銅冶煉企業設備安全等級提升實踐

曹戰飛

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

在生產工藝復雜、危險性高的工業生產領域，安全一直是企業最為關注的話題。為確保企業生產過程的安全，安全儀表系統（Safety instrumented System，簡稱SIS）已越來越多地得到重視，并廣泛應用于石化、天然氣等行業的工業生產中，用于保護人員、設備、環境及財產安全。

然而在冶金行業SIS并沒有廣泛應用，更多使用的是DCS或PLC。SIS與DCS的區別：整體而言，他們都是由控制系統硬件和軟件+現場設備構成，功能不同（SIS用于監視生產裝置的運行狀況，對出現異常工況迅速進行處理，使危害降到最低，使人員和生產裝置處于安全狀態。DCS用于生產過程的連續測量、常規控制（連續、順序、間歇等）、操作控制管理，保證生產裝置的平穩運行）；SIS對軟硬件和現場設備的要求遠高于DCS。一般SIS比DCS的安全完整性等級（Safety Integrity Level），英文縮寫為SIL）更高并且需要安全認證。

2 貴冶關鍵設備運行現狀

貴冶的整個生產過程使用了大量DCS和PLC，同樣沒有使用SIS。許多關鍵設備（比如：制氧工序的空壓機、動力中心的送風機、熔煉工序的排風機、硫酸工序的SO2風機等）是否正常運行直接關系到工廠整個生產過程。

這些關鍵設備的聯鎖保護測點主要有溫度、壓力、振動、位移等。聯鎖方式均為一選一。以硫酸3#SO2風機的溫度及壓力為例，其聯鎖邏輯關系如圖1。3#SO2風機共12個現場溫度檢測元件（單支PT100熱電阻），1個壓力檢測元件（壓力變送器），任意一個溫度測點高高報或者壓力測點低低報均會觸發聯鎖停機信號發出，最終造成3#SO2風機停機。

其它關鍵設備的聯鎖邏輯關系與3#SO2風機基本相同，部分設備現場配置的溫度檢測元件為雙支PT100熱電阻，但其聯鎖方式仍然為一選一方式。

表1 關鍵設備聯鎖停機情況統計表

針對關鍵設備聯鎖停機情況進行統計，統計表如表1。表1中統計的關鍵設備聯鎖停機故障，后經現場確認排查，75%以上為現場檢測元件故障或信號誤動作造成的。

圖1 原3#SO2風機聯鎖邏輯關系圖

3 原因分析

隨著工廠越來越重視高作業率、高安全性的生產管理，目前這些關鍵設備聯鎖系統的SIL等級已經無法滿足需要。因此，提高關鍵設備SIL，保障關鍵設備安全、穩定運行，更好的為工廠的生產服務已經迫在眉睫。

SIL等級共分為4級，SIL4安全級別最高，SIL1安全級別最低［1]。具體劃分參照表2

表2 SIL定義表

隱故障是指該動而拒動，不對危險產生報警，允許危險發展的故障，是危險故障。隱故障概率越高，安全性越差。顯故障是指不該動而誤動，能顯示出故障自身存在的故障，是安全故障。顯故障概率越高，可用性越差［2]。

顯然，之前出現的多數聯鎖停機故障都是由于系統顯故障概率過高，造成了無謂的關鍵設備停機事故。針對這種情況，需要降低系統的顯故障概率，并且不能提高系統的隱故障概率，才能達到既避免無謂停機，且保證關鍵設備安全、穩定運行的目的［3]。

結合現場檢測儀表配置情況，對照表3，再次驗證了目前在用的關鍵設備聯鎖方式等級較低，無法適應工廠高作業率的生產需求，需優化關鍵設備聯鎖方案。

4 解決方案

針對分析出的問題，需要系統地考慮提高工廠關鍵設備運行可靠性，降低設備誤停機概率的方案，主要從優化關鍵設備內、外部聯鎖、冗余配置、重要報警信息推送等方面開展工作。

4.1 關鍵設備本體內部聯鎖方式的優化

4.1.1 聯鎖方式由“一選一”修改為“三選二”［4]以硫酸3#SO2風機為例：通過將原有設備上外裝的檢測元件的數量由1增加為3（并聯冗余），將原來的單支PT100熱電阻更換為3支PT100熱電阻，也就是物理位置上一個溫度測點可引出3個溫度信號；潤滑油壓力由1臺壓力變送器增加至3臺。聯鎖方式升級為“三選二”。僅以活動軸承溫度為例介紹新的“三選二”聯鎖邏輯關系如圖2。圖2中的輸出替換圖1中的第一路輸入，其余溫度、壓力測點采用同樣的方式，最終匯總形成了3#SO2風機高等級聯鎖。大大降低了設備的聯鎖誤動作停機概率，并且提高了設備安全性。

圖2 3#SO2風機活動軸承溫度聯鎖邏輯圖

4.1.2 聯鎖方式由“一選一”修改為“二選二”

以硫酸四系列SO2風機為例：針對原有設備檢測元件為內裝型的情況，通過將原有檢測元件雙支中備用的信號也引入DCS系統，聯鎖方式升級為“二選二”。僅以風機側軸承溫度為例介紹新的“二選二”聯鎖邏輯關系如圖3。

圖3 四系列SO2風機側軸承溫度聯鎖邏輯圖

表3 聯鎖方式及其與安全性、可用性的關系表

圖3中輸出替代了原有的單個溫度點高高報的聯鎖，并沒有簡單的采用兩個溫度測點同時高高報，而是增加了每個溫度測點壞值也要參與聯鎖，這樣以來新的聯鎖方式不僅降低了誤動作停機概率，也彌補了安全性有所下降的不足。

4.2 關鍵設備外部聯鎖方式的優化

以硫酸四系列SO2風機為例：其外部聯鎖之一FICA61442一吸塔入塔酸流量低低報，原有聯鎖為一選一，一旦流量誤報就會聯鎖SO2風機停機，影響生產正常運行。

針對這種情況，采用在一吸塔入塔位置增加一臺單法蘭壓力變送器，將壓力低報作為聯鎖條件，將原有聯鎖方式優化升級為與圖3相同原理的聯鎖方式，提高系統穩定性。其它外部聯鎖均可推廣應用。

圖4 硫酸四系列一吸塔入塔流量及壓力

4.3 關鍵設備升級冗余配置

原有的設備中有部分是采用了冗余配置的，比如：DCS系統的控制器、重要的IO卡件、也有很多關鍵設備是有備用機的，但是也存在一些關鍵設備并沒有備用、冗余的配置。比如：為DCS系統各現場儀表供電的UPS（不間斷電源）雖然配置了雙電源［5]，但是如果在外部供電異常，同時UPS主機或電池故障，同樣會對DCS系統造成嚴重影響，進而影響工廠生產穩定運行。

為此，通過將原有單個UPS主機、電池組的配置全部升級為雙冗余并聯配置，UPS系統結構按照圖5所示配置，可大幅提高UPS系統可靠性，并且方便UPS系統檢修、確保檢修時DCS系統及其它負載的正常運行［6]。

同樣，針對不同的關鍵設備都可采用類似的方案進行優化。如：閥門、泵等執行機構，流量、壓力等控制參數，以提高整個系統的可靠性，保證生產的高效、穩定運行。

圖5 UPS系統冗余配置圖

4.4 設備重要參數報警推送

將設備重要參數報警，例如：重要控制測點報警、風機的振動、電機電流高報，多個參數綜合分析結果等等，利用PI實時數據采集系統的推送功能第一時間通過郵件、短信或微信等方式發送給相應的設備管理人員，確保做好相應的預防性維修工作，進一步保證設備的安全順行。

5 結束語

通過上述措施可顯著提升設備安全等級，為設備安全、穩定運行提供了強有力保證。在今后新增工程項目，應通盤考慮，設計符合工廠生產要求安全等級的設備配置方式及聯鎖方式，對銅冶煉企業設備控制方案、安全等級提升有很好的推廣借鑒意義。