲得防爆合格證。據(jù)統(tǒng)計，采用符合標準的防爆儀表，可以將爆炸事故風險降低90%以上。

同時，要采用失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）方法，系統(tǒng)識別自動化儀表的潛在失效模式及其原因和后果，制定預防和緩解措施。以pH 計選型為例，F(xiàn)MEA 表明，pH電極的失效模式主要包括電極污染、破損、老化等，失效原因涉及高溫腐蝕、機械應力、緩沖液污染等，失效會導致pH 測量失靈、產(chǎn)品質(zhì)量下降等，因此必須選用耐高溫、抗污染的復合pH 電極，并定期清洗、校準和更換電極，以延長其使用壽命，提升可靠性。此外，開展加速壽命試驗和可靠性測試，能夠了解自動化儀表在惡劣工況下的安全性和可靠性。

3.3 經(jīng)濟性與生命周期評估下的自動化儀表優(yōu)化選型

經(jīng)濟性與生命周期評估下的自動化儀表優(yōu)化選型需要采用全局性、系統(tǒng)性的思維方式，綜合考慮儀表性能、成本、管理等多重因素，實現(xiàn)投入產(chǎn)出最優(yōu)化。這一過程并非是簡單的價格比較，而是涉及儀表全生命周期的成本管控與效益評估。

生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）分析法提供了一個科學的決策框架，能夠量化評估儀表從設計、采購到報廢全過程的總成本，揭示隱性成本對經(jīng)濟性的影響。例如，高端智能流量計雖然購置成本較高，但檢定周期長、維護需求低、使用壽命在10 年以上，從生命周期來看，其經(jīng)濟性反而優(yōu)于價格低廉但因頻繁故障而需要經(jīng)常更換的普通流量計。

儀表經(jīng)濟性評估不能只停留在自身成本層面，而應放眼生產(chǎn)全局，審視其對運營績效的綜合影響?？傮w擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）分析模型為此提供了有力工具，它將儀表性能與能耗、質(zhì)量、產(chǎn)量等生產(chǎn)要素有機聯(lián)系起來，定量評估儀表對企業(yè)經(jīng)濟效益的貢獻度。例如，壓縮空氣是化工企業(yè)的常用工藝介質(zhì)，空壓機系統(tǒng)的年耗電量巨大，而選用高精度、低壓損的壓力變送器和流量計，可以有效降低管網(wǎng)漏損，每年可節(jié)省5%以上的電能，帶來的間接經(jīng)濟效益遠超儀表購置成本。因此，在進行經(jīng)濟性評估時，應構(gòu)建完整的TCO 模型，客觀分析儀表性能與運營成本的關聯(lián)度，辨識關鍵影響因素，選擇綜合經(jīng)濟效益最高的儀表方案。

信息技術的發(fā)展也為自動化儀表全生命周期的精細化管理提供了新思路、新方法。智能運維管理系統(tǒng)集成了狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、預測性維護等功能，通過大數(shù)據(jù)分析和專家經(jīng)驗，持續(xù)優(yōu)化儀表運維策略，最大限度縮短計劃外停機時間，延長使用壽命，進而大幅降低生命周期內(nèi)的運維成本。

3.4 環(huán)境適應性與維護便利性為導向的儀表選型考量

環(huán)境適應性與維護便利性是自動化儀表選型中不可忽視的兩大要素，直接影響儀表的測量穩(wěn)定性、使用壽命和維護成本。精細化工生產(chǎn)環(huán)境通常具有高溫、高壓、腐蝕、振動、電磁干擾等特點，對儀表的環(huán)境適應能力提出了嚴苛要求。如何在惡劣工況下確保儀表可靠運行，同時兼顧維護的便捷性，最大限度減少檢修工作量和停工損失，已成為業(yè)界關注的焦點。要想實現(xiàn)此目標，需要在選型時著眼于產(chǎn)品的長期使用性能，綜合考量其環(huán)境適應性與維護便利性，實現(xiàn)生命周期內(nèi)綜合效益最大化。

在環(huán)境適應性方面，應優(yōu)先采用具有耐高溫、耐腐蝕、抗干擾結(jié)構(gòu)和材料的儀表產(chǎn)品。例如：針對高溫環(huán)境，可以選用耐高溫合金或陶瓷材質(zhì)的熱電偶、熱電阻等溫度傳感器，其長期工作溫度可在600 ℃以上；針對強腐蝕性介質(zhì)，可以選用哈氏合金、鈦合金、鉭合金等耐蝕材質(zhì)的壓力變送器，并配備隔離膜片、填充液等保護措施，有效隔離腐蝕性介質(zhì)對傳感器的侵蝕。同時，應關注儀表的防護等級和電磁兼容性。根據(jù)國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）標準，儀表防護等級分為網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）代碼和NEMA 代碼兩種，數(shù)字越大，防護性能越高。對于多塵、潮濕、有腐蝕性氣體的場合，儀表防護等級應為IP65 及以上。據(jù)統(tǒng)計，將壓力變送器的防護等級從IP65 提高到IP67，其平均無故障時間可提高30%以上。電磁兼容性對于自動化儀表至關重要，特別是在高壓變頻器等強電磁干擾環(huán)境下。選用符合電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）標準的儀表，并采取屏蔽、接地、隔離等綜合防護措施，可以顯著增強抗干擾能力，避免出現(xiàn)誤動作和失控事故。

在維護便利性方面，應選擇采用模塊化、標準化設計的儀表產(chǎn)品，并配備智能診斷和遠程維護功能，最大限度降低檢修的工作量和技能要求。

4 結(jié)語

精細化工自動化儀表的選型是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮工藝需求、技術性能、安全可靠性、經(jīng)濟性、環(huán)境適應性、維護便利性等多方面因素。文章分析了精細化工生產(chǎn)過程對自動化儀表的特殊需求，提出了基本選型理念，并從工藝特性匹配、安全性與可靠性分析、經(jīng)濟性與生命周期評估、環(huán)境適應性與維護便利性考量等角度，探討了精細化工自動化儀表的選型策略與方法。未來，隨著信息技術與自動化技術的深度融合，現(xiàn)代智能儀表和集成自動化系統(tǒng)在精細化工行業(yè)必將得到更加廣泛的應用。智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化將成為精細化工自動化儀表發(fā)展的三大趨勢。