安全仪表系统:解决测量过程的关键问题

2017-10-23  11:07:57

安全仪表系统:解决测量过程的关键问题






使用各种传感技术时,大多数问题都与方程的测量侧有关。本文考虑的几个案例,与石化行业以及其它行业常见应用中的压强和液位测量相关。在设计、多样性和诊断等方面的建议,可能并不适用于每一个案例,但总有一些相通的元素值得借鉴。


处理共因问题

过去十年, 关于SIS系统最佳实践的设计理念也在不断变化,由于其量化风险易于理解,因此得到ANSI/ISA-S84.01-2004的广泛接受。对测量来说,关键的挑战是找到与仪器性能有关的数据。尽管供应商经常提供据称是获得第三方认证的安全统计数据,但是这些数据通常从白皮书或实验室分析获得,适用于隔离、安装在实验室条件下的设备。

不幸的是,在真正的石化行业环境中,变送器对事件不正确响应、错误报告安全工况的风险,在现实世界中发生的可能性还是比较高的,例如:

  • 压力仪表脉冲管堵塞或冻结;

  • 由于低温而引起的传感器或毛细管响应缓慢;

  • 温度传感器涂层;

  • 一次流量元件的冲蚀或涂层;

  • 液位测量中的工艺流体密度变化。


      如果一个或多个类似的危险工况影响多个变送器(这就是所谓的共因问题),那么在典型的冗余安装中,这将会成为整个系统的主要风险。不幸的是这种情况经常发生,因为风险的根本原因通常是过程本身固有的特点。例如,管道堵塞的原因通常是过程液体本身比较脏,这些液体与特定工艺相连接的变送器接触,并对其造成一定的影响。

例如,一个危险的压力变送器发生故障,也就是说在实际工况已经超过安全限值的情况下,它却报告过程压力处于安全范围内。假设这种情况发生的概率是每年0.01次。那就意味着,如果同一个应用中安装了100个设备,那每年就有一个设备可能会发生这种危险故障。再扩展一下,假设将压力变送器连接到工艺过程的脉冲管线,其失效的概率是每年0.005。我们可以假设,因为都处于同一个环境中,如果某个与脉冲线连接的变送器堵塞、那与脉冲管线连接的其它变送器也会发生堵塞,这就是所谓的共因风险。


     简化计算显示,在配置冗余变送器时,共因故障是如何成为测量的主要安全风险的。因此,在同样的工况下,承受同样的环境问题,如果仅仅是增加变送器的数量,并不能显著的降低安全风险。在现实世界中,如果想要精确量化任何一种共因故障,是非常困难的,对新应用程序更是如此。因此,工程师应致力于采用设计、技术、多样性、以及智能传感器所具备的自诊断技术等方面的最佳实践,来减少每个常见的共因风险。


改进压力测量:设计和诊断



       一般而言,在安全应用中,安全工程师应尽量使用那些在基本过程控制中已经使用、有效性已经得到认证的应用。当然,随着时间的推移,用户和供应商对新技术(不论是优点还是缺点)的熟悉程度越来越高,最优实践也在不断发展变化。

      如前所述,压力变送器通常通过传感或脉冲线连接到过程中。利用这些管线,就可以将变送器安装在远离过程工艺的位置, 从而可以更好的保护这些变送器,也更易于维护。测量压差时(例如,利用流体元件或过滤器两侧的压力来测量封闭容器中的液位或压降),传感线允许将变送器安装在两个阀门之间。充满过程液体的传感管线被称为“湿管”,如果充满蒸汽,则被称之为“干管”。

      大多数用户会发现,因为湿管中的液体会蒸发或被污染,干燥管中的过程蒸汽则会冷凝,两者都需要经常维护。正是因为诸如此类的原因,很多用户用充油密封和填充毛细管来替换湿管或干管。

      如果过程和环境温度不同,那么随着两者之间的热交换,传感线的温度也会发生变化。如果过程持续保持较高温度,但环境温度却不断变化,就会使设计变得复杂,而这在户外安装环境中很常见。

      如果管线较短,在夏季的时候,只能耗散较少的热量,那就可能造成变送器过热或损坏。这通常是比较明显的故障,很容易被发现,但需要更换受损的变送器。另一方面,如果线路很长,冬天可能会消耗过多的热量。图1所示就是一种典型工况:环境温度为0℃,在160毫米长的管线内,液体温度可以降低到140℃。


图1:当环境温度下降时,即使在看似很短的传感管线上,热量的耗散也非常快。本文图片来源:艾默生过程控制


在到达传送器之前,随着温度的降低,过程流体或毛细管填充流体可能会变稠、结晶或分离。降低温度,会增加各种毛细管填充流体的粘稠度,就像石化加工行业中典型的工艺流体一样(见表1)。一般来说,沸点随着分子量的增加而增加,粘稠度也是如此。




表1:常见的毛细管填充流体性质


表1 中列出了常见的毛细管填充液体,并在给定温度、大气压力和粘度(CST)下,对它们的沸点作了比较。

       传感线或毛细管的粘度超出可接受的限值,会降低传感器对变化压力的响应速度。5米长的填充毛细管,内径为10毫米,填充小于5厘斯(CST)的流体,响应时间会增加1到2秒。同样的系统,如果流体粘度增加到大于150厘斯(CST) ,响应时间将增加到30秒以上。当然,如果系统被完全填充,那就根本不会有任何反应,但因为阻塞系统会保留以前的压力,可能并不容易被发现。

       即使变送器冗余配置,与工艺系统采用不同的物理连接方式,但传输管线往往具有相似的长度,并填充相同的流体。正因为如此,所有变送器通常会碰到类似的响应变慢或根本无反应的问题。当这一切发生时,如果过程压力变化很快,受损的装置测量值可能会明显不同于来自过程的压力,但逻辑运算器无法检测变送器之间的任何偏差。在这个例子中,如果在30秒内压力漂移就会引起安全风险(这是很常见的情况),安全系统不会及时触发停机,从而会导致安全事故的发生。

       即使有隔热材料,冬季室外的散热量也比夏季要快5到10倍。正因为如此,通常不可能设计出一组传管线,既可以避免夏季的过热,又能避免冬天的过冷。这就促使许多用户安装恒温控制的伴热传感线和毛细管道,以便保持最佳温度。但这会显著增加前期和持续的维护成本。


设计和诊断解决方案

       现代智能变送器内置了许多诊断功能。例如,一些制造商内置了“监听”过程的功能,并允许系统编译噪声配置文件以反应稳定和良好的运行过程。“监听”通过传感线进行,如果它们被堵塞,或者填充液体变得太粘稠,振幅就会减小甚至完全消失。随着时间的推移,所观察到的变化可以显示正在产生的问题,并且能够警示操作人员因传感线路阻塞而引起的可疑值。虽然这并不能解决问题,但在问题发生时它能发出警示。

      充分利用先进的设计,可以完全消除这个问题。较新的毛细管设计,在不影响响应时间的情况下,不再需要检测线加热。密封直接连接到含有热处理流体的容器或管道。对密封和内部铜管的设计进行优化,这样沿着管线就可以传递足够的热量,从而将填充物维持在一定的温度,以便在保证响应速度的同时而不会使变送器过热。

       对于温度非常高的工艺过程,或用户希望将变送器布置在远离工艺过程的位置,可能需要双油解决方案。在靠近热工艺过程的地方,使用高分子量的油,这样可以提供快速响应和高温稳定性。低分子量的油,如syltherm XLT,则用于中间密封之后,此时油已经冷却,并通过毛细管连接至变送器。低分子量流体可以在温度低于50℃的环境下保持低粘度,这样即使在最寒冷的气候条件下也能确保快速响应。这些新的单油和双油系统,展示了现代实践方式是如何在保持最小额外资本和运营成本的情况下消除重要共因风险的。


改善液位测量:技术多样性和诊断

       大多数压力仪表,使用相同的底层传感技术,因此通过改变基本测量技术来解决问题的方法少之又少。另一方面,有许多方法来测量液位,至少有十几种基本方法。因此,当安全仪表系统(SIS)依赖于可靠的液位测量时,有许多方法可供选择,每个方法都有自己的优点和缺点。这是一个优化技术多样性的绝佳机会。

       对于要求苛刻的应用,没有任何一项单一技术,可以解决所有的问题。为解决共因难题,需要使用多种技术:利用第二种不同的测量方法,作为第一种方法的备份。第二技术并不一定更好或更差。相反,它之所以被选中,是因为它的优点和缺点与第一种方式互为补充。

例如,锅炉汽包水位的应用。如果汽包水位过低,汽包可能过热并损坏。如果汽包水位过高,水就会被吸入蒸汽中,造成下游设备的损坏。考虑到这两种情况的严重后果,几乎所有锅炉都使用多个冗余液位测量装置。

       锅炉汽包水位的测量有两种常见技术;这两种技术都采用了压差原理:测量锅炉高、低点之间的静压头,以及机械浮子。尽管这种组合应用广泛,但当压力或温度变化时,两种技术都会产生误差。例如,当桶里的水变热时,它的密度变小。即使固定液位,水的密度降低也会导致浮子下浮,变送器读取的压力就变小,这就意味着较低的液位。正因为如此,在汽包压力或温度变化时,利用这些技术测量的液位就有明显的偏差(参见图2)。

图2:无论是差压/浮子,还是雷达料位仪表,都需要对精度进行补偿。对精度补偿的难易程度,是两者的一个主要区别。


      设计师对这些特性非常了解,并通常会内置某种形式的补偿。然而,这些方法在稳态条件下是最好的。但不幸的是,实际使用条件通常是动态的:负载波动、周期性的启动/关闭。通常补偿机制也往往不够快。更糟糕的是,当蒸汽流量从锅炉加速流出时,其压力是迅速增加的,这是因为沸腾的水起泡(膨胀),导致液位增加;而同时,水的密度下降,导致浮子或差压变送器读数偏低。这种测量与实际过程向相反方向运动的问题被称之为“反向反应”。反向(收缩)也可能发生,导致两个设备的读数都要高于实际液位。

      使用冗余差压变送器、浮筒并无裨益,因为所有设备都会受到共同原因——流体密度改变的影响。更好的方法是使用多样性技术,使用不受这种变化影响的技术作为备份,如导波雷达。

石化行业用户对导波雷达技术非常熟悉。应用该技术时,安装在容器顶部的发射器发出电磁脉冲,并沿着探测器向下引导。

      部分脉冲能量从液体表面反射回来,利用传输时间可以确定距离表面的距离。因为液体上方的蒸气空间,脉冲速度通常是恒定的(至少在石化行业应用中遇到的压力和温度条件下是这样),这种方法通常是有效的。

      然而,在高密度蒸汽测量中往往并不理想。因为高密度蒸汽的介电常数显著高于低密度蒸汽,这意味着与低密度的蒸汽、空气或碳氢化合物蒸气相比,脉冲速度明显降低。如果没有校正措施,这可能会导致较大的液位偏差。幸运的是,这种偏差可以用参数定义,然后通过内置于测量装置中的补偿措施加以校正。

图3:导波雷达料位仪表可以使用内置反射装置进行动态蒸汽补偿


       如图3所示,最新的导波雷达装置包括一个固定反射镜,其距离已知,通常布置在高位报警点,法兰10厘米以下。第一次使用这种固定反射镜,就是为了简化周期性检验。无需派遣技术人员爬上料箱去直观地验证液位,用户只需要简单地确认反射器总是在10厘米处就可以了。

导波雷达变送器不但能够利用4-20 mA模拟信号来提供料位,还可以通过HART协议提供反射镜距离以及其它诊断数据,这样就可以在不影响安全功能的情况下,为在线计算锅炉状态提供适当的修正系数,简单易行。如果此时,反射测量显示需要进行±1.46%的校正,那就将同样大小的补偿因子叠加到测量所得的料位上。

图4:某些导波雷达装置有一个集成的磁料位指示器和变送器,可以提供就地料位指示。


      工业锅炉的各种应用中,在整个操作范围内,包括在负荷波动和启动/停机周期中,该方法都被证明是有效的。导波雷达可以替代机械浮子,或者如图4所示,可以与磁料位指示器和变送器集成,以提供可视化的指示和冗余测量。

      为了实现安全可靠的过程,设计者必须确保在稳定和良好控制的过程之上,还有安全可靠的安全仪表系统。理解运营各领域的共因故障,并将其最小化是至关重要的。在设计测量的过程中,用户可以利用各种新技术来扩大多样性和诊断过程的范围。


本文来自于《控制工程中文版》(CONTROL ENGINEERING China )2017年9月刊《技术文章》栏目,原标题为:安全仪表系统:解决测量过程的关键问题