安全仪表系统在加压釜的应用

王雁飞，陈 贶

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 氧压浸出工艺简介

氧压浸出工艺过程分为物料准备、压力浸出、闪蒸、回收等工序。加压釜一般采用钢基体内衬耐酸耐温砖的结构形式，在钢基体与砖之间有厚膜做隔离保护[1]。加压釜内用隔板隔成4个隔室，每个隔室内配有搅拌器。

矿浆从第一隔仓进入后连续溢流至各隔仓内，在高温高压条件下，矿浆与酸液、蒸汽、空气或氧气等在搅拌作用下，发生一系列连续的化学反应。氧压浸出技术除了处理锌精矿之外，国内外也陆续用来提取Ni、Co、Mo、Cu和贵金属[2]。

该工艺技术相比其他技术有如下特点：(1)金属回收率高、有价金属综合回收好，最终资源得到最大化利用。(2)设备简单、工艺流程短。(3)属于环保型清洁生产工艺，符合国家建设资源节约型、环境友好型社会的宗旨，符合节能减排、发展循环经济的产业政策。

2 加压釜工艺控制现状

加压釜的设计、制造及使用的技术性很强，是要求在工作状态下工艺、设备、仪表联锁集散控制等多学科的综合交叉集合[3]。

现有的加压釜控制一般为常规的过程控制，当加压釜出现异常工况(超温、超压、超液位、泄漏)时，若操作员不能及时发现和处理会对设备和人员产生极大安全隐患。

氧压浸出工艺中的加压釜属于重大危险源，加压釜中的物料是高温腐蚀性液体，一旦泄漏，可能造成重大人员伤亡；加压釜内的氧气一旦泄漏后，遇到点火源(明火、火花、静电等)，可能引起火灾爆炸。根据有关资料，当人在危险时刻的判断和操作往往是滞后且不可靠的，当操作人员面临生命危险时，要在60 s内作出反应，错误决策的概率高达99.9%。如安全联锁和常规过程控制设置在同一控制器下，常规过程控制中出现的控制器或者网络故障，会影响安全联锁程序的执行，导致安全联锁程序失效，产生安全隐患。

3 项目安全仪表系统

某锌冶炼工厂采用艾默生过程控制的安全仪表系统(SIS)，将紧急停车系统里涉及的仪表阀门信号，以及安全联锁程序单独配置在此SIS系统里。安全仪表系统是指包括传感器、逻辑控制器和最终执行元件，按照一定的整体性安全度等级(SIL，Safety Integrity Level)能实现一个或多个安全功能的系统，用于监视生产装置或独立单元的操作，如果生产过程超出安全操作范围，可以使其进入安全状态，确保装置或独立单元具有一定的安全度。安全系统不同于批量控制、顺序控制及过程控制的工艺联锁，当过程变量(温度、压力、流量、液位等)超限，机械设备故障，系统本身故障或能源中断时，安全仪表系统使其进入预定的安全停车状态，从而保证人员、设备、生产和装置的安全。

3.1 DeltaV SIS功能及其与工厂DeltaV BPCS集成

艾默生的安全仪表系统产品为DeltaV SIS，是艾默生推出的TUV认证的新型整体回路概念的智能安全仪表系统，该产品安全等级能达到SIL 3(平均失效概率如表1所示)。同时简单直观的特点无需太多复杂步骤的组态，减少了组态过程中容易出现的错误，也有利于在现场的检查和调试工作。

表1 SIL各等级平均失效概率

该锌冶炼工厂除去SIS系统以外的仪表均采用FF总线形式，SIS系统以外的常规过程控制选用的DeltaV BPCS。由于SIS安全性的要求，在该SIS系统内的仪表选用4～20 mA+HART的形式。结合AMS的应用，DeltaV SIS逻辑控制器可以将HART信号数据送给AMS，给出更为清楚和详细的关于故障的描述，从而最优化操作和维护。通过和现场智能仪表的配合，用户可以进行预测性维护，这样就增加了装置过程的可用性，大大减少了因设备故障而发生的停车时间。

DeltaV SIS与DeltaV BPCS，集成但又完全独立。DeltaV提供了简单易用的组态工具既用于控制也用于安全，避免了两方都需要独立组态，然后还要进行数据通讯的复杂步骤。通过简单易用的组态工具，工程师浏览引用到所需要的位号和参数，就和在DeltaV里所做的一样，不再需要进行SIS和BPCS之间位号映射工作，也不需要进行任何诸于OPC或者其它的串行通讯的设置。另外，在常规过程控制的监控画面上需要显示SIS系统里的仪表数据(加压釜的液位，压力及各隔室温度)，而所有的SIS数据对BPCS来说都是可用并可直接引用的，充分满足了一个流程画面上对BPCS包括SIS数据同时显示的功能。这样就极大的简化了工程实施的过程。

图1 DeltaV SIS与DeltaV BPCS统一组态界面

3.2 项目SIS系统配置

该锌冶炼厂SIS系统由一套带冗余CPU和冗余电源的控制柜，模拟量输入卡件，数字量输入卡件，数字量输出卡件，上位机，现场检测仪表和控制阀，控制室内和现场设置的紧急停车按钮组成。控制阀含进料矿浆切断阀，排料切断阀，各隔室混合液管道切断阀，氧气缓冲罐入口阀，氧气缓冲罐出口阀。其他控制信号包括加料泵和冷却液泵的启停信号。检测仪表含加压釜核液位计，加压釜排气压力传感器，各隔室温度变送器。

图2 该锌冶炼工厂SIS系统机柜

通过分析以往的案例，安全应用中的大多数故障都发生在现场设备中，因此仅提高逻辑解算器的可靠性不能显著提高整个安全回路的可靠性。因此该项目采用了完整的SIS系统解决方案，包含独立于的DCS系统的逻辑解算器、符合IEC61508的传感器和执行单元。使整个系统的安全可靠性大大提高，为生产运行提供了强有力的保障。

3.3 加压釜紧急停车联锁设置

在紧急停车系统的联锁回路里，当加压釜核液位计的数值超过设定的高限值，加压釜排气压力传感器超过设定的高限值，各隔室温度变送器超过设定的高限值，或按下紧急停车按钮都会触发紧急停车系统的动作。紧急停车系统触发后将关闭进料矿浆切断阀，排料切断阀，各隔室混合液管道切断阀并停止给料泵和冷却液泵。

图3 紧急停车系统逻辑图

3.4 加压釜系统重点仪表

在整个氧压浸出生产过程中，加压釜的液位稳定对产量和浸出率的保证起到极其重要的作用。在生产过程中，如果液位过高会使高压釜中的压力骤然上升，造成紧急停车事故；高压釜液位过低又不能完全满足生产需求。因此高压釜的液位既是满足生产也是保证安全生产的重要因素。原设置为核液位计，由于加压釜属于压力容器，壁厚较厚，根据放射线需要穿过的各层物质的厚度及密度通常需要选择辐射剂量较大的Cs源甚至Co源。因此在射源的防护与维护方面也需要花费大量的人力物力。为此在原核液位计以外又增设了一台高频雷达液位计。由于考虑到该工况下雷达液位计的稳定性问题，该液位仅作为系统运行时的辅助参考液位，不进入紧急停车程序和参与联锁。

矿浆从高压釜排出的瞬间，大量液体汽化，形成高速汽、液、固三相混合体从阀门冲出，导致阀门的汽蚀磨损严重[4]。因此加压釜排料阀的选择是整个加压釜能否平稳运行的关键。该项目选用的是在以前加压釜项目中使用状况良好的进口排料阀。

考虑到进料阀门和进各隔室总管阀门的使用状况直接影响加压釜运行的安全性，因此针对上述阀门在控制系统中增加了阀门维护的程序。将阀门开闭的次数，每次阀门开闭所消耗的时间，每次阀门开闭时所承受的压力这些数据都引至阀门运行维护数据库中。当阀门的开闭次数达到预设的值时，就会弹出报警，提示操作人员注意阀门的运行状况。然后根据阀门的运行数据决定该阀门是继续使用，还是拆下来更换上备用阀门。

4 结语

基于以下几点原因，该工厂将涉及到加压釜安全的仪表信号，阀门控制信号引入到单独设置的紧急停车系统，并与常规过程控制系统分开，大大减少紧急停车系统失效的概率，有效的提升了加压釜运行的安全等级。

(1)降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当DCS部分故障时也不会危及安全保护系统；

(2)对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。这有利于保护设备，避免事故扩大；并有利于分辨事故原因记录。而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快；

(3)DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作；而紧急停车系统(ESD)是静态的，不需要人为干预，这样设置紧急停车系统可以避免人为误动作。

在项目前期，设计人员和加压釜运营人员一起对加压釜进行了危险与可操作性(HAZOP：Hazard Operability)分析。对影响事件和严重性等级，引发原因，引发可能性等做了仔细梳理。确定了该冶炼厂SIS系统内的仪表，阀门均选用通过SIL2等级认证的产品。同时SIS控制系统安全等级达到了SIL3等级。实践证明，安全回路中，大多数故障出现在现场仪表上，解决对现场仪表的诊断和校正是提高安全回路的关键所在[5]。在仪表日常的维护中，维护人员在办公室的操作站上安装艾默生AMS智能设备管理系统，对现场智能仪表设备潜在的故障进行诊断。

在日常维护保养中，仪表维修人员都注意检查机柜内各模块的运行指示状态，操作站及通信网络的运行状况。此外在每次加压釜停产检修期，仪表维护人员都对机柜内的模块进行断电并清扫除尘，同时对SIS系统内的IO通道和控制回路进行了测试，保证阀门动作和系统联锁程序的可靠性。在投产两年多的时间内，加压釜SIS系统运行可靠，有效的保证了加压釜的安全稳定生产。