铜冶炼企业设备安全等级提升实践

2019-09-24曹战飞

铜业工程 2019年4期

曹战飞

（江西铜业集团有限公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424）

1 引言

在生产工艺复杂、危险性高的工业生产领域，安全一直是企业最为关注的话题。为确保企业生产过程的安全，安全仪表系统（Safety instrumented System，简称SIS）已越来越多地得到重视，并广泛应用于石化、天然气等行业的工业生产中，用于保护人员、设备、环境及财产安全。

然而在冶金行业SIS并没有广泛应用，更多使用的是DCS或PLC。SIS与DCS的区别：整体而言，他们都是由控制系统硬件和软件+现场设备构成，功能不同（SIS用于监视生产装置的运行状况，对出现异常工况迅速进行处理，使危害降到最低，使人员和生产装置处于安全状态。DCS用于生产过程的连续测量、常规控制（连续、顺序、间歇等）、操作控制管理，保证生产装置的平稳运行）；SIS对软硬件和现场设备的要求远高于DCS。一般SIS比DCS的安全完整性等级（Safety Integrity Level），英文缩写为SIL）更高并且需要安全认证。

2 贵冶关键设备运行现状

贵冶的整个生产过程使用了大量DCS和PLC，同样没有使用SIS。许多关键设备（比如：制氧工序的空压机、动力中心的送风机、熔炼工序的排风机、硫酸工序的SO2风机等）是否正常运行直接关系到工厂整个生产过程。

这些关键设备的联锁保护测点主要有温度、压力、振动、位移等。联锁方式均为一选一。以硫酸3#SO2风机的温度及压力为例，其联锁逻辑关系如图1。3#SO2风机共12个现场温度检测元件（单支PT100热电阻），1个压力检测元件（压力变送器），任意一个温度测点高高报或者压力测点低低报均会触发联锁停机信号发出，最终造成3#SO2风机停机。

其它关键设备的联锁逻辑关系与3#SO2风机基本相同，部分设备现场配置的温度检测元件为双支PT100热电阻，但其联锁方式仍然为一选一方式。

表1 关键设备联锁停机情况统计表

针对关键设备联锁停机情况进行统计，统计表如表1。表1中统计的关键设备联锁停机故障，后经现场确认排查，75%以上为现场检测元件故障或信号误动作造成的。

图1 原3#SO2风机联锁逻辑关系图

3 原因分析

随着工厂越来越重视高作业率、高安全性的生产管理，目前这些关键设备联锁系统的SIL等级已经无法满足需要。因此，提高关键设备SIL，保障关键设备安全、稳定运行，更好的为工厂的生产服务已经迫在眉睫。

SIL等级共分为4级，SIL4安全级别最高，SIL1安全级别最低［1]。具体划分参照表2

表2 SIL定义表

隐故障是指该动而拒动，不对危险产生报警，允许危险发展的故障，是危险故障。隐故障概率越高，安全性越差。显故障是指不该动而误动，能显示出故障自身存在的故障，是安全故障。显故障概率越高，可用性越差［2]。

显然，之前出现的多数联锁停机故障都是由于系统显故障概率过高，造成了无谓的关键设备停机事故。针对这种情况，需要降低系统的显故障概率，并且不能提高系统的隐故障概率，才能达到既避免无谓停机，且保证关键设备安全、稳定运行的目的［3]。

结合现场检测仪表配置情况，对照表3，再次验证了目前在用的关键设备联锁方式等级较低，无法适应工厂高作业率的生产需求，需优化关键设备联锁方案。

4 解决方案

针对分析出的问题，需要系统地考虑提高工厂关键设备运行可靠性，降低设备误停机概率的方案，主要从优化关键设备内、外部联锁、冗余配置、重要报警信息推送等方面开展工作。

4.1 关键设备本体内部联锁方式的优化

4.1.1 联锁方式由“一选一”修改为“三选二”［4]以硫酸3#SO2风机为例：通过将原有设备上外装的检测元件的数量由1增加为3（并联冗余），将原来的单支PT100热电阻更换为3支PT100热电阻，也就是物理位置上一个温度测点可引出3个温度信号；润滑油压力由1台压力变送器增加至3台。联锁方式升级为“三选二”。仅以活动轴承温度为例介绍新的“三选二”联锁逻辑关系如图2。图2中的输出替换图1中的第一路输入，其余温度、压力测点采用同样的方式，最终汇总形成了3#SO2风机高等级联锁。大大降低了设备的联锁误动作停机概率，并且提高了设备安全性。

图2 3#SO2风机活动轴承温度联锁逻辑图

4.1.2 联锁方式由“一选一”修改为“二选二”

以硫酸四系列SO2风机为例：针对原有设备检测元件为内装型的情况，通过将原有检测元件双支中备用的信号也引入DCS系统，联锁方式升级为“二选二”。仅以风机侧轴承温度为例介绍新的“二选二”联锁逻辑关系如图3。

图3 四系列SO2风机侧轴承温度联锁逻辑图

表3 联锁方式及其与安全性、可用性的关系表

图3中输出替代了原有的单个温度点高高报的联锁，并没有简单的采用两个温度测点同时高高报，而是增加了每个温度测点坏值也要参与联锁，这样以来新的联锁方式不仅降低了误动作停机概率，也弥补了安全性有所下降的不足。

4.2 关键设备外部联锁方式的优化

以硫酸四系列SO2风机为例：其外部联锁之一FICA61442一吸塔入塔酸流量低低报，原有联锁为一选一，一旦流量误报就会联锁SO2风机停机，影响生产正常运行。

针对这种情况，采用在一吸塔入塔位置增加一台单法兰压力变送器，将压力低报作为联锁条件，将原有联锁方式优化升级为与图3相同原理的联锁方式，提高系统稳定性。其它外部联锁均可推广应用。

图4 硫酸四系列一吸塔入塔流量及压力

4.3 关键设备升级冗余配置

原有的设备中有部分是采用了冗余配置的，比如：DCS系统的控制器、重要的IO卡件、也有很多关键设备是有备用机的，但是也存在一些关键设备并没有备用、冗余的配置。比如：为DCS系统各现场仪表供电的UPS（不间断电源）虽然配置了双电源［5]，但是如果在外部供电异常，同时UPS主机或电池故障，同样会对DCS系统造成严重影响，进而影响工厂生产稳定运行。

为此，通过将原有单个UPS主机、电池组的配置全部升级为双冗余并联配置，UPS系统结构按照图5所示配置，可大幅提高UPS系统可靠性，并且方便UPS系统检修、确保检修时DCS系统及其它负载的正常运行［6]。

同样，针对不同的关键设备都可采用类似的方案进行优化。如：阀门、泵等执行机构，流量、压力等控制参数，以提高整个系统的可靠性，保证生产的高效、稳定运行。