仪表和控制系统工程设计的几个问题

叶向东

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

近十年来，中国新建和部分改、扩建的千万吨级炼油厂以及相应的百万吨级乙烯化工厂采用了单层次集中管理的运行模式，如： 不设工艺车间运行编制，工厂生产运行调度直接根据集团公司的加工要求下达运行操作指令；不设仪表车间等维修编制，采用委托外部公司维护和保养的方式。在减少了工厂人员编制、提高劳动效能的同时，也产生了技术水平下降、维护粗放等一些新问题。

国际上，欧洲、美国和日本近二十年来很少新建炼油厂，多数为改、扩建工程，情况与中国以往的多数炼油厂相似，中国石油化工工厂面临的问题，欧、美、日等国家同样存在。国外跨国石油公司的新建炼油厂大多建在中东和第三世界国家，部分就建在中国，运行和管理模式的变化与中国近十年所建的石油化工工厂类似，但由于项目背景，地域，经营方式、市场行为的不同，存在一些差异，且有些差异是截然不同的。分析和研究中国石油化工项目建设过程与国外同类工厂和项目的差异，有助于中国石油化工工厂仪表及自动化系统的设计和建设。

1 仪表及自动化系统在现代石油加工厂中的作用

为了实现自动化控制管理目标，自动化控制系统的基本要素是安全、可靠、有效、稳定、实时和准确。为了充分挖掘工艺流程和设备潜力，自动化控制系统的功能在过程控制的基础上向数据化、信息化工厂延伸，在实现稳定、便利、灵活操作的同时，分散了异常工况的风险，并按照不同管理部门的关注和需求对过程数据进行处理、提炼、加工和集成。

石油加工过程的流程经济收益特点：“经济收益”是“过程稳定”的函数。中国石化工业近十年来新建的一批千万吨级炼油厂、相应的百万吨级乙烯化工厂以及一些加工进口原油、改善加工适应性的大型改、扩建项目，充分证明了这一点。国外的石油加工厂更是强调以稳定运行为基础，这与近年来国内流行的一些供货商的宣传相悖。

工艺流程是工厂获取效益的关键，如果加工流程不合适，就不可能有经济效益。自动化仪表和过程控制系统是工厂自动化的基础，是稳定工艺过程运行、实现生产管理的重要保证。多年来，国内外的石油加工厂的经验证明： 首要的是合适的工艺加工流程，加上安全、平稳、自动、可靠、弹性的运行就能实现良好的经济效益，不取决于概念和装备是否先进。

片面宣传“网络开放和信息开放”的概念是错误的，是国外某些仪表公司对发展中国家的误导。企业的信息和生产数据并不是全部对外界开放的，企业的生产过程、关键技术和财务状况是企业的机密数据，不应对外界公开。为了生产安全，企业的内部网络和生产网络不得对外界开放。为了企业和工厂的运行安全和重要数据的安全，各级网络的设计和配置都必须高度重视数据和网络的安全。相比于国内的工厂，国外的工厂更是分层次保密的，没见到国外哪家连参观、照相都禁止的公司开放自己的内部网络和信息的。

中国的工程设计在借鉴国外技术的同时，也采取了一些适合国情的设计，即适合中国现有国情，并且有别于国外项目的设计风格和习惯。随着制造水平的提高和综合技术的发展，控制设备和系统的设计有简化的趋势，但舆论宣传却有复杂化的趋势，这也与市场发展的减缓和竞争有关。

2 技术壁垒和差异化问题

2.1 经济规模的极限

根据近十五年的研究和实践，石油加工厂单系列加工流程的经济规模是8～12 Mt/a的原油处理量，并且与原油性质密切相关，如果处理量过大，各类投资就会大幅度增加，工艺、设备、配管、仪表等都会出现很多问题，生产运行消耗和费用都会大量增加。因此，工厂和装置的“大型化”是有限制的，规模经济的原则就是单位原料加工的投资和运行成本最低，工艺和工程技术可行，静设备、动设备、仪表、配管等规格和投资适宜。

仅就仪表来说，装置规模过大会导致调节阀、流量计等仪表规格超出了制造能力；由于大规格级差产生的制造难度和成本要比小规格级差大得多，产生特殊制造、高成本、高故障率、调节品质变差等问题，同时也增加了生产运行期间的维护难度和工作量；备品备件采购和供应困难，订货周期长，并使采购和维护成本大幅度提高。

单系列装置规模应当适应经济规模处理量，根据原油性质的不同而有所差别。

燃料油型炼油项目的装置普遍比“炼油化工一体化”的同类装置大，有的规模要大1倍以上，由于原油性质的变化和劣质因素，设计难度更大。表1列出了近年来国内4家新建的石油加工厂的装置规模。由表1可见，加工流程决定装置规模。原油及油品加工装置比化工型装置规模更大。

12 Mt/a原油加工量的某炼油项目是国内目前规模最大的重质原油石油加工厂，是重质原油加工经济规模的极限。世界上最大的单系列石油加工厂的规模是13.5 Mt/a，已经显现出非经济规模的弊端。因此，石油加工装置和工厂并不单纯向“大规模、集约化”发展，千万吨级的单系列加工规模近三十年没有变化，超过经济规模加工量的大型石油加工厂均采用多系列加工流程。

中国某重质原油炼油项目由于原油性质的恶劣，加工流程的特殊，固定资产投资的费用要比国内同类先进炼油厂高30%，均摊成本使该炼油项目的产品效益从一开始就处于劣势。由于国际原油市场采购的不确定因素，国内炼油厂加工的进口原油变化复杂，技术难点更多。

拼接一体化并不代表有效集成方式，其自动化系统是分隔的，信息系统也是各自独立的。装置之间以热联合缓冲进料方式为经济集成方式。由于经济集成方式造成装置关联，使设备、配管复杂，增加生产运行协调的困难，自动化系统和信息系统的集成难度更大，所以经济集成方式并不多见。

从信息流的方面来看，工厂的装置是分成加工关联集群的，集群间的信息关联度和信息交换量很小。例如： 炼油装置群和化工装置群之间、重油加工装置群和产品精制装置群之间的数据交换量几乎为零。工厂管理的信息集合是分别从各装置群的控制系统汇集的，工厂的信息流是星形结构，或称为“树状”结构。因此，全厂控制系统和信息系统在过程控制层是不应连成一个网络的，这是一个重要的结论。

表1 装置加工量规模比较

由表1可见： 加工流程决定规模，原油及油品加工技术难点更多，虽然产品规格不多，仅仅是汽油、煤油、柴油等，但加工装置多。进口原油变化复杂，装置规模更大。

2.2 项目建设背景差异

面对劣质原油深加工的困难，中国的石油加工工业引进国外工艺专利，利用国外的先进技术，立足国内已有的技术进行配套、消化、吸收、创新、发展。

国外公司对中国的技术防范和封锁由来已久，对于中国没有的技术和工程方法，历来进行严密防范和封锁，重要的关键技术从不卖给中国。

20世纪70年代，中国打破了西方国家与中国的对立和对华全面封锁的僵局，才开始有机会和有条件地引进西方技术。但是，即便是可以卖的非尖端技术、非公开技术，除非引进或合资，国外公司同样不允许中国人了解和借鉴。有些卖给中国人的装备和技术，附加种种限制条件，核心技术仍然封装起来。

国外专利商为了高价销售后续设计和技术，卖给中国的技术常常是有所保留的，这给国内的基础设计和详细设计都设置了难题，例如： 某些专利包技术中的程序控制，通常都是“黑匣子”。

炼油项目的自动化集成和工程实施，也引进了国外的设备和软件，但引进范围之外的技术和工程方案，同样没有国外的详细技术可以借鉴。

某些合资项目会有国外技术人员的咨询和审查，也有一些工程规范和资料。但是，以中国自己技术为主的炼油项目通常没有这样的合资条件。

欧、美、日等国家已经近二十没有建设新炼油厂和石油化工厂，国外的新建厂大都设在中东和东南亚。这些工厂的原油背景、技术背景、环境背景、资金背景与西方国家不一样，即便这样，中国人也极少有机会参观这些工厂。相信别人的同时，也要相信自己，引进和借鉴国外技术时，不要忘了自己的发展，技术竞争如同战场博弈。

欧美发达国家永远不会把最先进、有核心竞争力的技术卖给中国。中国购买的技术是以高额经济利益为代价的，国际间工程技术的引进，永远为着高额经济利益。有些还以涉及意识形态成为封锁理由。

另一方面，中国的经济建设规模包括石油加工工业已达到世界规模和水平，有些国外公司利用中国的项目作为其技术和工程的试验场，在控制系统、仪表技术和设计观念上多有误导，是需要明辨和注意的。

垄断控制是永恒的经济行为，限制别人是真实的，限制自己是表面的，有些国家对中国的事物和评价一向采用不平等的双重标准，工程技术上也如此。

2.3 技术标准壁垒

利用标准、规范的国情差异化排斥别国(如中国)技术，炒作概念，推销高额利润产品是某些国外公司司空见惯的行为。

标准规范是有区域限制和时效限制的，没有通用标准，没有国际化的工程标准，所有的工程标准都是公司或行业的。IEC，ISO等国际标准都是技术类的建议或推荐，没有任何相关责任，多数是由协会、委员会、供货商联盟等非政府组织编制的，其中有科学、合理、先进的技术，也不乏错误和荒唐的地方。

中国国家法律、标准、行业标准、项目规定、合同等与所谓国际标准有着本质的不同，主要在于严格、规范、约束、责任等方面。

当相关标准没有或不健全时，有时会参考或借鉴他国或其他行业标准。学习和采用国际上的标准时需要思考和选择。最明显的例子就是防雷界的专家对IEC标准的质疑和纠正。

有些国际或国外标准版本更新频繁，一方面可能是技术发展很快，另一方面也说明该标准存在错误或者需要完善。

标准版本的更新是由于技术发展、存在错误、需要完善等原因，有些标准几十年不需要修改，有些标准几年就需要修改。

标准的重要职能之一是维护国家、地区、行业、集团、用户等的利益。很多标准是有一定的动机和背景的，其中不乏“技术壁垒”、“资格壁垒”、“经济壁垒”和“认证壁垒”。

很多国家法律和标准就是一种故意的壁垒，有些是对国家、主权、人民、财富的保护，有些则是对外界的防范、限制、歧视和削弱。自由贸易和经济共同区域都是有条件、有限制的。

标准的优先执行等级(由高到低)为： 国家和地区强制执行标准、法律法规；合同规定和项目规定；公司标准、用户标准；行业标准；国家一般标准；国际标准。

2.4 认证壁垒

最典型的认证壁垒就是安全仪表系统(SIS)的SIL等级认证，除了SIS的PLC设备认证以外，还涉及其他相关设备的认证。有些用户不明白其中的道理，或者为了设立排斥性“门槛”，甚至到了泛滥认证的地步。有的还宣称SIS设计人员必须要有资格认证，使SIS“神秘化”。

这种滥认证的根源之一就是中国目前还没有SIS设备的认证机构。TüV等认证的高额费用、时间的拖延、提供全部设计资料等行为使中国企业和一些没有获得认证的外国企业被挡在门外。实际上，国外的有些供应商也是被迫认证的，不认证就会被排斥。国外的某些供货商的设备通过认证以后，采用“打擦边球”的方式，在原型号的基础上升级，避免再次认证。为了节省费用和时间，软件、硬件的更新迟缓，同时不愿意向外提供关键的和核心的技术资料。

国内制造商难以逾越认证壁垒，严重影响国内相关制造技术的发展，至今少有起色。

IEC的标准本来就是推荐标准，多是技术标准，不是工程标准，TüV的认证大部分是资料和设计审查，没有试验认证。关于SIL等级的认证，有一位国外著名公司的安全专家说：“安全等级认证并不能保证或增加设备的可靠性和可用性，只是证明了故障安全特性。”

IEC 61508和IEC 61511没有提到SIS的设备需要认证，只表述了SIL等级的评价方法。

实际上，没有国际认证，只有国家和地区认证，为的是保护国家和地区的利益。有些国家没有专门的认证机构，借用或采用其他国家的认证，有的是经济贸易区兼容认证。有些国家和组织的认证机构有互认协议，例如防爆认证。

取得认证的供货商拼命鼓吹“必须认证”，这也使滥认证的舆论蔓延到变送器、通信设备、继电器等。

2.5 市场经济和企业行为的差异

发达国家的经济是国家法律框架下的市场经济；发展中国家的经济是国家法律框架和政府管理下的市场经济。市场经济和政府计划经济各有特点和用途。

危机状态下必须采用国家和政府接管控制，限制自由经济。例如： 美国次贷危机、日本福岛地震及核辐射危机、东南亚金融危机等。

中国原油进口依赖程度已经超过60%，原油来源和质量问题非常严重。工艺流程设计的时候必须考虑变化的情况，考虑掺炼各类中东含硫劣质原油。利益最大化是国外石油公司的唯一目的，生产计划主要根据和权重在于原油和成品油市场价格。

资本是逐利的，公司的社会活动和捐助也是有经济利益的，带有广告宣传性质。

中国成品油价格是国务院发改委定的，成品油出厂价和销售价不能随原油市场和成品油市场价格随意调整。一位国外著名石油公司的高级管理人员也承认： 中国“成品油的价格管制限制和冲击了炼油的利润”。

国有大型企业担负着国家和支柱产业的经济责任和社会责任，担负着国家防灾减灾和稳定经济的责任。成品油不能完全按经济利益调整生产，不能什么产品赚钱就优先提量生产，不赚钱的就减量，而是必须按照国内成品油市场的需要安排生产计划，首先保证国家经济稳定和民生需要。

在自动化技术集成的生产计划管理分项中，必须考虑这些差异，要在满足国家需要的框架和背景下，争取最大利益。这也是国企与国内的外资企业和合资企业不同的。

每一个方案、每一项措施，都以降低投资，提高安全性能、控制质量、经济效益为目标，一点一滴地消化、克服由于原油性质差、先天不足产生的劣势和困难，建设新型、高效、优质、经济、盈利的石油加工厂。充分考虑实际、应用、生产、运行、维护的过程和目的，从使用的角度设计、集成，而不是炒作概念、吹泡沫。

2.6 国外技术的国情差异

国外技术在中国应用的过程中，要结合中国的国情，有些国外工程技术本来也不一定先进。

例如： 国外很多SIS是不设人机接口和操作站的，当过程变量越限时自动联锁停装置。没有报警和联锁记录，不能使操作人员及时观察和注意报警状态，不知道联锁的具体过程和情况，直到联锁停车后才知道结果，也难于查找联锁原因，排除故障。

十多年前，中国石化工程建设公司针对这些弱项，在国内炼油厂的设计中，为SIS配备了操作站和报警显示屏，显示操作流程、联锁逻辑图和报警图，在操作站中记录过程报警、联锁报警和事件。

近十年来的项目取消了报警灯屏，直接利用操作站作为报警显示，重要的装置配备多台操作站，互相冗余，大大提高了SIS的报警可观察性，还设置了预警，并具有过程报警的可控性，提高了报警的可靠性和可用性，有了报警记录和存储，便于查询和追溯。国内有关SIS设计的优秀之处也得到了近期所做的国外项目业主的肯定，并在设计中采用了中国的做法。

中国人在引进、利用国外技术的时候，根据中国的特点用新的设计观念解决了石油化工厂的实际问题。

例如： SIS的信号远距离传输问题。早在2002年炼油设计就利用SIS的远程I/O结构，不再受中心控制室与现场机柜室之间距离的限制，从根本上解决了这个难题，同时节省了大量的信号线。

这种远程I/O结构方案为中国独创，有些国外著名SIS设备公司，甚至还没有这种方式，需要采用控制器通信互连方式实现，就是证明。

炼油项目在吸收国外技术和观念、引进设备和软件的过程中，也遇到国情差异的问题。例如： 工厂运行管理系统的众多软件模块，需要改变国外的设置和参数，结合炼油项目的实际加工方案和生产运行方案，修改甚至重新建立数学模型。

炼油项目的大型化是有限制的，国外的原油较轻，国内的进口劣质原油较重，某外国的原油重度甚至超过了水。同样的处理能力，轻油比重油的处理量要大，3 Mt/a的渣油催化大约相当于4.5 Mt/a的蜡油处理能力。

大型装置使仪表规格大型化，直接带来几何级数的高成本、高故障率、低调节品质。

东南亚、中东地区的石油化工项目以前不在意节约能源，火炬放空，蒸汽放空。近年来，也请中国公司实施改造，回收以往浪费的能源。

2.7 操作运行模式和维护模式的差异

国外炼油厂由于原油来源相对稳定，生产的运行操作在控制范围之内，超出控制范围时自动停车，尽量减少人力资源的开支。

国内炼油厂由于原油的变化，加工流程和方案经常调整，操作水平比国外高，超出控制范围时尽量调整回来，减少非计划停车，按需要配备人力资源。

运行模式不一样，导致控制系统和仪表的设计方案和配备也不一样。例如： 测量和联锁仪表及方案的设置，SIS的设置，火灾、可燃气体和有毒气体监测系统的设置，过程控制中自动控制和手动操作，控制室集中操作和办公化环境等。

国外的一些工厂不配置维护人员，采用委托维护的方式，同样感到“成本和工作量制约了工程和技术人员对技术的研究和学习”。

国内工厂也学习这种维护方式，减员增效，颇有成效，但是弊病不少。维护人员不稳定，对工厂不熟悉，应付合同，不负责任。不具备上岗资格的人员上岗，违章操作，事故增加，有些是恶性事故。技术人员素质下降，人才流失。

国外情况类似，由于供货商维护及社会维护公司和人员素质较好，结果稍好。也有采用原来模式的工厂，维护质量高，设备运行稳定。Exxon-Mobil公司的DCS日常维护就是以自己的控制工程师为主进行。某工厂的仪表及控制系统的维护人员有150多人，1985年投运的控制系统现在仍在完好使用。

国外的操作人员只注重运行，忽视了开工和应急处理。国内的操作人员水平和素质较高，因此，多年来，东南亚一些国家新建炼油厂有时到中国高薪聘用操作人员。国外的工厂严格出入管理，保卫人员佩带武器，单独编制。

2.8 防灾减灾方式和行为的差异

国内工厂的防灾减灾方式和行为与国外存在差异，尽管不是绝对的，有些也是相同的。

国外工厂应急处理方案是人员撤离，不管灾害现场，任其损失。消防人员的作用仅仅是防止火灾蔓延，并不主动处理灾害。操作工只负责正常操作运行，一般不负责开工，当然也不处理事故。一切善后由保险公司处理。所以，美国同类事故的经济损失比中国略高。工厂紧急情况主要依靠自动联锁保护，尽量减少对人员的依赖。

国内工厂的应急处理方案是保证人员安全的前提下，视情况采取预案，操作人员和消防人员主动处理事故，减少灾害损失。操作工不但负责正常操作运行，也是处理事故、防灾减灾的重要角色。

3 过度设计与不足设计

3.1 背 景

设计要满足工艺过程和设备的运行需要，满足安全生产、环境保护的要求，符合相应的法律、法规、标准、规范、规定，符合合同规定和要求，考虑满负荷、高质量、低能耗、宽裕度、适应性等需要。特别要注意非正常生产和异常工况的处理手段。近年来，越来越重视设置防灾减灾操作和措施，以及相应的控制方案。

近年来的工厂建设特点是检修周期延长、安全要求提高、人员水平下降、责任意识增加、技术交流有误导、施工质量降低、工程管理粗放、设计质量降低……等，这与中国经济快速发展、经济体制改革、意识形态变化、社会舆论放任、政府职能转变、工程投资宽裕等有关。

3.2 过度设计

以上原因都使得设计裕度比以前有所提高，但设计裕度过高会造成过度设计甚至不合理的设计。例如：

1) 压力等级提高。

2) 把批量控制、两位式控制、防火隔离等都放进安全仪表系统，造成滥用，反而使系统的性质和可靠性的容忍程度降低。不分应用场合指定高等级的机柜、电磁阀、继电器、电动阀等。

3) 不必要地进口高压孔板、高压热电偶、各类非标准节流装置、自力式调节阀等。

过度设计的明显缺点就是造成投资过高。

3.3 不足设计

不足设计的现象多发生在储运系统和公用工程。实质同样是不合理设计，有时并不表现出“不足”。有的不足设计反而使投资增加。例如：

1) 进口自力式调节阀代替国产调节阀、氮封阀。

2) 用开关代替变送器。

3) 全部采用DCS或PLC的装置，仍然采用报警灯屏。

4) 新建项目仍然采用PC机、二次表。

5) 在应该采用标准节流装置的场合，使用非标准节流装置。

3.4 注意避免过度设计与不足设计

设计人员要研究理解标准规范的内容和含义，理论与实践相结合，避免片面盲从理论和照搬经验。

注意仪表的适用范围和使用条件，特别是异常工况。例如： 蒸汽吹扫、施工垃圾、逻辑提量、小流量工况等。如果没有考虑异常工况，就容易造成不足设计。

技术交流要避免误导，兼听则明，偏信则暗，冷静思考。重视了解、引进、吸收国外先进技术，但不崇洋媚外、不迷信国外技术。引进国外技术要适合中国国情。

国外技术标准、规定有科学、先进的一面，也有不合适、错误的一面。需要注意标准规范的版本更新，有些版本的更新表明技术的更正和原版本的错误；有些版本更新表现技术的进步和趋于成熟。

3.5 注意故障和事故的真实原因

一旦发生设备和仪表的运行故障和生产事故，一定要实事求是、有根据地找出真实原因和引发因素，以便改进设计和避免错误重现。但是，事故调查和事故结论具有两重性： 真实和虚实。

由于故障和事故现场的突发性和复杂性，有些事故的真实原因无法查清，有时某些原因或虚假原因会掩盖真实原因。另外，鉴于公众影响、心理影响和处理结果，有些原因不便公开，这也造成事故调查和事故结论的复杂。此类现象会直接影响到未来的设计和决策。

例如： 某油罐发油管道破裂漏油，发生火灾，需要关闭油罐发油管道上的多台电动开关阀，但当时配电站的两路电源均发生故障停电，只能采用人工转动手轮的方式关阀。由于阀门口径很大，人工关阀费时费力，关闭1台阀门需要几十分钟，火场救灾紧急，形势严峻。后来调用了1台柴油发电机，接通了电路，才迅速关闭了多台电动开关阀。但是，媒体过分渲染关阀对于救火的重要和人工关阀的困难，忽视了火灾发生的根本原因。后来某管理部门发布了整改通知，规定用于油罐输油管道的电动开关阀必须防火，必须能够实现故障关阀功能，必须采用防火电缆。如果仅从这次事故相关的减灾措施来看，这就不是针对事故原因实事求是解决问题、消除原因的做法。

4 结束语

有限引进国外技术，充分利用国内技术和条件，采取自行设计、自主集成、自主项目管理、自主建设的模式，发挥国内石油化工自动化设计、建设技术力量的能力和水平，走有针对性地引进、分析、研究、开发、创新的技术路线，建设国内经济规模炼油项目。

重视了解、引进、吸收国外先进技术，要考虑差异化问题，不崇洋媚外、不迷信国外技术，相信别人的同时，也要相信自己，引进和借鉴国外技术时，不要忘了自己的发展。

标准规范是有一定的背景的，其中不乏“技术壁垒”、“资格壁垒”、“经济壁垒”和“认证壁垒”。

很多国家的法律和标准就是一种故意的壁垒，有些是对国家、主权、人民、财富的保护，有些则是对外界的防范、限制、歧视和削弱。

石油化工工厂的设计、建设、运行必须安全第一，不但要考虑平时正常情况，也要考虑到异常情况，考虑防灾减灾，要有常备不懈的防范意识，要从国家利益和工厂安全的角度考虑。

要技术优先，不要印象优先；要科学分析、不要感觉用事；要实事求是，不要敷衍了事。

石油化工工厂的工程建设要符合国情、民情、厂情。

参考文献：

[1] 侯凯锋，叶向东.大型炼油厂的自动化和信息集成[J].石油化工自动化，2002，38(05)： 1-4.

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[4] 叶向东.现代化石油加工厂自动化系统工程设计和建设[J].石油化工自动化，2012，48(04)： 1-6.