精细化工自动化仪表选型研究

窦 凯

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450）

随着科学技术的不断进步和产业结构的持续升级，精细化工行业得到了快速发展。精细化工是现代化学工业的重要组成部分，其产品种类多样、附加值高，在国民经济中占据十分重要的地位[1]。精细化工生产过程的复杂性与特殊性，对自动化仪表的选型提出了特殊要求。不同于常规的化学工业，精细化工对自动化仪表的测量精度、响应速度、稳定性及可靠性等都有着更高的要求。同时，精细化工生产环境复杂，涉及易燃、易爆、腐蚀性介质，这对仪表的防爆性能与材料的兼容性提出了特殊要求。

1 精细化工自动化仪表概述

1.1 自动化仪表的分类

自动化仪表是实现工业生产过程自动检测、控制与优化的重要设备。按照测量对象和功能，自动化仪表可以分为多种类型。

根据测量对象可以将自动化仪表分为物理量测量仪表和分析仪表。其中，物理量测量仪表包括温度仪表（热电偶、热电阻等）、压力仪表（差压变送器、压力变送器等）、流量仪表（差压流量计、电磁流量计、质量流量计等）、液位仪表（浮球液位计、静压液位计、雷达液位计等）；分析仪表包括pH 计、电导率仪、在线色谱仪、近红外分析仪等[2]。

根据功能可以将自动化仪表分为测量仪表、执行机构和控制器。其中，测量仪表包括温度变送器、压力变送器、流量计等，执行机构包括调节阀、变频器等，控制器包括比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、分散控制系统（Distributed Control System，DCS）等。

随着计算机技术和网络通信的发展，现代自动化仪表逐步实现了数字化、智能化，基于现场总线、以太网等通信方式的集散控制系统得到推广应用，极大地提升了自动化仪表的集成度与控制性能。

1.2 精细化工对自动化仪表的需求特性

精细化工生产过程具有工艺复杂、产品附加值高、质量要求严格等特点，对自动化仪表提出了特殊需求。首先，精细化工生产涉及大量物理化学反应，温度、压力、流量、液位等参数的测量与控制直接影响产品质量与收率。据统计，在精细化工生产中，关键工艺参数测量误差每降低1%，产品收率可提升0.5%～1.5%[3]。因此，精细化工生产对自动化仪表的测量精度和重复性有着极高的要求，一般要求测量误差小于1.0%，重复性误差小于0.5%。其次，精细化工生产过程动态特性复杂，工艺参数变化快，对自动化仪表的响应速度提出了更高要求。再次，精细化工中存在大量易燃、易爆、腐蚀性介质，自动化仪表必须具备可靠的防爆、耐腐蚀性能。最后，精细化工生产环境复杂，温度、湿度变化大，对自动化仪表的环境适应性提出了严苛要求。

2 精细化工自动化仪表的选型原则

精细化工自动化仪表选型是一项复杂的系统工程，需要综合考虑工艺需求、技术性能、经济成本等多方面因素，遵循科学合理的选型原则，只有这样才能确保自动化仪表可靠运行并发挥最佳性能[4]。首先，自动化仪表选型必须满足工艺要求，要根据生产工艺的特点和控制需求，选择最匹配的仪表类型和规格。例如，对于精度要求高的关键测量点，应优先选用高精度、高稳定性的仪表，如气体质量流量计的测量不确定度需要达到±0.2%，而对于一般测量点，可以选用精度等级稍低的仪表，在满足工艺要求的同时兼顾经济性。其次，自动化仪表选型需要全面衡量技术性能指标，如测量范围、精度等级、响应时间、稳定性、安全等级等。再次，自动化仪表的精度等级需与工艺控制精度相匹配，如精细化工过程控制一般要求仪表的精度等级优于0.5 级。最后，自动化仪表选型需要考虑经济性因素，综合评估仪表的购置成本、安装成本、运维成本，选择性价比最高的仪表产品。在满足工艺要求和技术性能的前提下，通过对比不同厂家、不同型号仪表的价格和使用寿命，选择最为经济实用的仪表，以降低自动化仪表的全生命周期成本。此外，仪表选型需要考虑标准化、集成化因素，优先选择符合国际标准和国家标准的仪表产品，提高互换性和互操作性。

3 精细化工自动化仪表的选型策略与方法

3.1 基于工艺特性匹配的自动化仪表选型策略

精细化工自动化仪表选型的首要条件是满足工艺要求，即要根据生产工艺的特点和控制需求，选择性能最佳、参数最优的仪表产品。这就需要深入分析工艺过程，准确提炼工艺参数与仪表性能的对应关系，制定合理的仪表选型策略[5]。

首先，全面调研和分析精细化工生产工艺，明确每个工序的原理、流程、物料平衡，以及关键工艺参数的测控需求，并提炼出自动化仪表的技术规范，包括测量对象、测量范围、精度等级、响应时间、安全等级等。例如，在硝化反应工序，温度测量范围为0～150 ℃，要求测量误差小于1 ℃，压强测量范围为0.1～0.5 MPa，测量误差小于0.5%FS，且压力变送器必须满足隔爆型防爆等级。

其次，根据工艺特点分类关键测控点，有针对性地制定仪表选型方案。通常，对于连续生产工艺应选用在线式自动化仪表，以实现实时、连续测量和闭环控制；对于间歇生产工艺，可以选用便携式或实验室分析仪表，定期抽样检测关键工艺参数。

再次，对于精细化工生产中普遍存在的特殊工况，如高温高压、真空、多相流、强腐蚀性介质等，需要有针对性地选用专用仪表。例如：对于高温高压环境，压力变送器可以选用耐高温型陶瓷压阻式传感器，而流量测量宜采用高温型涡街流量计或质量流量计；对于真空环境，需要选用专门的真空计，如电容膜片式真空计或热导真空计等。

最后，对精细化工生产中的关键质量控制点，如反应终点、物料纯度等，应优先配置先进的在线分析仪表，在工艺过程中实时监测产品质量，及时优化调整工艺参数，从而稳定产品质量、提高收率。

3.2 考虑安全性与可靠性的自动化仪表选择方法

安全性与可靠性是精细化工自动化仪表选型的核心要素，直接关系生产过程的安全和设备的长周期、稳定运行。为确保自动化仪表的安全性与可靠性，选型时必须严格遵循相关标准规范，并采用系统的分析方法和科学的评估工具，综合权衡各种影响因素，力求做出最优决策。

严格遵循国家和行业标准，选用符合安全要求的防爆型、本安型自动化仪表。《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB 50058—2014）中明确规定，在爆炸性气体环境中，自动化仪表的防爆等级须达到隔爆型或本质安全型，并获得防爆合格证。据统计，采用符合标准的防爆仪表，可以将爆炸事故风险降低90%以上。

同时，要采用失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA）方法，系统识别自动化仪表的潜在失效模式及其原因和后果，制定预防和缓解措施。以pH 计选型为例，FMEA 表明，pH电极的失效模式主要包括电极污染、破损、老化等，失效原因涉及高温腐蚀、机械应力、缓冲液污染等，失效会导致pH 测量失灵、产品质量下降等，因此必须选用耐高温、抗污染的复合pH 电极，并定期清洗、校准和更换电极，以延长其使用寿命，提升可靠性。此外，开展加速寿命试验和可靠性测试，能够了解自动化仪表在恶劣工况下的安全性和可靠性。

3.3 经济性与生命周期评估下的自动化仪表优化选型

经济性与生命周期评估下的自动化仪表优化选型需要采用全局性、系统性的思维方式，综合考虑仪表性能、成本、管理等多重因素，实现投入产出最优化。这一过程并非是简单的价格比较，而是涉及仪表全生命周期的成本管控与效益评估。

生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）分析法提供了一个科学的决策框架，能够量化评估仪表从设计、采购到报废全过程的总成本，揭示隐性成本对经济性的影响。例如，高端智能流量计虽然购置成本较高，但检定周期长、维护需求低、使用寿命在10 年以上，从生命周期来看，其经济性反而优于价格低廉但因频繁故障而需要经常更换的普通流量计。

仪表经济性评估不能只停留在自身成本层面，而应放眼生产全局，审视其对运营绩效的综合影响。总体拥有成本（Total Cost of Ownership，TCO）分析模型为此提供了有力工具，它将仪表性能与能耗、质量、产量等生产要素有机联系起来，定量评估仪表对企业经济效益的贡献度。例如，压缩空气是化工企业的常用工艺介质，空压机系统的年耗电量巨大，而选用高精度、低压损的压力变送器和流量计，可以有效降低管网漏损，每年可节省5%以上的电能，带来的间接经济效益远超仪表购置成本。因此，在进行经济性评估时，应构建完整的TCO 模型，客观分析仪表性能与运营成本的关联度，辨识关键影响因素，选择综合经济效益最高的仪表方案。

信息技术的发展也为自动化仪表全生命周期的精细化管理提供了新思路、新方法。智能运维管理系统集成了状态监测、故障诊断、预测性维护等功能，通过大数据分析和专家经验，持续优化仪表运维策略，最大限度缩短计划外停机时间，延长使用寿命，进而大幅降低生命周期内的运维成本。

3.4 环境适应性与维护便利性为导向的仪表选型考量

环境适应性与维护便利性是自动化仪表选型中不可忽视的两大要素，直接影响仪表的测量稳定性、使用寿命和维护成本。精细化工生产环境通常具有高温、高压、腐蚀、振动、电磁干扰等特点，对仪表的环境适应能力提出了严苛要求。如何在恶劣工况下确保仪表可靠运行，同时兼顾维护的便捷性，最大限度减少检修工作量和停工损失，已成为业界关注的焦点。要想实现此目标，需要在选型时着眼于产品的长期使用性能，综合考量其环境适应性与维护便利性，实现生命周期内综合效益最大化。

在环境适应性方面，应优先采用具有耐高温、耐腐蚀、抗干扰结构和材料的仪表产品。例如：针对高温环境，可以选用耐高温合金或陶瓷材质的热电偶、热电阻等温度传感器，其长期工作温度可在600 ℃以上；针对强腐蚀性介质，可以选用哈氏合金、钛合金、钽合金等耐蚀材质的压力变送器，并配备隔离膜片、填充液等保护措施，有效隔离腐蚀性介质对传感器的侵蚀。同时，应关注仪表的防护等级和电磁兼容性。根据国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标准，仪表防护等级分为网际互连协议（Internet Protocol，IP）代码和NEMA 代码两种，数字越大，防护性能越高。对于多尘、潮湿、有腐蚀性气体的场合，仪表防护等级应为IP65 及以上。据统计，将压力变送器的防护等级从IP65 提高到IP67，其平均无故障时间可提高30%以上。电磁兼容性对于自动化仪表至关重要，特别是在高压变频器等强电磁干扰环境下。选用符合电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）标准的仪表，并采取屏蔽、接地、隔离等综合防护措施，可以显著增强抗干扰能力，避免出现误动作和失控事故。

在维护便利性方面，应选择采用模块化、标准化设计的仪表产品，并配备智能诊断和远程维护功能，最大限度降低检修的工作量和技能要求。

4 结语

精细化工自动化仪表的选型是一项复杂的系统工程，需要综合考虑工艺需求、技术性能、安全可靠性、经济性、环境适应性、维护便利性等多方面因素。文章分析了精细化工生产过程对自动化仪表的特殊需求，提出了基本选型理念，并从工艺特性匹配、安全性与可靠性分析、经济性与生命周期评估、环境适应性与维护便利性考量等角度，探讨了精细化工自动化仪表的选型策略与方法。未来，随着信息技术与自动化技术的深度融合，现代智能仪表和集成自动化系统在精细化工行业必将得到更加广泛的应用。智能化、数字化、网络化将成为精细化工自动化仪表发展的三大趋势。