化工装置仪表气源三冗余设计思路

李克敏，常小凯

［1.甘肃刘化（集团）有限责任公司，甘肃 永靖 731603；2.兰州理工大学理学院，甘肃 兰州 730050］

0 引 言

一般来说，现代化工生产中仪表控制的核心是DCS系统，其最终的控制路径由调节阀、切断阀等来实现。由于DCS系统的核心地位，DCS系统通常有2套UPS供电，并且这2套UPS由两个不同回路的电源供电，以尽可能地避免DCS系统由于电源供电故障引起失电。目前，仪表自动化行业对于DCS系统的结构、特点、控制优化、常见故障处理与日常维护都有了明确的认识，SIS系统在国家规定的一级、二级重大危险源或重点监管的危险化工工艺和危险化学品领域的应用等方面也有很多的阐述，但对支撑DCS系统或SIS系统正常运行的仪表气源的设置等方面考虑得并不多。以下就化工企业控制系统的仪表气源配置进行分析与探讨，并提出一些建议供业内交流与参考。

1 仪表气源在化工生产中的重要性

随着经济的飞速发展与科技的不断进步，化工生产逐步走向大型化、标准化、节能化、精细化，其自动化、现代化程度也日益提高，这就离不开仪表控制系统的参与。一个简单的仪表控制系统包括被控变量、操纵变量和相应的控制规律，要使被控变量与期望的设定值保持一致，就需要一种控制手段，把用于调节的变量称为操纵变量，通常通过调节阀或变频泵来实现变量的操纵——化工生产过程中的负荷变化或操作条件改变时，通过检测元件和变送器将过程的被控变量送控制器，经控制规律运算后输出至执行器，改变过程中相应的流体流量，使被控变量与设定值保持一致。简言之，检测元件和变送器类似于人的眼睛，控制器类似于人的大脑，执行器类似于人的手脚。这些自控阀门的执行机构按动力源分为电动和气动两种，电动执行机构采用220 V交流电源，气动执行机构采用洁净的压力稳定的压缩空气。相较于气动执行机构，电动执行机构结构复杂、推力小、价格高，适用于防爆要求不太高及缺乏气源的场合；而气动执行机构结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜且防火防爆，因此化工装置中大量运用各种形式的气动调节阀、切断阀。气动仪表控制机构精密、微小，对气源压力、质量要求非常严格，故压力稳定、纯净度高的仪表气源对于连续性非常强的化工生产来说是相当重要的。

2 常见仪表气源配置模式及特点

2.1 单机单路直供模式

最初的仪表气源系统配置，大多由仪表空压机直供管网，由管网承担气源的分配及储存功能，因此仪表控制系统能否正常运行直接由空压机（包括配套有空气分离系统的空压机）的运行状态决定。不过，目前这种单机单路直供模式已被配套有储气罐的供气系统所取代。

2.2 单机+储气罐模式

随着化工装置的大型化及单机单路直供模式缺陷的凸显，为稳定仪表气源供应，许多化工企业增设了储气罐，或在项目建设之初就选配了为稳定仪表气源压力而设置的储气罐，如此一来，现场调节阀、切断阀的仪表气源就有两路：一路仪表气源由空压机出口送入仪表空气管网；一路仪表气源由仪表空气储罐提供，仪表空气储罐的容量一般够全厂用气设备工作15～30 min，在空压机出现故障的情况下，可保障全厂化工装置安全停车的仪表气源供给。

对于现代大型化、多模块的化工生产企业来说，一般不止1套空分装置和1台空压机，大多是由多台套装置组成的联合生产线，仪表气源采用单机+储气罐模式供应，一旦空压机发生故障而储气罐供气压力不足时，就会造成全厂仪表空气的停送，易使与该台空压机或该套空分装置没有任何关联的生产装置停车，造成很大的经济损失。从理论上来说，单机+储气罐模式的仪表气源供应，实质上是一路（空压机）供气，另一路（储气罐）只是事故状态下的安全停车气源，这对于有中间储罐供应下一工段物料，或者是间歇式生产的化工装置来说，其缺点非常明显：对连续性化工生产装置来说，上一工段停车会因为没有物料逼停下一工段乃至上游生产系统；对不连续或间歇式化工生产装置来说，任一工段停车短期内不会影响其他工段的生产，但若仪表气源出现故障，则会引起全厂生产装置停车。

3 仪表气源三冗余设计思路

3.1 仪表气源三冗余总体设计思路

借鉴DCS系统供电模式的配置，针对大型化、多模块的化工生产装置，提出其仪表气源采用三冗余供气的思路，即2台空压机（如果是电拖空压机，均为一级供电负荷；如果是汽拖空压机，2台空压机不能用同一台锅炉产出的动力蒸汽）+储气罐均压供气模式。正常情况下由1台空压机为全厂提供仪表气源，一旦供气管网压力低于某个设定值时，冗余供气管路的切断阀打开，两路气源同时为仪表空气管网供气；当气源管网压力持续降低达到某个设定值时，可能是两路供气空压机同时出现了故障，此时空气储罐出口切断阀会打开，由空气储罐提供事故状态下的停车气源。

3.1.1 仪表气源三冗余设计方案一

三路气源供气，一路供气的空压机（空压机Ⅰ）出口（设有止逆阀）直通仪表气源管网；另一路冗余供气的空压机（空压机Ⅱ）出口通过电动切断阀（位于空压机Ⅱ出口止逆阀后）与仪表气源管网相通，正常生产时空压机Ⅱ出口电动切断阀关闭。值得一提的是，如果是电拖空压机，正常供气的空压机（空压机Ⅰ）电源与冗余供气的空压机（空压机Ⅱ）出口电动切断阀电源不应是同一个回路的电源，否则当这一路电源故障时，空压机Ⅰ停机，空压机Ⅱ出口电动切断阀也因电源故障打不开；同理，在空气储罐出口也加装电动切断阀，正常生产时空气储罐出口电动切断阀关闭，整个储罐系统处于充压静止状态。仪表空气管道上加装的切断阀采用电动而不是气动，主要是避免气源管路突然大幅泄漏或排放以及空压机故障引起管网压力突降时出现切断阀打不开的情况。

3.1.2 仪表气源三冗余设计方案二

上述方案一中，空压机Ⅰ是供送仪表空气的主设备，空压机Ⅱ属于备用气源的供送设备，只有当空压机Ⅰ出现故障时，空压机Ⅱ才会向仪表空气管网供气。为使管网切换更具可操作性，三路气源供气设计方案二将空压机Ⅰ与空压机Ⅱ供送仪表气源设计为互为冗余。具体而言就是，空压机Ⅰ出口供气管线止逆阀后增设1台电动切断阀（Ⅰ），即空压机Ⅰ出口仪表空气经止逆阀、电动切断阀（Ⅰ）后并入仪表空气管网，同样空压机Ⅱ出口仪表空气也经止逆阀、电动切断阀（Ⅱ）后并入仪表空气管网，由于空压机Ⅰ和空压机Ⅱ出口均安装有电动切断阀，当仪表空气管网压力低于某个设定值时，电动切断阀Ⅰ、电动切断阀Ⅱ同时自动打开，两路气源同时为仪表空气管网供气，待气源管网压力正常后，由工艺人员选择手动关闭其中一路的电动切断阀。

3.2 仪表气源三冗余逻辑控制思路及实现

一般的联锁回路中大多采用三取中，鉴于仪表气源压力低则无法正常驱动执行机构的特点，提出气源压力低三取低思路，即在仪表气源不同位置的最远端设置3个（或大于3个）仪表气源压力测量点，当其中一个测点的压力值低于某个值时，联锁动作，冗余供气的空压机出口电动切断阀打开，两路气源同时为仪表空气管网供气，经过处理当仪表空气管网压力恢复正常后，手动关闭其中一路供气的空压机出口电动切断阀。如果某一个测点的压力变送器或测量元件出现故障致压力指示虚低，也没有关系，这时冗余供气管路的电动切断阀打开，会出现两路同时供气的状况，如此也不会对整个生产系统有不良影响；当DCS系统出现冗余气源供气电动切断阀打开和某一点气源压力低报警后，工艺和仪表人员会同时检查气源管网运行情况，排除仪表故障后，恢复单路正常供气。空气储罐出口电动切断阀的打开与关闭也是同样的道理。

仪表气源三冗余设计方案二之三取低逻辑图如图1。

图1 仪表气源三冗余设计方案二之三取低逻辑图

在图1中，当任意一路仪表气源压力低于0.65 MPa时，空压机Ⅰ和空压机Ⅱ出口电动切断阀自动打开，由于正常生产中其中一路已经是打开的，真正打开的是备用冗余气源的电动切断阀，此时由两路气源同时为仪表空气管网供气；如果仪表空气管网压力继续降低，当任意一路仪表气源压力低于0.6 MPa时，空气储罐出口电动切断阀会打开，此时表面上由三路气源同时为仪表空气管网供气，可实际上因正常供气的两路（空压机）气源已经没有足够的压力将气源送入仪表空气管网，仪表空气管网实际上主要是由空气储罐在供气，以便安全地使化工装置停车或赢得故障排除的时间。这里设置的0.65 MPa和0.6 MPa只是举例，可根据实际情况具体设定，也可以是DCS系统里的低报警值和低低报警值；设置手动开阀／关闭按钮，主要是满足仪表人员对电动切断阀安装调试、回路联校的需要。

3.3 仪表气源三冗余设计方案的效益分析

化工企业因仪表气源中断造成生产装置停车的案例比比皆是，对于大型化工企业来说，单元系统停车造成的损失相对较小，而全厂停车事故损失则至少达几十万甚至几百万元。甘肃刘化（集团）有限责任公司主产品产能为400 kt／a合成氨、700 kt／a尿素和100 kt／a甲醇，平常运行的装置主要有2套空分装置、1套转化系统（3台气化炉，采用天然气直烧工艺）、3套氨合成系统、3套尿素装置和1套甲醇装置。2016年5月，在线运行的18 000 m3／h空分装置之空压机故障停车，仪表空气气源中断，由于生产装置仪表气源由18 000 m3／h空分装置供应，7 000 m3／h空分装置外送仪表空气未接入仪表气源主管网，上游供气中断后，只有7 000 m3／h空分装置未受影响正常运行，其余生产装置依靠储气罐仪表空气实现安全停车，造成经济损失约110万元。2021年4月，在靖远煤业集团刘化化工有限公司煤化工项目初步设计审图会上，由笔者提出的“仪表空气三路气源供气设计方案”得到了与会专家的一致认可，将在靖远煤业集团刘化化工有限公司煤化工项目中得到应用。

仪表气源三冗余设计思路，是在现有单机+储气罐供气模式的基础上增加一路仪表空气的供应管路，除了增加一些管道外，主要是需增加1台或2台电动切断阀，在DCS系统中做一些组态，投资不过几万元。在原来一路正常供气和一路空气储罐事故供气的基础上，增加一路冗余的供气管路，据运行机制，三路供气管路相互独立。从概率上讲，记事件Ai（i=1，2，3）为第i条供气管路发生故障，假设发生的概率为pi（0≤pi≤1）且独立同分布，则停车事件A可表示为A=A1′A2A3+A1A2′A3+A1A2A3′（式中：Ai′表示事件Ai的对立事件，发生的概率为1-pi），那么事件A发生的概率为p（A）=（1-p1）p2p3+p1（1-p2）p3+p1p2（1-p3）。例如：在两路供气气源（1台空压机+储气罐）的情况下，假设p1=0.1、p2=0（即第二路气源——空气储罐不会出现故障），则停车的概率为0.1；升级为仪表气源三冗余供气（2台空压机+储气罐）后，假设p1=p2=0.1、p3=0（即第三路气源——空气储罐不会出现故障），则停车的概率为0.1×0.1=0.01。简言之，多增设一路气源，系统停车的概率降为两路气源供气停车概率的1／10。假如一个化工生产企业由于仪表气源引起的停车事故2 a发生一次，按照仪表气源三冗余设计思路技改后，因仪表气源问题引起的停车事故可减少到20 a发生一次。

4 结束语

无论是国家对“两重点一重大”化工装置和危险化学品储存设施要求配备独立的安全仪表系统，还是化工装置的事故空气储罐，其设计目的都是停车优先，以保证人员和设备及生产装置的安全。而从连续生产、确保生产的角度出发，这里提出的仪表气源三冗余设计思路，在仪表回路的执行单元，可大幅降低调节阀和气动切断阀因仪表气源压力过低而同时动作的概率。当然，要实现调节阀的准确定位与精准操作，对于仪表空气的品质也有相当高的要求，仪表空气不能带水、带油、含铁锈及焊渣等杂质，只有保证了仪表空气的压力和品质，才能延长自调阀、气动切断阀的稳定运行周期，从而达到长周期、稳定生产的目的。