智能無線技術(shù)在乙烯裝置火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

劉宗林

（福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建泉州362800）

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，智能無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國工業(yè)生產(chǎn)過程中已經(jīng)取得了一定范圍的應(yīng)用。采用智能無線技術(shù)，無需鋪設(shè)電纜和橋架，大大節(jié)省了安裝成本。在生產(chǎn)裝置中安全閥泄漏至火炬管網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致巨大的能源損失和危害環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)，某公司采用Emerson智能無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙烯裝置火炬管網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏區(qū)域及泄漏點(diǎn)，便于操作人員及時(shí)采取有效措施消除泄漏點(diǎn)，從而保證了生產(chǎn)安全和環(huán)境安全。

1 艾默生智能無線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)智能無線技術(shù)遵循Wirel ess HART 標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成為符合Wireless HART 標(biāo)準(zhǔn)的自組織網(wǎng)絡(luò)。智能無線網(wǎng)絡(luò)易于組態(tài)和管理，數(shù)據(jù)可靠性超過99%，滿足工業(yè)企業(yè)對(duì)過程數(shù)據(jù)安全可靠性的要求。在工廠密布著金屬管線或金屬設(shè)備的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中，自組織網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)和有線工廠網(wǎng)絡(luò)無縫集成，保證了網(wǎng)絡(luò)的互操作性、自適應(yīng)性和靈活擴(kuò)展性，最大程度滿足工廠生產(chǎn)的需求[1]。

如圖1 所示，艾默生智能無線架構(gòu)分為兩層，第一層是現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備組成的自組織網(wǎng)絡(luò)（self organizing network），這些設(shè)備以自我組織、智能化的方式與網(wǎng)關(guān)（Gateway）進(jìn)行無線通訊；第二層是網(wǎng)關(guān)和主機(jī)系統(tǒng)的無縫集成，主機(jī)系統(tǒng)可以是DCS、無線網(wǎng)關(guān)控制器、HMI或類似于設(shè)備管理和維護(hù)的工作站等[2]。

2 在乙烯裝置火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)分析，在火炬管網(wǎng)中長(zhǎng)期存在的微量泄漏主要是安全閥物料泄漏，但由于現(xiàn)場(chǎng)管道龐雜、泄漏點(diǎn)多，一直缺少有效的監(jiān)測(cè)方法，給解決該問題帶來了極大的困難。利用智能無線檢測(cè)技術(shù)制定了乙烯裝置火炬管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)方案，通過前期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，該方案可以有效地定位到泄漏的具體區(qū)域，并通過安排人工有針對(duì)性地現(xiàn)場(chǎng)檢查，可以快速發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)同時(shí)也可以找出安全閥的潛在隱患，大幅降低油損，提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保水平。

圖1 艾默生智能無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘查，確定乙烯裝置火炬總管大約有9個(gè)支路，每個(gè)支路連接了若干個(gè)重要的安全閥。該方案在每個(gè)支路的末端安裝無線超聲波變送器，在線監(jiān)測(cè)支管的泄漏介質(zhì)狀態(tài)，并通過無線智能網(wǎng)關(guān)將在線數(shù)據(jù)送到控制室操作站，操作人員可以實(shí)時(shí)查看每一個(gè)點(diǎn)的工作狀態(tài)、設(shè)置報(bào)警以及根據(jù)歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析。

該方案中采用GW1420無線網(wǎng)關(guān)，無線檢測(cè)設(shè)備采用708 超聲波變送器，最終確定骨干網(wǎng)測(cè)點(diǎn)見表1。

2.2 火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為能夠盡可能準(zhǔn)確測(cè)量，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試用，確定了超聲波變送器的現(xiàn)場(chǎng)最佳安裝位置，分別安裝超聲波變送器進(jìn)行實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)通過無線技術(shù)傳遞到智能無線網(wǎng)關(guān)，最終引進(jìn)DCS系統(tǒng)。

GW1420 智能無線網(wǎng)關(guān)安裝在機(jī)柜間FAR2-22和現(xiàn)場(chǎng)連接的線纜橋架區(qū)域頂部，采用24VDC/0.5A供電。GW1420天線內(nèi)部配有防浪涌保護(hù)器，可有效防止雷電對(duì)網(wǎng)關(guān)的影響。無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

2.3 火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)無線數(shù)據(jù)傳輸與集成

該公司使用的DCS系統(tǒng)為艾默生DeltaV系統(tǒng)，GW1420無線網(wǎng)關(guān)采用Modbus RS485方式接入中控室DeltaV系統(tǒng)，火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)DCS畫面見圖3。同時(shí)，為保障DCS 管理人員對(duì)于智能無線網(wǎng)絡(luò)的管理，GW1420將通過以太網(wǎng)接口接入PIN網(wǎng)。

表1 骨干網(wǎng)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

2.4 火炬管網(wǎng)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)踐與效益分析

無線技術(shù)火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，開展了以下幾部分工作：

人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過簡(jiǎn)要流程圖的方式標(biāo)明實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所在位置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都會(huì)被記錄，方便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的分析。

圖2 火炬管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過正常的工藝操作來驗(yàn)證實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過倒空換熱器發(fā)現(xiàn)化工火炬氣排放流量表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和該泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)一致。

系統(tǒng)投用后，通過測(cè)量值的變化來判斷現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)的泄漏區(qū)域。在投用之初，發(fā)現(xiàn)4 個(gè)區(qū)域存在物料泄漏，經(jīng)過外操崗位人員到達(dá)指定位置排查，發(fā)現(xiàn)全部泄漏點(diǎn)。

及時(shí)處理。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的泄漏安全閥，具備處理?xiàng)l件的，第一時(shí)間切換為備用閥門，并安排重新調(diào)校；對(duì)于不具備馬上處理?xiàng)l件的安全閥，第一時(shí)間切換為備用閥門，規(guī)劃調(diào)校時(shí)間；對(duì)于無法進(jìn)行切換的閥門，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)泄漏數(shù)據(jù)密切關(guān)注泄漏狀態(tài)的發(fā)展。

圖3 火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)DCS畫面

實(shí)踐證明，此方案對(duì)于解決目前火炬管網(wǎng)泄漏源無法定位、降低整體泄漏量等難題起到關(guān)鍵作用。幫助發(fā)現(xiàn)火炬管網(wǎng)中存在泄漏的管道，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，及時(shí)處理問題設(shè)備，保障設(shè)備完好性，有效控制火炬管網(wǎng)的排放，提升物料平衡水平，促進(jìn)節(jié)能減排，助力生產(chǎn)效率和效益的提升。

例如：某次系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)冷區(qū)干火炬區(qū)域有泄漏發(fā)生，該處泄漏量計(jì)數(shù)達(dá)到一個(gè)高報(bào)值，見圖4，馬上派人前往現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域排查，發(fā)現(xiàn)3處安全閥存在泄漏，現(xiàn)場(chǎng)快速處理，切換閥門，及時(shí)阻止了泄漏的持續(xù)。

通過乙烯裝置火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投用，乙烯裝置單月減少火炬排放約72 t。由于乙烯裝置火炬排放的基本上為氫氣、甲烷、C2、C3，計(jì)算出排放物平均價(jià)格約6 000元/t，因此，乙烯裝置單月增加減排效益約43.2萬元，年增效益約500萬元。

圖4 泄漏監(jiān)控趨勢(shì)

3 智能無線技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用探討

3.1 智能無線技術(shù)在儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施上的應(yīng)用探討

早期油庫碼頭、儲(chǔ)罐儀表設(shè)備僅用于過程參數(shù)測(cè)量和控制，沒有對(duì)儀表設(shè)備診斷信息和過程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。隨著智能儀表的應(yīng)用普及，儲(chǔ)罐儀表設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用也越來越廣泛。面對(duì)儲(chǔ)罐分散、距離遠(yuǎn)等問題，若要實(shí)現(xiàn)老罐區(qū)儀表智能化，有線儀表方案面臨施工難度大、工程費(fèi)用高等問題。

通過增加無線適配器，將現(xiàn)有的有線Hart設(shè)備升級(jí)為無線設(shè)備，以無線設(shè)備獲取以前不能獲取的設(shè)備診斷信息和過程數(shù)據(jù)，用AMS 設(shè)備管理系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)全面設(shè)備管理，避免了長(zhǎng)距離敷線問題，也使維護(hù)更加方便，消除了企業(yè)目前自動(dòng)化改造技術(shù)瓶頸與困惑。

3.2 智能無線技術(shù)在關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用探討

在裝置日常運(yùn)行過程中，大多數(shù)企業(yè)對(duì)關(guān)鍵管道腐蝕監(jiān)測(cè)或塔架傾角與應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用手提檢測(cè)儀到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)開展監(jiān)測(cè)。同時(shí)，對(duì)馬達(dá)、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等次關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)也大都是采用手提監(jiān)測(cè)儀在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。如果人員到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，機(jī)器又正好不在工作狀態(tài)，對(duì)該設(shè)備的監(jiān)測(cè)就會(huì)被漏掉。然而，對(duì)這些管道腐蝕監(jiān)測(cè)、塔架傾角與應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及次關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè)備安裝永久振動(dòng)檢測(cè)儀，安裝成本費(fèi)用高，不經(jīng)濟(jì)。

采用無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)變送器，可以檢測(cè)管道腐蝕、軸承振動(dòng)、溫度等參數(shù)，安裝簡(jiǎn)單方便、成本低廉。操作人員在中控室就可以監(jiān)測(cè)到管道腐蝕速率、旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)、溫度異常情況，這些數(shù)據(jù)還可以存儲(chǔ)在工廠歷史事件庫中，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以提早做好檢修計(jì)劃，減少設(shè)備故障率。提前預(yù)防企業(yè)設(shè)備狀態(tài)缺陷引起的安全事故風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防介質(zhì)泄漏造成環(huán)境污染及能源損失。

3.3 智能無線技術(shù)在石化能源管理上的應(yīng)用探討

針對(duì)石化企業(yè)分布在偏遠(yuǎn)零落地帶的水、蒸汽、風(fēng)、氮?dú)獾饶茉唇橘|(zhì)的流量、溫度、壓力等參數(shù)若采用常規(guī)儀表進(jìn)行監(jiān)控，在施工時(shí)間、施工材料及費(fèi)用上均會(huì)給企業(yè)帶來一定的挑戰(zhàn)，但通過無線技術(shù)的應(yīng)用，將這些參數(shù)的無線信號(hào)傳輸至中控室進(jìn)行監(jiān)控，不僅節(jié)省了企業(yè)大量的電纜材料費(fèi)用，同時(shí)也節(jié)省了施工時(shí)間。

蒸汽疏水閥被認(rèn)為是能源損失關(guān)鍵設(shè)備之一。在蒸汽疏水閥未能打開時(shí)，蒸汽未完全消耗并被直接吹入冷凝水回收系統(tǒng)，因此蒸汽可能通過“開放的系統(tǒng)”進(jìn)入大氣，還可能引起冷凝水系統(tǒng)中的壓力上升，抑制其他疏水閥的排放，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率偏低。如果疏水閥未能閉合，將使系統(tǒng)內(nèi)水分過多，導(dǎo)致熱傳遞損失和后續(xù)的生產(chǎn)損失。

通過采用智能無線技術(shù)，增設(shè)疏水器狀態(tài)無線監(jiān)測(cè)與預(yù)警，不僅降低企業(yè)能耗，還可以解決企業(yè)目前能源管理自動(dòng)化改造的技術(shù)瓶頸與難題。

3.4 構(gòu)建區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)普適測(cè)量

隨著生產(chǎn)裝置的運(yùn)行，需要新增測(cè)量點(diǎn)或數(shù)據(jù)源，才能實(shí)現(xiàn)各種指標(biāo)的清晰可見。對(duì)于技改技措項(xiàng)目新增儀表設(shè)備，普遍做法是從機(jī)柜間或預(yù)留中間接線箱直拉電纜到現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)還要考慮控制器負(fù)荷是否充裕。直拉電纜需要較高的施工費(fèi)用并存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過構(gòu)建區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)，覆蓋裝置全區(qū)域，使得技改技措項(xiàng)目新增的儀表設(shè)備可以在不需要敷設(shè)電纜的情況下安裝投用，實(shí)現(xiàn)普適測(cè)量。減少了電纜施工費(fèi)用的同時(shí)，也避免了直拉電纜施工過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以更加便捷地增加設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，如設(shè)備腐蝕情況監(jiān)測(cè)、換熱器或過濾器狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

4 結(jié)論

無線檢測(cè)技術(shù)在乙烯裝置火炬管網(wǎng)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用雖然只是無線檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)很小的實(shí)例，但通過對(duì)智能無線技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用探討，充分說明了無線檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)有線檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。在節(jié)省傳統(tǒng)有線儀表安裝、布線和調(diào)試維護(hù)的相關(guān)成本的同時(shí)，有效地提高了工廠信息的采集能力和過程控制能力，為實(shí)現(xiàn)智能化工廠提供了全面、及時(shí)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。