化工重要联锁三取二分散采集设计

魏润华

(天脊煤化工集团股份有限公司,山西长治 047500)

0 概述

化工生产的特点就是高温、高压、易燃、易爆,所以对化工生产过程的控制就显得尤为重要,而控制过程的重中之重莫过于联锁的设计和投用。一套完备合理的联锁系统,既可以保证装置的安全稳定运行,又在一定程度上大大避免了非必要故障停车的机会,使得生产装置在安全、稳定、高负荷运行的基础上,做到利益的最大化。

1 相关概念

重要联锁的概念:在化工生产过程中,联锁是为了保证装置安全运行,通过编程,使工艺参数(联锁条件)和运行设备之间按一定程序、一定条件建立起的既相互联系,而又相互制约的关系,这种关系即为联锁。而有部分联锁参数在超标之后,会带来设备和人员的不可逆及灾难性的后果,这部分联锁参数即为重要联锁参数(如合成氨压缩机的轴振动位移参数)。

三取二:而对于重要运行参数(联锁条件)和重要运行设备而言,参数的正常与否,直接关系到设备能否安全正常运行,这样,就要求对参数的采集的真实性和准确性有着更高的要求。为了满足要求,首先我们对某一个重要参数进行重复采集,一般用三个相对独立的仪表进行采集,当有两个或者两个以上的参数达到联锁值(认为两台相对独立的设备同时出错的概率为零),我们才认为此参数确实达到联锁值,需要对设备进行保护动作,从而实现装置长周期安全稳定运行。

三取二信号分散采集:在现场仪表及传输线路实现相对独立采集的基础上,DCS也要实现相对信号的独立采集和显示,这样,就会将由于参数故障或者采集设备故障而引起的不必要停车几率降到最低。而在参数确实达到联锁状态时,又能保证装置安全及时得停下来。信号的分散单独显示也是为了及时发现参数故障或者采集设备故障,将隐患消除在萌芽状态。

非必要故障停车:化工生产过程中,操作工通过DCS控制系统对工况的实时监视和及时调整是非常有必要的,可以保证装置的稳运高产,而在装置重要联锁信号短时间达到联锁条件时,操作工短时间很难通过操作保证装置的继续运行;而在诸多短时间达到联锁条件的因素之中,有一个关键的因素就是装置本身并未达到需要联锁的状态,只是采集联锁信号的仪表设备出现故障,导致停车,此类停车即可成为非必要故障停车的一种。

将装置的重要联锁信号,通过DCS/SIS系统中三个不同网段的三块不同硬件进行三次分散采集,并在人机界面中进行独立显示,从而达到保证在非必要停车的系统硬件故障时,及早发现故障且保证生产过程的平稳运行。

2 重要联锁三取二分散采集的设计过程

2.1 工艺及设备专业的相关分析(非仪表专业)

组织相关专业对装置进行安全性、可操作性及其他相应的审查和分析,确定相关联锁条件会导致的设备后果,根据设备后果,结合设备经济、高效运行的指标,确定会引起设备故障停车的重要联锁条件,并出具相关说明,确定联锁条件所需要引起的设备联锁动作,确保装置的安全稳定运行。此相关说明将作为仪表设计联锁的最终依据。

2.2 仪表专业的相关分析

(1)总的思路。在拿到设备联锁说明之后,仪表专业要针对联锁说明对相关联锁进行分析。对于重要局部联锁(联锁之后不至于引起停车、减产),一般采取普通联锁方式:联锁信号为单点采集,联锁动作单设备执行。对于引起停车或者减产的重要联锁,则要采取冗余的联锁思路,联锁信号一般采取三取二的联锁方式,联锁动作仪表部分为冗余设备,确保无论是联锁条件还是联锁结果,在任何一个未达到联锁要求而只是故障的情况下,避免引起设备停车,达到确保安全稳定运行的目的。

(2)联锁信号的采集。此部分联锁信号的设计从信号源头开始就一分为三,包括取样点、远传仪表、传输线路、隔离栅、信号采集卡件等,都是一分为三的。特别要说明的是,传输线路部分不要用同一根电缆,信号采集卡根据各系统不同,不要用同一个站点的三块卡件,最好是三个不同站点的三个相对独立的卡件。如图1所示。

图1 系统画面Fig.1 The system picture

现场有三个取样点,如图2所示,依次为PI_COAH_9209/1、PI_COAH_9209/2、PI_COAH_9209/3,分别设置三台变送器仪表,传输线路独立,控制系统 CPU为冗余的控制系统,数据采集站ETM200也是冗余的,将原有设置在3#通讯站同一块采集卡的第2、3点分别设置到4#、5#站点去,这样,就将可能存在的风险分散,避免某一个设备出现问题引起的不必要停车。

图2 示意图Fig.2 Schematic diagram

(3)联锁动作的执行。此部分执行设备仪表部分均需采用冗余的配置,从输出卡件、到输出继电器、信号传输线路、最终执行器等,都是冗余配置。特别要说明的除联锁信号采集部分说明之外,最终执行器部分在设计上要根据设备动作实际需要进行单独考虑。最终执行器部分(以电磁阀为例)如图3所示。

图3 冗余电磁阀Fig.3 Redundant solenoid valves

SV1与SV2为两个冗余的电磁阀,在正常情况下,两个电磁阀带电时,都是2、3通,假设其中无论哪一个电磁阀故障,处于1、2通时,都可以保证气动阀门膜头正常受气,除非两个电磁阀同时断电,或者同时故障(此种情况前文交代几率几乎为零)。

(4)重要联锁设备监测。对于重要联锁而言,定期监测是非常有必要的,除工艺人员的实时监盘以外,仪表人员也应定期对重要联锁设备的运行状态进行监测,确保在联锁设备出现问题时,第一时间可以发现,避免不必要的故障停车。如图4所示。

图4 DCS画面Fig.4 DCS picture

还以PI_COAH_9209为例,工艺人员在日常监盘过程中,如果发现某一个信号不对,及时联系仪表人员,将故障消除可避免非必要故障停车,再者仪表人员也要定期对重要联锁冗余设备进行状态监测,发现故障及时处理,也可以避免非必要故障停车。

3 需要关注的几个问题

(1)为什么重要联锁条件采用三取二,而不采用二取二的联锁方式。这里首先要说一下前提,我们认为,一般情况下,同一个采样点的同一个数据采集的相关软硬件,在同一个时间段,同时发生故障的可能性为零。

这样的话,如果我们采取二缺二的联锁方式,也就是说同一个采样点的两个信号同时达到联锁条件的情况下,设备才会联锁停车,现在假设两个采样点的其中一个由于某种非工艺装置本身原因故障,从而导致其达到联锁条件,一般情况下,为避免装置的非必要停车,我们会将现有故障点的联锁条件旁路掉,然后进行检修、维护或者更换作业,以确保在最短时间内可以投运此联锁,已达到保护装置的目的。那么问题来了,按极端情况考虑,如果在进行检修、维护或者更换作业的过程中,工艺装置本身出现故障,以至于此采样点的另一个监测点实际达到联锁条件,但是由于需要两个同时达到联锁条件才会停车,这样的话,设备是不能及时联锁停下来的,需要认为介入或者打闸停车,如果响应不及时,会将小问题变成大问题,甚至大的事故。所以说条件二取二的联锁方式,存在一定的弊端。

如果我们采用三取二的联锁方式,也就是同一个采样点的三个信号有两个或者两个以上信号达到联锁条件时,设备就会停车。还是假设三个采样点有其中一个由于某种非工艺装置本身原因故障,从而导致其故障,需要迅速维护检修,首先我们要将现有条件进行旁路,然后进行检修、维护或者更换作业,这样的话,还有两个条件处于正常运行之中,一旦工艺装置本身出现故障,此采样点实际达到联锁条件,另外两个正常运行的条件会因为实际达到达到联锁条件而将装置停下来,确保装置的安全。

(2)对于联锁执行部分仪表一般采取二取二的方式运行。联锁执行部分的设计理念和联锁条件部分的设计理念稍微有点不同,联锁条件不能采取二取二的联锁方式是因为一旦有一个信号出现问题之后,装置可能在真正需要此信号联锁停车时,装置无法正常停下来;而联锁执行部分仪表可以采取二取二的方式的原因,一方面是两个执行元件不可能同时出问题,确保装置的安全稳定运行,另一方面,假设有一个装置故障,另一个装置可以维持装置运行的同时,也可以保证装置在需要停车时,及时停车,确保装置的安全。对于损坏的设备,仪表专业可以通过一些安全手段进行更换(这里不再介绍),继续二取二的执行保证。

(3)所有重要联锁仪表部分的供电,均需采用事电与UPS电的冗余配置,尽量采用环形供电方式。

为提高供电可靠性,使用户可以从两个方向获得电源,通常将供电网连接成环形,这种供电方式简称为环形供电。对于仪表控制系统,特别是联锁系统而言,电源正常与否,对系统的稳定安全联运起着至关重要的作用,环形供电的必要性由此可见,示意图如图5所示。

图5 环形供电示意图Fig.5 Schematic diagram of ring power supply

4 结语

安全,是化工装置稳定运行的前提和基础。在安全的前提下,效益的最大化也必将成为企业的头等大事,对于重要设备的重要参数实现三取二冗余设计,可以以较小的投入,既实现安全的要求,换取设备的长周期安全稳定运行,在很大程度上杜绝了设备的非故障停车。