安全仪表系统在航天粉煤气化装置中的应用

张 成，张开然，刘 阳

(安徽晋煤中能化工股份有限公司 安徽临泉 236400)

安全仪表系统是一种自动保护系统，是由传感器、逻辑运算单元和最终控制元件组成的控制系统，设计用于当生产过程的预定条件受到冲击时，自动将其置于安全状态，以保障装置和人身安全，减少事故的发生[1]。近年来，随着国家对安全生产要求的不断提高，安全仪表系统已经成为保护人员和设备安全必不可少的措施[2]。笔者结合航天粉煤气化装置，从可靠性、安全性角度进行分析，阐述安全仪表系统的设计和应用。

1 安全仪表系统的可靠性分析

可靠性是指在规定的时间内发生故障的概率[3]。构成系统的任一环节发生故障，系统的可靠性都会降低，而系统各个环节自身的故障率又不可能为零，其结构特性、逻辑组态、外界环境的影响等都会影响其可靠性，但安全仪表系统又必须有较高的可靠性。为此，通过对系统故障的原因进行分析总结，以便不断完善，最大限度地提高可靠性，保障安全生产。

(1)设计阶段。因投资概算的限制、工艺系统流程设计的缺陷、仪表控制逻辑设计不合理等原因，致使安全仪表的可靠性降低，主要表现为：冗余容错结构不合理，满足不了安全保护的要求；仪表选型及设计安装位置不合理，造成仪表测量不准或仪表本身存在较大的安全隐患[4]；控制逻辑设计不合理，易造成停车事故的发生。

(2)安装调试阶段。施工安装时未按规范进行操作，产生仪表取压根部堵塞、仪表伴热无法正常投运、测点信号接触不良、电磁阀供电信号对地等问题，调试时又未按规范进行，造成停车事故的发生。

(3)维护管理阶段。安全仪表系统的操作维护规程制定不合理、人员技术性差等，如设备控制器、DO数字量卡件等重要部位出现轻微故障时，未能及时发现处理，直至事故的发生。

2 安全仪表系统在航天粉煤气化装置中的应用

2.1 装置概述

航天粉煤气化装置共分为5个单元，即磨煤及干燥单元(11单元)、粉煤加压及输送单元(12单元)、合成及洗涤单元(13单元)、灰水处理单元(14单元)、公用工程单元(30单元)，每个单元都有不同的任务。13单元是以干煤粉进料，纯氧和蒸汽为气化剂，经烧嘴进入气化炉内，在压力4.0 MPa、温度约1 500 ℃下进行气化反应，生成以CO和H2为主要成分的粗合成气，同时副产中压蒸汽。14单元负责将以熔渣形式排出气化炉的煤灰经水冷却、固化后通过锁斗卸压排放，并经捞渣机送出界区，系统排放的黑水送至闪蒸、沉降系统，以达到除去灰渣、回收热量及黑水再生循环使用的目的。由于该装置工艺流程的特殊性，其控制复杂，安全联锁较多。以13单元为例，对部分安全联锁进行说明。

2.2 现场仪表的设计

(1)检测元件。为减少仪表自身故障率及仪表测量不准造成的停车事故，对仪表空气压力、激冷水流量计、3条粉煤管线的联锁控制、氧管线压力等均采用三取二联锁方式进行控制，其变送器皆互相独立，检测信号分别进入安全仪表系统的3个独立卡件中。该配置方式尽管增加了投入成本，但大大提高了系统的安全性，避免了因线路故障、卡件故障、变送器故障等仪表问题而造成的停车事故，可以有效提高装置的安全性。

(2)执行元件。执行元件多为调节阀和切断阀，阀门采用冗余配置。从安全性和经济性考虑，航天粉煤加压气化装置既有1只调节阀和1只切断阀的冗余，也有2只切断阀的冗余；部分采用单一阀门的执行元件，其电磁阀也采用了冗余配置，1只电磁阀由操作人员从DCS上进行操作控制，另1只电磁阀由安全控制系统进行联锁动作，各阀门及电磁阀按照故障安全型设计，部分控制方式如下。

①1只调节阀和1只切断阀的冗余，如图1所示。V1302为汽包压力调节，13XV0043为高密封等级的球阀，该阀门为气关阀，正常工作情况下处于关闭状态，一旦汽包压力高于设定压力，阀门电磁联锁失电，阀门打开，13PV0040B进行压力调节，这样就可以有效避免安全事故的发生。

图1 1只调节阀和1只切断阀的冗余

②2只切断阀的冗余，如13单元渣锁斗排渣控制。如图2所示，固体灰渣在激冷室底部，被破渣机破碎后，经过2只锁斗阀(13XV-0613和13XV-0602)进入锁斗(V1303)。这2只锁斗阀中，13XV-0613是锁斗事故阀，处于常开状态，仅当由于激冷室液位低限联锁引起跳车时才关闭；13XV-0602为锁斗进口阀，该阀在锁斗收渣期间打开，接受激冷室中排入的灰渣，在锁斗排渣时关闭，从而周期性地将锁斗与气化炉隔离。这2只阀门进行冗余配置，可防止因阀门出现问题而造成的安全事故。

图2 2只切断阀的冗余及3只电磁阀的串联配置

③如图2所示，锁斗出口阀(13XV-0603)采用3只电磁阀的串联配置。当3只电磁阀都带电时，阀门才能被打开，锁斗内的渣才能排入渣池，3只电磁阀的任何一路失电都可以切断锁斗出口阀。电磁阀的串联结构提高了系统的可靠性，有效防止了因电磁阀故障而造成的事故。

2.3 安全仪表系统的设计

在航天粉煤气化装置中采用了霍尼韦尔公司的Safety Manager安全控制系统，具有四重冗余功能，其通过了第三方的权威认证，具有极高的安全性和有效性，即使设备出现故障，也可通过冗余等手段保证设备能够运行控制。该安全控制系统着重内部诊断，将硬件与软件相结合，能检测出系统本身的异常情况，可以诊断和显示系统的全部部件故障，并将故障信息显示在安全仪表系统的操作站上，以提醒仪表维修人员及时对故障进行处理，保障安全生产。为保证安全仪表系统的安全性，各电源及通信也均采用冗余配置，整个系统主要由1个系统柜、1个辅助柜、2台工程师站兼事件记录站和1个辅助操作台组成，系统柜、辅助柜及工程师站分别设置在独立的控制站和工程师站内，辅助操作台安装在气化主控操作室内，辅助操作台上安装有报警指示、灯屏信号、紧急停车按钮等，可以更醒目地提醒操作人员进行操作，以保障安全生产。

2.4 安装与施工

在安全仪表系统的应用中，一些不可量化的因素也决定着其安全性和可靠性，其中现场仪表的正确安装、接线、调试等都是非常重要的环节。如安装压力变送器时，其导压管、阀门、变送器、密封冲洗水、防冻伴热等各个环节的安装都应严格按规范进行施工，施工过程中各仪表接线、接线箱位置等都要按设计图纸进行准确标注，并保证仪表测点信号接线牢固可靠，防止仪表测点因信号接触不良、电磁阀供电信号对地等原因而造成停车事故的发生。施工后，各仪表要按规范进行调试记录，保证各仪表测量准确。

2.5 系统维护管理

根据系统原因分析可知，随着时间的推移，系统的故障率将会不断上升，合理有效地对系统各环节进行维护是非常必要的，如合理的备品备件数量、定期对ESD程序进行备份、仪表工每天对软件和硬件系统进行巡检排查、制定详细的维护管理规定等。在装置检修其间，对现场及控制柜内接线端子和接地极进行检查、对控制柜进行清灰、各联锁仪表点进行调校等是非常重要的。

3 结语

航天粉煤气化装置自2008年10月投产以来，其安全仪表系统一并投运。随着时间的推移，安全仪表系统的故障率正在逐渐提高，为避免因其出现故障而造成装置停车，每天定时对控制系统软件和硬件进行专项巡检，发现问题及时处理，将隐患消除在萌芽状态。目前，安全仪表系统运行正常，为装置的安全生产提供了可靠保障。