化工重要聯鎖三取二分散采集設計

魏潤華

(天脊煤化工集團股份有限公司,山西長治 047500)

0 概述

化工生產的特點就是高溫、高壓、易燃、易爆,所以對化工生產過程的控制就顯得尤為重要,而控制過程的重中之重莫過于聯鎖的設計和投用。一套完備合理的聯鎖系統,既可以保證裝置的安全穩定運行,又在一定程度上大大避免了非必要故障停車的機會,使得生產裝置在安全、穩定、高負荷運行的基礎上,做到利益的最大化。

1 相關概念

重要聯鎖的概念:在化工生產過程中,聯鎖是為了保證裝置安全運行,通過編程,使工藝參數(聯鎖條件)和運行設備之間按一定程序、一定條件建立起的既相互聯系,而又相互制約的關系,這種關系即為聯鎖。而有部分聯鎖參數在超標之后,會帶來設備和人員的不可逆及災難性的后果,這部分聯鎖參數即為重要聯鎖參數(如合成氨壓縮機的軸振動位移參數)。

三取二:而對于重要運行參數(聯鎖條件)和重要運行設備而言,參數的正常與否,直接關系到設備能否安全正常運行,這樣,就要求對參數的采集的真實性和準確性有著更高的要求。為了滿足要求,首先我們對某一個重要參數進行重復采集,一般用三個相對獨立的儀表進行采集,當有兩個或者兩個以上的參數達到聯鎖值(認為兩臺相對獨立的設備同時出錯的概率為零),我們才認為此參數確實達到聯鎖值,需要對設備進行保護動作,從而實現裝置長周期安全穩定運行。

三取二信號分散采集:在現場儀表及傳輸線路實現相對獨立采集的基礎上,DCS也要實現相對信號的獨立采集和顯示,這樣,就會將由于參數故障或者采集設備故障而引起的不必要停車幾率降到最低。而在參數確實達到聯鎖狀態時,又能保證裝置安全及時得停下來。信號的分散單獨顯示也是為了及時發現參數故障或者采集設備故障,將隱患消除在萌芽狀態。

非必要故障停車:化工生產過程中,操作工通過DCS控制系統對工況的實時監視和及時調整是非常有必要的,可以保證裝置的穩運高產,而在裝置重要聯鎖信號短時間達到聯鎖條件時,操作工短時間很難通過操作保證裝置的繼續運行;而在諸多短時間達到聯鎖條件的因素之中,有一個關鍵的因素就是裝置本身并未達到需要聯鎖的狀態,只是采集聯鎖信號的儀表設備出現故障,導致停車,此類停車即可成為非必要故障停車的一種。

將裝置的重要聯鎖信號,通過DCS/SIS系統中三個不同網段的三塊不同硬件進行三次分散采集,并在人機界面中進行獨立顯示,從而達到保證在非必要停車的系統硬件故障時,及早發現故障且保證生產過程的平穩運行。

2 重要聯鎖三取二分散采集的設計過程

2.1 工藝及設備專業的相關分析(非儀表專業)

組織相關專業對裝置進行安全性、可操作性及其他相應的審查和分析,確定相關聯鎖條件會導致的設備后果,根據設備后果,結合設備經濟、高效運行的指標,確定會引起設備故障停車的重要聯鎖條件,并出具相關說明,確定聯鎖條件所需要引起的設備聯鎖動作,確保裝置的安全穩定運行。此相關說明將作為儀表設計聯鎖的最終依據。

2.2 儀表專業的相關分析

(1)總的思路。在拿到設備聯鎖說明之后,儀表專業要針對聯鎖說明對相關聯鎖進行分析。對于重要局部聯鎖(聯鎖之后不至于引起停車、減產),一般采取普通聯鎖方式:聯鎖信號為單點采集,聯鎖動作單設備執行。對于引起停車或者減產的重要聯鎖,則要采取冗余的聯鎖思路,聯鎖信號一般采取三取二的聯鎖方式,聯鎖動作儀表部分為冗余設備,確保無論是聯鎖條件還是聯鎖結果,在任何一個未達到聯鎖要求而只是故障的情況下,避免引起設備停車,達到確保安全穩定運行的目的。

(2)聯鎖信號的采集。此部分聯鎖信號的設計從信號源頭開始就一分為三,包括取樣點、遠傳儀表、傳輸線路、隔離柵、信號采集卡件等,都是一分為三的。特別要說明的是,傳輸線路部分不要用同一根電纜,信號采集卡根據各系統不同,不要用同一個站點的三塊卡件,最好是三個不同站點的三個相對獨立的卡件。如圖1所示。

圖1 系統畫面Fig.1 The system picture

現場有三個取樣點,如圖2所示,依次為PI_COAH_9209/1、PI_COAH_9209/2、PI_COAH_9209/3,分別設置三臺變送器儀表,傳輸線路獨立,控制系統 CPU為冗余的控制系統,數據采集站ETM200也是冗余的,將原有設置在3#通訊站同一塊采集卡的第2、3點分別設置到4#、5#站點去,這樣,就將可能存在的風險分散,避免某一個設備出現問題引起的不必要停車。

圖2 示意圖Fig.2 Schematic diagram

(3)聯鎖動作的執行。此部分執行設備儀表部分均需采用冗余的配置,從輸出卡件、到輸出繼電器、信號傳輸線路、最終執行器等,都是冗余配置。特別要說明的除聯鎖信號采集部分說明之外,最終執行器部分在設計上要根據設備動作實際需要進行單獨考慮。最終執行器部分(以電磁閥為例)如圖3所示。

圖3 冗余電磁閥Fig.3 Redundant solenoid valves

SV1與SV2為兩個冗余的電磁閥,在正常情況下,兩個電磁閥帶電時,都是2、3通,假設其中無論哪一個電磁閥故障,處于1、2通時,都可以保證氣動閥門膜頭正常受氣,除非兩個電磁閥同時斷電,或者同時故障(此種情況前文交代幾率幾乎為零)。

(4)重要聯鎖設備監測。對于重要聯鎖而言,定期監測是非常有必要的,除工藝人員的實時監盤以外,儀表人員也應定期對重要聯鎖設備的運行狀態進行監測,確保在聯鎖設備出現問題時,第一時間可以發現,避免不必要的故障停車。如圖4所示。

圖4 DCS畫面Fig.4 DCS picture

還以PI_COAH_9209為例,工藝人員在日常監盤過程中,如果發現某一個信號不對,及時聯系儀表人員,將故障消除可避免非必要故障停車,再者儀表人員也要定期對重要聯鎖冗余設備進行狀態監測,發現故障及時處理,也可以避免非必要故障停車。

3 需要關注的幾個問題

(1)為什么重要聯鎖條件采用三取二,而不采用二取二的聯鎖方式。這里首先要說一下前提,我們認為,一般情況下,同一個采樣點的同一個數據采集的相關軟硬件,在同一個時間段,同時發生故障的可能性為零。

這樣的話,如果我們采取二缺二的聯鎖方式,也就是說同一個采樣點的兩個信號同時達到聯鎖條件的情況下,設備才會聯鎖停車,現在假設兩個采樣點的其中一個由于某種非工藝裝置本身原因故障,從而導致其達到聯鎖條件,一般情況下,為避免裝置的非必要停車,我們會將現有故障點的聯鎖條件旁路掉,然后進行檢修、維護或者更換作業,以確保在最短時間內可以投運此聯鎖,已達到保護裝置的目的。那么問題來了,按極端情況考慮,如果在進行檢修、維護或者更換作業的過程中,工藝裝置本身出現故障,以至于此采樣點的另一個監測點實際達到聯鎖條件,但是由于需要兩個同時達到聯鎖條件才會停車,這樣的話,設備是不能及時聯鎖停下來的,需要認為介入或者打閘停車,如果響應不及時,會將小問題變成大問題,甚至大的事故。所以說條件二取二的聯鎖方式,存在一定的弊端。

如果我們采用三取二的聯鎖方式,也就是同一個采樣點的三個信號有兩個或者兩個以上信號達到聯鎖條件時,設備就會停車。還是假設三個采樣點有其中一個由于某種非工藝裝置本身原因故障,從而導致其故障,需要迅速維護檢修,首先我們要將現有條件進行旁路,然后進行檢修、維護或者更換作業,這樣的話,還有兩個條件處于正常運行之中,一旦工藝裝置本身出現故障,此采樣點實際達到聯鎖條件,另外兩個正常運行的條件會因為實際達到達到聯鎖條件而將裝置停下來,確保裝置的安全。

(2)對于聯鎖執行部分儀表一般采取二取二的方式運行。聯鎖執行部分的設計理念和聯鎖條件部分的設計理念稍微有點不同,聯鎖條件不能采取二取二的聯鎖方式是因為一旦有一個信號出現問題之后,裝置可能在真正需要此信號聯鎖停車時,裝置無法正常停下來;而聯鎖執行部分儀表可以采取二取二的方式的原因,一方面是兩個執行元件不可能同時出問題,確保裝置的安全穩定運行,另一方面,假設有一個裝置故障,另一個裝置可以維持裝置運行的同時,也可以保證裝置在需要停車時,及時停車,確保裝置的安全。對于損壞的設備,儀表專業可以通過一些安全手段進行更換(這里不再介紹),繼續二取二的執行保證。

(3)所有重要聯鎖儀表部分的供電,均需采用事電與UPS電的冗余配置,盡量采用環形供電方式。

為提高供電可靠性,使用戶可以從兩個方向獲得電源,通常將供電網連接成環形,這種供電方式簡稱為環形供電。對于儀表控制系統,特別是聯鎖系統而言,電源正常與否,對系統的穩定安全聯運起著至關重要的作用,環形供電的必要性由此可見,示意圖如圖5所示。

圖5 環形供電示意圖Fig.5 Schematic diagram of ring power supply

4 結語

安全,是化工裝置穩定運行的前提和基礎。在安全的前提下,效益的最大化也必將成為企業的頭等大事,對于重要設備的重要參數實現三取二冗余設計,可以以較小的投入,既實現安全的要求,換取設備的長周期安全穩定運行,在很大程度上杜絕了設備的非故障停車。