安全儀表系統(tǒng)在航天粉煤氣化裝置中的應(yīng)用

張 成，張開然，劉 陽

(安徽晉煤中能化工股份有限公司 安徽臨泉 236400)

安全儀表系統(tǒng)是一種自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，是由傳感器、邏輯運(yùn)算單元和最終控制元件組成的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用于當(dāng)生產(chǎn)過程的預(yù)定條件受到?jīng)_擊時(shí)，自動(dòng)將其置于安全狀態(tài)，以保障裝置和人身安全，減少事故的發(fā)生[1]。近年來，隨著國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)要求的不斷提高，安全儀表系統(tǒng)已經(jīng)成為保護(hù)人員和設(shè)備安全必不可少的措施[2]。筆者結(jié)合航天粉煤氣化裝置，從可靠性、安全性角度進(jìn)行分析，闡述安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 安全儀表系統(tǒng)的可靠性分析

可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率[3]。構(gòu)成系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，系統(tǒng)的可靠性都會(huì)降低，而系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)自身的故障率又不可能為零，其結(jié)構(gòu)特性、邏輯組態(tài)、外界環(huán)境的影響等都會(huì)影響其可靠性，但安全儀表系統(tǒng)又必須有較高的可靠性。為此，通過對(duì)系統(tǒng)故障的原因進(jìn)行分析總結(jié)，以便不斷完善，最大限度地提高可靠性，保障安全生產(chǎn)。

(1)設(shè)計(jì)階段。因投資概算的限制、工藝系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)的缺陷、儀表控制邏輯設(shè)計(jì)不合理等原因，致使安全儀表的可靠性降低，主要表現(xiàn)為：冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)不合理，滿足不了安全保護(hù)的要求；儀表選型及設(shè)計(jì)安裝位置不合理，造成儀表測(cè)量不準(zhǔn)或儀表本身存在較大的安全隱患[4]；控制邏輯設(shè)計(jì)不合理，易造成停車事故的發(fā)生。

(2)安裝調(diào)試階段。施工安裝時(shí)未按規(guī)范進(jìn)行操作，產(chǎn)生儀表取壓根部堵塞、儀表伴熱無法正常投運(yùn)、測(cè)點(diǎn)信號(hào)接觸不良、電磁閥供電信號(hào)對(duì)地等問題，調(diào)試時(shí)又未按規(guī)范進(jìn)行，造成停車事故的發(fā)生。

(3)維護(hù)管理階段。安全儀表系統(tǒng)的操作維護(hù)規(guī)程制定不合理、人員技術(shù)性差等，如設(shè)備控制器、DO數(shù)字量卡件等重要部位出現(xiàn)輕微故障時(shí)，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，直至事故的發(fā)生。

2 安全儀表系統(tǒng)在航天粉煤氣化裝置中的應(yīng)用

2.1 裝置概述

航天粉煤氣化裝置共分為5個(gè)單元，即磨煤及干燥單元(11單元)、粉煤加壓及輸送單元(12單元)、合成及洗滌單元(13單元)、灰水處理單元(14單元)、公用工程單元(30單元)，每個(gè)單元都有不同的任務(wù)。13單元是以干煤粉進(jìn)料，純氧和蒸汽為氣化劑，經(jīng)燒嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在壓力4.0 MPa、溫度約1 500 ℃下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成以CO和H2為主要成分的粗合成氣，同時(shí)副產(chǎn)中壓蒸汽。14單元負(fù)責(zé)將以熔渣形式排出氣化爐的煤灰經(jīng)水冷卻、固化后通過鎖斗卸壓排放，并經(jīng)撈渣機(jī)送出界區(qū)，系統(tǒng)排放的黑水送至閃蒸、沉降系統(tǒng)，以達(dá)到除去灰渣、回收熱量及黑水再生循環(huán)使用的目的。由于該裝置工藝流程的特殊性，其控制復(fù)雜，安全聯(lián)鎖較多。以13單元為例，對(duì)部分安全聯(lián)鎖進(jìn)行說明。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表的設(shè)計(jì)

(1)檢測(cè)元件。為減少儀表自身故障率及儀表測(cè)量不準(zhǔn)造成的停車事故，對(duì)儀表空氣壓力、激冷水流量計(jì)、3條粉煤管線的聯(lián)鎖控制、氧管線壓力等均采用三取二聯(lián)鎖方式進(jìn)行控制，其變送器皆互相獨(dú)立，檢測(cè)信號(hào)分別進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)的3個(gè)獨(dú)立卡件中。該配置方式盡管增加了投入成本，但大大提高了系統(tǒng)的安全性，避免了因線路故障、卡件故障、變送器故障等儀表問題而造成的停車事故，可以有效提高裝置的安全性。

(2)執(zhí)行元件。執(zhí)行元件多為調(diào)節(jié)閥和切斷閥，閥門采用冗余配置。從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，航天粉煤加壓氣化裝置既有1只調(diào)節(jié)閥和1只切斷閥的冗余，也有2只切斷閥的冗余；部分采用單一閥門的執(zhí)行元件，其電磁閥也采用了冗余配置，1只電磁閥由操作人員從DCS上進(jìn)行操作控制，另1只電磁閥由安全控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖動(dòng)作，各閥門及電磁閥按照故障安全型設(shè)計(jì)，部分控制方式如下。

①1只調(diào)節(jié)閥和1只切斷閥的冗余，如圖1所示。V1302為汽包壓力調(diào)節(jié)，13XV0043為高密封等級(jí)的球閥，該閥門為氣關(guān)閥，正常工作情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，一旦汽包壓力高于設(shè)定壓力，閥門電磁聯(lián)鎖失電，閥門打開，13PV0040B進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，這樣就可以有效避免安全事故的發(fā)生。

圖1 1只調(diào)節(jié)閥和1只切斷閥的冗余

②2只切斷閥的冗余，如13單元渣鎖斗排渣控制。如圖2所示，固體灰渣在激冷室底部，被破渣機(jī)破碎后，經(jīng)過2只鎖斗閥(13XV-0613和13XV-0602)進(jìn)入鎖斗(V1303)。這2只鎖斗閥中，13XV-0613是鎖斗事故閥，處于常開狀態(tài)，僅當(dāng)由于激冷室液位低限聯(lián)鎖引起跳車時(shí)才關(guān)閉；13XV-0602為鎖斗進(jìn)口閥，該閥在鎖斗收渣期間打開，接受激冷室中排入的灰渣，在鎖斗排渣時(shí)關(guān)閉，從而周期性地將鎖斗與氣化爐隔離。這2只閥門進(jìn)行冗余配置，可防止因閥門出現(xiàn)問題而造成的安全事故。

圖2 2只切斷閥的冗余及3只電磁閥的串聯(lián)配置

③如圖2所示，鎖斗出口閥(13XV-0603)采用3只電磁閥的串聯(lián)配置。當(dāng)3只電磁閥都帶電時(shí)，閥門才能被打開，鎖斗內(nèi)的渣才能排入渣池，3只電磁閥的任何一路失電都可以切斷鎖斗出口閥。電磁閥的串聯(lián)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性，有效防止了因電磁閥故障而造成的事故。

2.3 安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在航天粉煤氣化裝置中采用了霍尼韋爾公司的Safety Manager安全控制系統(tǒng)，具有四重冗余功能，其通過了第三方的權(quán)威認(rèn)證，具有極高的安全性和有效性，即使設(shè)備出現(xiàn)故障，也可通過冗余等手段保證設(shè)備能夠運(yùn)行控制。該安全控制系統(tǒng)著重內(nèi)部診斷，將硬件與軟件相結(jié)合，能檢測(cè)出系統(tǒng)本身的異常情況，可以診斷和顯示系統(tǒng)的全部部件故障，并將故障信息顯示在安全儀表系統(tǒng)的操作站上，以提醒儀表維修人員及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，保障安全生產(chǎn)。為保證安全儀表系統(tǒng)的安全性，各電源及通信也均采用冗余配置，整個(gè)系統(tǒng)主要由1個(gè)系統(tǒng)柜、1個(gè)輔助柜、2臺(tái)工程師站兼事件記錄站和1個(gè)輔助操作臺(tái)組成，系統(tǒng)柜、輔助柜及工程師站分別設(shè)置在獨(dú)立的控制站和工程師站內(nèi)，輔助操作臺(tái)安裝在氣化主控操作室內(nèi)，輔助操作臺(tái)上安裝有報(bào)警指示、燈屏信號(hào)、緊急停車按鈕等，可以更醒目地提醒操作人員進(jìn)行操作，以保障安全生產(chǎn)。

2.4 安裝與施工

在安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用中，一些不可量化的因素也決定著其安全性和可靠性，其中現(xiàn)場(chǎng)儀表的正確安裝、接線、調(diào)試等都是非常重要的環(huán)節(jié)。如安裝壓力變送器時(shí)，其導(dǎo)壓管、閥門、變送器、密封沖洗水、防凍伴熱等各個(gè)環(huán)節(jié)的安裝都應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行施工，施工過程中各儀表接線、接線箱位置等都要按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)注，并保證儀表測(cè)點(diǎn)信號(hào)接線牢固可靠，防止儀表測(cè)點(diǎn)因信號(hào)接觸不良、電磁閥供電信號(hào)對(duì)地等原因而造成停車事故的發(fā)生。施工后，各儀表要按規(guī)范進(jìn)行調(diào)試記錄，保證各儀表測(cè)量準(zhǔn)確。

2.5 系統(tǒng)維護(hù)管理

根據(jù)系統(tǒng)原因分析可知，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)的故障率將會(huì)不斷上升，合理有效地對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行維護(hù)是非常必要的，如合理的備品備件數(shù)量、定期對(duì)ESD程序進(jìn)行備份、儀表工每天對(duì)軟件和硬件系統(tǒng)進(jìn)行巡檢排查、制定詳細(xì)的維護(hù)管理規(guī)定等。在裝置檢修其間，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及控制柜內(nèi)接線端子和接地極進(jìn)行檢查、對(duì)控制柜進(jìn)行清灰、各聯(lián)鎖儀表點(diǎn)進(jìn)行調(diào)校等是非常重要的。

3 結(jié)語

航天粉煤氣化裝置自2008年10月投產(chǎn)以來，其安全儀表系統(tǒng)一并投運(yùn)。隨著時(shí)間的推移，安全儀表系統(tǒng)的故障率正在逐漸提高，為避免因其出現(xiàn)故障而造成裝置停車，每天定時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)軟件和硬件進(jìn)行專項(xiàng)巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，將隱患消除在萌芽狀態(tài)。目前，安全儀表系統(tǒng)運(yùn)行正常，為裝置的安全生產(chǎn)提供了可靠保障。