石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與可靠性

初長(zhǎng)東(山東實(shí)華安全技術(shù)有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

自動(dòng)化控制技術(shù)的有效推廣，改變了傳統(tǒng)石油化工的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)模式，特別是自動(dòng)化控制技術(shù)可宏觀分析出石油化工的生產(chǎn)情況，以便管理人員進(jìn)行后續(xù)的管理及控制工作。在此過程中，技術(shù)人員應(yīng)注意石油化工安全儀表的應(yīng)用措施，總結(jié)提高裝備安全運(yùn)行的方法措施，再給予必要的干預(yù)，能夠提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。為提高裝置設(shè)計(jì)的可行性，技術(shù)人員應(yīng)明確與儀表安全性能相關(guān)的管理要素，再分析出儀表運(yùn)行可靠性要求，可為鞏固裝置安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1.1 確保儀表系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性

在石油化工產(chǎn)業(yè)的實(shí)際控制過程中，需要使用大量安全儀表，以分析裝置的運(yùn)行功能及運(yùn)行狀態(tài)，故儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)前應(yīng)確保裝置的功能性，尤其是應(yīng)當(dāng)結(jié)合相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)的分析儀表系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定地運(yùn)行狀態(tài)，以此評(píng)價(jià)出裝置是否處于安全、穩(wěn)定地運(yùn)行狀態(tài)下工作。為鞏固裝置的運(yùn)行質(zhì)量，需要技術(shù)人員結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)探討控制系統(tǒng)、應(yīng)用裝置、編程模式中儀表功能狀態(tài)，可提高儀表裝置的基礎(chǔ)功能[1]。若元件設(shè)計(jì)、運(yùn)行邏輯存在控制問題時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致儀表運(yùn)行故障，所以技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)評(píng)價(jià)出裝置的運(yùn)行狀態(tài)及信號(hào)指標(biāo)，分析出生產(chǎn)要求及裝置停止運(yùn)行的功能要求，可預(yù)防儀表系統(tǒng)安全隱患的發(fā)生概率。

1.2 鞏固儀表系統(tǒng)的功能性

為提升儀表系統(tǒng)的運(yùn)行的功能性指標(biāo)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)不同元器件的安全警報(bào)指標(biāo)、正常運(yùn)行指標(biāo)的參數(shù)值進(jìn)行分析，確保儀表內(nèi)的參數(shù)值始終在額定范圍內(nèi)，有利于讓各類機(jī)械裝置趨于安全化運(yùn)行。另外，儀表功能設(shè)定中，技術(shù)人員也應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、勘察的基礎(chǔ)上分析儀表的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行功能要求，同時(shí)在保證儀表功能穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上設(shè)定控制思路，可讓儀表系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)更適符合控制需求，可讓整體表盤系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

1.3 強(qiáng)化對(duì)儀表的升級(jí)和維護(hù)

做好電子表盤的日常維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)工作，特別是應(yīng)當(dāng)結(jié)合日常維護(hù)技術(shù)對(duì)儀表的運(yùn)行、安裝要求進(jìn)行測(cè)試，再給予儀表必要的拓展和評(píng)價(jià)工作，能為儀表的后期維護(hù)提供方便。因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)設(shè)定定期監(jiān)控、檢測(cè)的計(jì)劃，在相關(guān)控制目標(biāo)、告警要求的限定中監(jiān)控儀表的運(yùn)行邏輯，有利于讓裝置始終在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)中，也能及時(shí)監(jiān)控出裝置的減削、老化及故障情況。待完成儀表內(nèi)部系統(tǒng)的更新后，可確保石油化工安全儀器的基礎(chǔ)功能[2]。

1.4 避免儀表系統(tǒng)不被損壞

石油化工生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，大多原材料為易燃、易爆的氣體或液體，技術(shù)人員應(yīng)避免儀表系統(tǒng)的功能性，尤其是做好空間內(nèi)裝置的溫度、壓力的測(cè)試，再評(píng)價(jià)出各個(gè)工藝的生產(chǎn)狀態(tài)。因此，利用自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)評(píng)價(jià)石油化工儀表偏轉(zhuǎn)及度數(shù)，可監(jiān)控出生產(chǎn)期間的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)[3]。同時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)監(jiān)控出儀表的使用需求，對(duì)儀表運(yùn)行模式進(jìn)行策劃，監(jiān)控出表盤的運(yùn)行狀態(tài)，鞏固整體控制系統(tǒng)的功能性及安全性，能夠防治儀表不被損壞。

2 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 傳感器冗余的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為提高關(guān)鍵運(yùn)行裝置的可靠性需求，應(yīng)當(dāng)在關(guān)鍵部位配置冗余傳感器裝置，可提高各機(jī)組內(nèi)傳感器的運(yùn)行功能。從綜合的角度來講，冗余配置前應(yīng)分析傳感器的失效情況是否達(dá)到安全儀表功能(SIL)的控制標(biāo)準(zhǔn)，若達(dá)到壓力控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可不用進(jìn)行冗余配置。當(dāng)機(jī)組內(nèi)所使用的傳感器無法維系SIL的控制目標(biāo)時(shí)，可配置1臺(tái)冗余機(jī)組進(jìn)行協(xié)調(diào)。值得注意的是，冗余處理前應(yīng)調(diào)研裝置的安全性功能，根據(jù)聯(lián)鎖動(dòng)作狀態(tài)設(shè)定控制邏

輯，有利于鞏固冗余傳感器就運(yùn)行狀態(tài)，故技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)利用“三取二邏輯”邏輯模式提高整體設(shè)計(jì)的安全性。

2.2 設(shè)定安全性的控制儀表體系

SIL運(yùn)行系統(tǒng)相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)，運(yùn)行中需使用控制端、傳感器、處理器等裝置評(píng)定裝置的安全運(yùn)行指標(biāo)，所以技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)分析整體裝置的控制邏輯，探討傳感器與執(zhí)行性之間的交互作用，可搭建穩(wěn)定性的運(yùn)行、控制模型。其中，應(yīng)當(dāng)利用自動(dòng)化技術(shù)評(píng)價(jià)各裝置的運(yùn)行狀態(tài)，再結(jié)合自系統(tǒng)的失效指標(biāo)評(píng)價(jià)出失效概率及控制單元等級(jí)，具體應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行控制：第一，SIL3級(jí)(控制)的運(yùn)行系統(tǒng)的失效可能性較小，大多≤0.099%；第二，SIL2級(jí)(傳感)的運(yùn)行傳感系統(tǒng)的失效概率在0.099%～0.99%之間；第三，SIL1級(jí)(執(zhí)行)的失效概率較大，大多失效發(fā)生率≥0.99%(≤9.99%)，原因是執(zhí)行器控制邏輯較為復(fù)雜，故需要監(jiān)控不同等級(jí)控制單元的運(yùn)行情況，以便鞏固儀表系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性?？梢姡瑘?zhí)行系統(tǒng)的整體安全儀表失效的概率較大，一旦過程中執(zhí)行單元出現(xiàn)運(yùn)行問題，其余運(yùn)行單位均會(huì)受到一定影響。因此，技術(shù)人員不僅應(yīng)當(dāng)分析控制器的運(yùn)行狀態(tài)，還能探討整體機(jī)械元件、儀表裝置的執(zhí)行單位，可避免設(shè)計(jì)不合理的不利影響。其中，可結(jié)合安全儀表控制邏輯的要求進(jìn)行監(jiān)控[4]。

通過做好儀表控制、執(zhí)行邏輯的分層需求，再使用自動(dòng)化系統(tǒng)評(píng)價(jià)流量、報(bào)警、液壓、溫度等監(jiān)控裝置的數(shù)值指標(biāo)，待評(píng)定好各類控制元件的運(yùn)行指標(biāo)后，技術(shù)人員分析出控制系統(tǒng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合執(zhí)行器功能、儀表的運(yùn)行結(jié)需求進(jìn)行調(diào)研，可避免運(yùn)行系統(tǒng)功能指標(biāo)方面的問題。通過運(yùn)用“大數(shù)據(jù)”控制、存儲(chǔ)、抄送控制數(shù)據(jù)，在強(qiáng)化執(zhí)行器控制等級(jí)的過程中降低整體運(yùn)行模型失效的概率，再結(jié)合客觀、全面的角度提高控制精準(zhǔn)度，盡量將執(zhí)行單元的失效概率控制在SIL3等級(jí)，也能逐步鞏固裝置的安全等級(jí)指標(biāo)。

2.3 融入配置的管理設(shè)計(jì)

對(duì)儀表運(yùn)行可靠性功能設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)將主體控制模型限定在同一指標(biāo)內(nèi)，即將數(shù)據(jù)傳感、終端執(zhí)行、控制邏輯標(biāo)準(zhǔn)限定在SIL3等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，故需確保各支路元器件的SIL指標(biāo)也為SIL3等級(jí)，具體應(yīng)結(jié)合以下要求進(jìn)行：第一，傳感器功能優(yōu)化中，可強(qiáng)化冗余控制模型，例如可使用“二取一”的控制邏輯評(píng)價(jià)整體裝置的控制等級(jí)。在此過程中，技術(shù)人員應(yīng)分析系統(tǒng)的電磁感應(yīng)指標(biāo)，探討電磁閥和位移傳感器安全等級(jí)，再對(duì)執(zhí)行裝置的安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，確保整體運(yùn)行裝置的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)始終在安全控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。第二，系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)元器件的數(shù)量及傳感器數(shù)量做出一定調(diào)整，例如在“二取二”冗余控制執(zhí)行設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)確保所使用的兩組傳感器裝置的運(yùn)行要求均能達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。通過監(jiān)控出不同控制、傳感表盤的運(yùn)行狀態(tài)，再給予協(xié)調(diào)與控制，可避免兩組傳感器同時(shí)失控的現(xiàn)象發(fā)生。值得注意的是，該方法的缺點(diǎn)是過程中可能會(huì)出現(xiàn)“二取失效”現(xiàn)象，故此時(shí)SIL的等級(jí)質(zhì)量無法提高。第三，從執(zhí)行器運(yùn)行的可靠性的角度來講，不同性能的傳感裝置、冗余裝置的限定條件也會(huì)存在一定差異，所以應(yīng)當(dāng)注意確保所使用傳感器在“聯(lián)鎖切斷”的條件下運(yùn)行。通過串聯(lián)子控制端程的形式，并將多組執(zhí)行器的功能進(jìn)行協(xié)調(diào)，可提高裝置內(nèi)部的穩(wěn)定性參數(shù)。但是，若裝置并未進(jìn)行聯(lián)鎖控制性，僅將兩組傳感器串聯(lián)相連，可能會(huì)限制執(zhí)行SIL的效率[5]?？傊夹g(shù)人員應(yīng)結(jié)合SIS控制系統(tǒng)及控制模塊的運(yùn)行流程進(jìn)行監(jiān)控，分析輸出回路所得到的元件功能指標(biāo)，再結(jié)合冗余配置需求確立出看輸入及輸出要求，能夠提高看控制單元的運(yùn)行質(zhì)量，具體可結(jié)合SIS控制體系的模型進(jìn)行監(jiān)控，需要總結(jié)出感測(cè)器、最終元件的系統(tǒng)運(yùn)行方式。

2.4 落實(shí)設(shè)計(jì)及可靠性的管理措施

技術(shù)人員應(yīng)對(duì)所使用的表盤裝置、控制系統(tǒng)模型展開監(jiān)控，再結(jié)合石油化工安全儀表的功能特點(diǎn)展開統(tǒng)計(jì)測(cè)試，能消除操作過程中的風(fēng)險(xiǎn)問題。因此，技術(shù)人員應(yīng)采用風(fēng)險(xiǎn)控制的思想就對(duì)儀表的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行監(jiān)控，再利用信息化技術(shù)監(jiān)控出SIF的估算模型，可消除冗余容錯(cuò)現(xiàn)象的發(fā)生概率。另外，冗余執(zhí)行分析中，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合控制指標(biāo)、運(yùn)行圖紙進(jìn)行施工作業(yè)，可避免聯(lián)鎖控制中回路運(yùn)行不穩(wěn)定、設(shè)計(jì)不科學(xué)、違規(guī)操作現(xiàn)象的不利影響，以期消除裝置運(yùn)行安全性的問題。通過落實(shí)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)模型，再對(duì)儀表控制原理進(jìn)行監(jiān)控分析，可鞏固整體控制裝置的運(yùn)行效率。

3 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性的優(yōu)化措施

安全儀表使用設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員應(yīng)探討運(yùn)行裝置及控制邏輯，結(jié)合項(xiàng)目的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及影響需求確立響應(yīng)目標(biāo)。其中，為提升儀表控制系統(tǒng)的功能性，需要技術(shù)人員評(píng)估出定量的控制概率指標(biāo)，再結(jié)合儀表運(yùn)行的概況評(píng)估事故的影響。因此，技術(shù)人員應(yīng)分析出可能會(huì)影響儀表系統(tǒng)穩(wěn)定性的步驟指標(biāo)，再利用可控的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)得到裝置的正常運(yùn)行方法。另外，在長(zhǎng)期控制影響下，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)儀表系統(tǒng)的運(yùn)算邏輯進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估運(yùn)算系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，再分析控制單元和執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)調(diào)控狀態(tài)。通過匹配裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及匹配方式，再結(jié)合關(guān)聯(lián)性邏輯計(jì)算方式分析裝置運(yùn)行及控制方面的匹配需求，有利于提高整體控制單位的運(yùn)行質(zhì)量。所以，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)監(jiān)控、分析裝置的SIL進(jìn)安全等級(jí)指標(biāo)，再對(duì)現(xiàn)有表盤運(yùn)行方式、運(yùn)行邏輯進(jìn)行實(shí)踐監(jiān)控，確保整體控制儀表可在持續(xù)運(yùn)行、持續(xù)保護(hù)的作用下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。

4 結(jié)語

綜上所述，石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合信息化技術(shù)監(jiān)控裝置的運(yùn)行邏輯、執(zhí)行及傳感需求，在宏觀設(shè)計(jì)監(jiān)控中分析數(shù)項(xiàng)目實(shí)施要點(diǎn)，再使用關(guān)聯(lián)性的控制指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，以期消除安全儀表系統(tǒng)使用方面的問題，提高石油化工安全儀表的可靠性。