提高加氫裝置液位聯(lián)鎖可靠性的設(shè)計(jì)優(yōu)化

黃正

摘 ?要：本文嘗試在加氫裝置傳統(tǒng)液位計(jì)選型方案的基礎(chǔ)上，從避免共模故障發(fā)生的角度，提出改進(jìn)措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高裝置的安全性。

關(guān)鍵詞：共模故障;加氫裝置;安全性;可靠性;優(yōu)化

如圖I所示的常規(guī)加氫裝置，原料油經(jīng)催化劑的作用，在反應(yīng)器中不斷進(jìn)行放熱反應(yīng)。由于反應(yīng)在高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生，且介質(zhì)易燃易爆，因此在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行充分的安全性分析以滿足裝置的安全完整性等級要求。

在加氫裝置中，與液位相關(guān)的安全聯(lián)鎖，對整個裝置的安全性而言極其重要。如進(jìn)料緩沖罐液位低低停加熱爐、停進(jìn)料聯(lián)鎖;冷/熱高分罐液位低低切斷出口閥聯(lián)鎖;壓縮機(jī)入口分液罐液位高高停機(jī)聯(lián)鎖等。

1. 加氫裝置傳統(tǒng)常用的液位計(jì)選型

對于用作聯(lián)鎖的遠(yuǎn)傳液位計(jì)的設(shè)計(jì)選型，傳統(tǒng)常用的做法是選用三臺相同的液位計(jì)，如雙法蘭液位計(jì)或浮筒液位開關(guān)，通過SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2oo3聯(lián)鎖。

以熱高分罐液位低低切斷出口閥聯(lián)鎖為例，圖II為選用三臺雙法蘭液位計(jì)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的安裝示意圖。圖III為2oo3低低切斷出口閥聯(lián)鎖邏輯示意圖。選用雙法蘭液位計(jì)測量液位時，通常在設(shè)備上開兩組取源口，每組取源口通過取源管引出后，用三通分出兩對取源嘴，安裝三臺雙法蘭液位計(jì)以及一臺用于現(xiàn)場觀測的磁浮子液位計(jì)。圖VI為選用浮筒液位開關(guān)安裝示意圖。選用浮筒液位開關(guān)時，在設(shè)備上于連鎖報(bào)警點(diǎn)附近開一組取源口，通過取源管引出后安裝三臺浮筒液位開關(guān)。

傳統(tǒng)的液位計(jì)設(shè)置及選型方式，充分兼顧了高安全性和高可用性，在多套加氫裝置中成功應(yīng)用，歷經(jīng)多年時間檢驗(yàn)，早已被奉為行業(yè)圭臬。同時隨著全社會對包括石油化工在內(nèi)的所有高危行業(yè)的安全問題日益關(guān)注，以及整個石化行業(yè)對安全儀表系統(tǒng)認(rèn)識的加深。特別是2013年9月，由住建部和質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布的《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50770-2013）正式實(shí)施，成為石油化工儀表安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面而科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。本著加強(qiáng)設(shè)計(jì)安全意識，踐行正確安全理念的態(tài)度，本文嘗試在加氫裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施，使之優(yōu)化以后更加安全。

2. 加氫裝置液位計(jì)選型的優(yōu)化方案：

我們注意到，在加氫裝置液位計(jì)選型傳統(tǒng)方案中，用于聯(lián)鎖報(bào)警的儀表是三臺完全相同的液位計(jì)，且無論選用雙法蘭液位計(jì)或浮筒液位開關(guān)，都存在共用取源口的情況。此外還有一個容易被人忽視的細(xì)節(jié)，液位信號進(jìn)SIS系統(tǒng)時，出于便于安裝和維護(hù)的考慮，往往將聯(lián)鎖的液位信號接入同一塊冗余AI模塊相鄰的通道上。上述狀況均可能導(dǎo)致共模故障的發(fā)生。

2.1 參數(shù)共模故障因子β及其與平均失效概率PFDavg之間的關(guān)系

所謂共模故障，即多個元件、模塊、單元或系統(tǒng)，因?yàn)橥瑯拥脑虬l(fā)生的故障，它是一種相依故障事件，由空間、環(huán)境、設(shè)計(jì)以及人為因素造成的失誤等原因，使得故障事件不再被人為是獨(dú)立的事件。由于組成系統(tǒng)的各個部件之間存在相互作用，故在它們中間。發(fā)生的部件故障不再認(rèn)為是相互獨(dú)立的。對高可靠性的系統(tǒng)尤其是安全方面的系統(tǒng)進(jìn)行評價時，針對共模故障的分析十分重要。

共模故障會降低系統(tǒng)安全性，提高系統(tǒng)的平均失效概率PFDavg（Probability of Failure on Demand Average）。共模故障對PFDavg的影響，可通過馬爾可夫模型（Markov Model）[1]，使用灰關(guān)聯(lián)分析法 [2]，找到參數(shù)共模故障因子（亦稱共因失效因子）β與PFDavg之間對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系PFDavg（β）。相關(guān)推導(dǎo)過程過于復(fù)雜，本文不詳細(xì)敘述，而將直接引用相關(guān)文獻(xiàn)[3] [4]得出的結(jié)論。下表I為不同β取值對應(yīng)的PFDavg的計(jì)算結(jié)果。

下圖V為β值對應(yīng)PFDavg的擬合曲線

根據(jù)以上擬合曲線可以看到，PFDavg隨著共模故障因子β的增大而增大，且二者近似線性關(guān)系。因此若要提高系統(tǒng)可靠性，降低平均失效概率PFDavg，應(yīng)降低共模故障因子β值。常用的方法有一下幾種。

2.2 降低共模故障因子β值的常用方法

2.2.1 液位測量取源口的物理分離

具體在加氫裝置與聯(lián)鎖相關(guān)的液位計(jì)的設(shè)計(jì)過程中，考慮為每臺液位計(jì)在設(shè)備上獨(dú)立開設(shè)一對取壓口。確保取源口在相互隔離的位置上相互獨(dú)立取源，避免因共用取源口帶來的共模故障。

2.2.2 液位計(jì)的差異化選型

為避免相同的液位計(jì)測量時產(chǎn)生的共模誤差，設(shè)計(jì)選型時，考慮選用不同測量原理的液位計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)液位安全報(bào)警聯(lián)鎖。筆者在甘肅宏匯能源化工有限公司1000萬噸煤炭分質(zhì)利用項(xiàng)目一期工程50萬噸/年煤焦油精制裝置的設(shè)計(jì)中，便選用了雙法蘭液位計(jì)、浮筒式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)等多種不同形式的液位計(jì)。

雙法蘭液位計(jì)的測量原理，是通過測量正負(fù)端的膜片受壓后產(chǎn)生微小形變，形變位移通過毛細(xì)管內(nèi)填充液傳遞至差壓變送器，由變送器將差壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的液位信號遠(yuǎn)傳輸出。

浮筒式液位計(jì)的測量原理是阿基米德原理，根據(jù)液體對沉浸在液體中的浮筒的浮力隨液位高度變化而變化來測量液位。

磁致伸縮液位計(jì)的測量原理是浮力原理和磁性耦合作用，利用波導(dǎo)管內(nèi)的電脈沖與浮子內(nèi)的永磁體產(chǎn)生的磁場相交時產(chǎn)生的應(yīng)變脈沖（又叫波導(dǎo)扭曲），通過精確測量詢問脈沖和返回脈沖之間的時間間隔，獲得高精度高重復(fù)性的液位值。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測量原理，是通過處理雷達(dá)波從探頭發(fā)射到介質(zhì)表面然后返回到探頭的時間來測量液位。

考慮到磁致伸縮液位計(jì)，不僅可以輸出高精度高重復(fù)性的液位值，而且還可以很方便地在現(xiàn)場就地觀測液位，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)傳和現(xiàn)場液位計(jì)的合二為一。因此建議在加氫裝置液位計(jì)的選型中，對于需要三取二液位報(bào)警聯(lián)鎖的設(shè)備，至少選用一臺磁致伸縮液位計(jì)，這樣便不用再設(shè)置現(xiàn)場液位計(jì)。既能節(jié)省工程投資，又可節(jié)約安裝空間，降低施工難度。除此之外，另外兩臺液位計(jì)，可結(jié)合測量范圍長度、介質(zhì)特性、工藝條件等綜合考慮，選用其它兩種測量原理相異的液位計(jì)。

2.2.3 液位信號進(jìn)SIS系統(tǒng)的優(yōu)化

根據(jù)R.A.Humphreys提出的評估系統(tǒng)β因子的方法[5]，如下表II所示，最終評估得到的β因子的值為所有添加的β因子之和。從表二可以看出，為降低共模故障因子β的值，液位信號進(jìn)SIS后，應(yīng)盡量進(jìn)不同的機(jī)柜內(nèi)的冗余通道。但考慮到裝置規(guī)模、投資成本等因素，SIS系統(tǒng)的AI模塊很可能集中安裝在一個機(jī)柜內(nèi)，在這種情況下，應(yīng)盡量將液位信號接至位于同一機(jī)柜內(nèi)不同機(jī)架上的模塊上不相鄰的通道（而不是為便于安裝和維護(hù)，將聯(lián)鎖的液位信號接入同一塊冗余AI模塊相鄰的通道上）。

3. 優(yōu)化前后的PFDavg對比

以簡單的β模型為例，即假設(shè)液位聯(lián)鎖在硬件和軟件方面各只存在一個故障。對于硬件故障，專家估計(jì)的β參數(shù)值[6]通常為0.005～0.110，軟件故障的β參數(shù)值通常為0.005～0.60。假設(shè)硬件β參數(shù)值為0.05，軟件β參數(shù)值為0.1，整體β值為二者之和，即0.15。參照表I，對應(yīng)PFDavg的值為0.6979‰。

在K-out-of-n系統(tǒng)中，設(shè)各部件可靠度皆相同為R（t），則系統(tǒng)的可靠度為：

其中

具體在液位聯(lián)鎖報(bào)警構(gòu)成的2-out-of-3系統(tǒng)中，其可靠度為：

=

假設(shè)單臺液位計(jì)所在的儀表回路平均失效概率為1‰，則其可靠度 =0.999。帶入以上公式得： =0.999997。

改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案可視為已排除簡單的β模型中的β因子，則其平均失效概率PFDavg可視為三取二液位聯(lián)鎖報(bào)警的平均失效概率： ?=0.003‰

而改進(jìn)前的方案中，除三取二液位聯(lián)鎖報(bào)警的平均失效概率，還應(yīng)考慮到共模故障因子β帶來的誤差，故其平均失效概率應(yīng)為二者之和： ?=0.6979‰+0.003‰=0.7009‰。

平均失效概率 之值，改進(jìn)前的是改進(jìn)后的0.7009‰/0.003‰=233.63倍。改進(jìn)后 大幅降低。

結(jié)束語：

對于加氫裝置中用于安全聯(lián)鎖的液位計(jì)選型，在進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)可靠性分析時，應(yīng)充分考慮到共模故障可能對裝置的可靠性造成的影響，從根源上預(yù)防共模故障的產(chǎn)生，盡量降低其影響，提高裝置的安全性。本文列舉出的優(yōu)化方案，對項(xiàng)目安全性的定性分析及設(shè)計(jì)過程的實(shí)際運(yùn)用均有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

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