安全儀表系統在航天粉煤氣化裝置中的應用

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)

安全儀表系統是一種自動保護系統，是由傳感器、邏輯運算單元和最終控制元件組成的控制系統，設計用于當生產過程的預定條件受到沖擊時，自動將其置于安全狀態，以保障裝置和人身安全，減少事故的發生[1]。近年來，隨著國家對安全生產要求的不斷提高，安全儀表系統已經成為保護人員和設備安全必不可少的措施[2]。筆者結合航天粉煤氣化裝置，從可靠性、安全性角度進行分析，闡述安全儀表系統的設計和應用。

1 安全儀表系統的可靠性分析

可靠性是指在規定的時間內發生故障的概率[3]。構成系統的任一環節發生故障，系統的可靠性都會降低，而系統各個環節自身的故障率又不可能為零，其結構特性、邏輯組態、外界環境的影響等都會影響其可靠性，但安全儀表系統又必須有較高的可靠性。為此，通過對系統故障的原因進行分析總結，以便不斷完善，最大限度地提高可靠性，保障安全生產。

(1)設計階段。因投資概算的限制、工藝系統流程設計的缺陷、儀表控制邏輯設計不合理等原因，致使安全儀表的可靠性降低，主要表現為：冗余容錯結構不合理，滿足不了安全保護的要求；儀表選型及設計安裝位置不合理，造成儀表測量不準或儀表本身存在較大的安全隱患[4]；控制邏輯設計不合理，易造成停車事故的發生。

(2)安裝調試階段。施工安裝時未按規范進行操作，產生儀表取壓根部堵塞、儀表伴熱無法正常投運、測點信號接觸不良、電磁閥供電信號對地等問題，調試時又未按規范進行，造成停車事故的發生。

(3)維護管理階段。安全儀表系統的操作維護規程制定不合理、人員技術性差等，如設備控制器、DO數字量卡件等重要部位出現輕微故障時，未能及時發現處理，直至事故的發生。

2 安全儀表系統在航天粉煤氣化裝置中的應用

2.1 裝置概述

航天粉煤氣化裝置共分為5個單元，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)，每個單元都有不同的任務。13單元是以干煤粉進料，純氧和蒸汽為氣化劑，經燒嘴進入氣化爐內，在壓力4.0 MPa、溫度約1 500 ℃下進行氣化反應，生成以CO和H2為主要成分的粗合成氣，同時副產中壓蒸汽。14單元負責將以熔渣形式排出氣化爐的煤灰經水冷卻、固化后通過鎖斗卸壓排放，并經撈渣機送出界區，系統排放的黑水送至閃蒸、沉降系統，以達到除去灰渣、回收熱量及黑水再生循環使用的目的。由于該裝置工藝流程的特殊性，其控制復雜，安全聯鎖較多。以13單元為例，對部分安全聯鎖進行說明。

2.2 現場儀表的設計

(1)檢測元件。為減少儀表自身故障率及儀表測量不準造成的停車事故，對儀表空氣壓力、激冷水流量計、3條粉煤管線的聯鎖控制、氧管線壓力等均采用三取二聯鎖方式進行控制，其變送器皆互相獨立，檢測信號分別進入安全儀表系統的3個獨立卡件中。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)執行元件。執行元件多為調節閥和切斷閥，閥門采用冗余配置。從安全性和經濟性考慮，航天粉煤加壓氣化裝置既有1只調節閥和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上進行操作控制，另1只電磁閥由安全控制系統進行聯鎖動作，各閥門及電磁閥按照故障安全型設計，部分控制方式如下。

①1只調節閥和1只切斷閥的冗余，如圖1所示。V1302為汽包壓力調節，13XV0043為高密封等級的球閥，該閥門為氣關閥，正常工作情況下處于關閉狀態，一旦汽包壓力高于設定壓力，閥門電磁聯鎖失電，閥門打開，13PV0040B進行壓力調節，這樣就可以有效避免安全事故的發生。

圖1 1只調節閥和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，被破渣機破碎后，經過2只鎖斗閥(13XV-0613和13XV-0602)進入鎖斗(V1303)。這2只鎖斗閥中，13XV-0613是鎖斗事故閥，處于常開狀態，僅當由于激冷室液位低限聯鎖引起跳車時才關閉；13XV-0602為鎖斗進口閥，該閥在鎖斗收渣期間打開，接受激冷室中排入的灰渣，在鎖斗排渣時關閉，從而周期性地將鎖斗與氣化爐隔離。這2只閥門進行冗余配置，可防止因閥門出現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只電磁閥的串聯配置。當3只電磁閥都帶電時，閥門才能被打開，鎖斗內的渣才能排入渣池，3只電磁閥的任何一路失電都可以切斷鎖斗出口閥。電磁閥的串聯結構提高了系統的可靠性，有效防止了因電磁閥故障而造成的事故。

2.3 安全儀表系統的設計

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，具有四重冗余功能，其通過了第三方的權威認證，具有極高的安全性和有效性，即使設備出現故障，也可通過冗余等手段保證設備能夠運行控制。該安全控制系統著重內部診斷，將硬件與軟件相結合，能檢測出系統本身的異常情況，可以診斷和顯示系統的全部部件故障，并將故障信息顯示在安全儀表系統的操作站上，以提醒儀表維修人員及時對故障進行處理，保障安全生產。為保證安全儀表系統的安全性，各電源及通信也均采用冗余配置，整個系統主要由1個系統柜、1個輔助柜、2臺工程師站兼事件記錄站和1個輔助操作臺組成，系統柜、輔助柜及工程師站分別設置在獨立的控制站和工程師站內，輔助操作臺安裝在氣化主控操作室內，輔助操作臺上安裝有報警指示、燈屏信號、緊急停車按鈕等，可以更醒目地提醒操作人員進行操作，以保障安全生產。

2.4 安裝與施工

在安全儀表系統的應用中，一些不可量化的因素也決定著其安全性和可靠性，其中現場儀表的正確安裝、接線、調試等都是非常重要的環節。如安裝壓力變送器時，其導壓管、閥門、變送器、密封沖洗水、防凍伴熱等各個環節的安裝都應嚴格按規范進行施工，施工過程中各儀表接線、接線箱位置等都要按設計圖紙進行準確標注，并保證儀表測點信號接線牢固可靠，防止儀表測點因信號接觸不良、電磁閥供電信號對地等原因而造成停車事故的發生。施工后，各儀表要按規范進行調試記錄，保證各儀表測量準確。

2.5 系統維護管理

根據系統原因分析可知，隨著時間的推移，系統的故障率將會不斷上升，合理有效地對系統各環節進行維護是非常必要的，如合理的備品備件數量、定期對ESD程序進行備份、儀表工每天對軟件和硬件系統進行巡檢排查、制定詳細的維護管理規定等。在裝置檢修其間，對現場及控制柜內接線端子和接地極進行檢查、對控制柜進行清灰、各聯鎖儀表點進行調校等是非常重要的。

3 結語

航天粉煤氣化裝置自2008年10月投產以來，其安全儀表系統一并投運。隨著時間的推移，安全儀表系統的故障率正在逐漸提高，為避免因其出現故障而造成裝置停車，每天定時對控制系統軟件和硬件進行專項巡檢，發現問題及時處理，將隱患消除在萌芽狀態。目前，安全儀表系統運行正常，為裝置的安全生產提供了可靠保障。