銅冶煉企業(yè)設(shè)備安全等級(jí)提升實(shí)踐

曹戰(zhàn)飛

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、危險(xiǎn)性高的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，安全一直是企業(yè)最為關(guān)注的話題。為確保企業(yè)生產(chǎn)過程的安全，安全儀表系統(tǒng)（Safety instrumented System，簡(jiǎn)稱SIS）已越來越多地得到重視，并廣泛應(yīng)用于石化、天然氣等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中，用于保護(hù)人員、設(shè)備、環(huán)境及財(cái)產(chǎn)安全。

然而在冶金行業(yè)SIS并沒有廣泛應(yīng)用，更多使用的是DCS或PLC。SIS與DCS的區(qū)別：整體而言，他們都是由控制系統(tǒng)硬件和軟件+現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成，功能不同（SIS用于監(jiān)視生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀況，對(duì)出現(xiàn)異常工況迅速進(jìn)行處理，使危害降到最低，使人員和生產(chǎn)裝置處于安全狀態(tài)。DCS用于生產(chǎn)過程的連續(xù)測(cè)量、常規(guī)控制（連續(xù)、順序、間歇等）、操作控制管理，保證生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行）；SIS對(duì)軟硬件和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的要求遠(yuǎn)高于DCS。一般SIS比DCS的安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level），英文縮寫為SIL）更高并且需要安全認(rèn)證。

2 貴冶關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀

貴冶的整個(gè)生產(chǎn)過程使用了大量DCS和PLC，同樣沒有使用SIS。許多關(guān)鍵設(shè)備（比如：制氧工序的空壓機(jī)、動(dòng)力中心的送風(fēng)機(jī)、熔煉工序的排風(fēng)機(jī)、硫酸工序的SO2風(fēng)機(jī)等）是否正常運(yùn)行直接關(guān)系到工廠整個(gè)生產(chǎn)過程。

這些關(guān)鍵設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)測(cè)點(diǎn)主要有溫度、壓力、振動(dòng)、位移等。聯(lián)鎖方式均為一選一。以硫酸3#SO2風(fēng)機(jī)的溫度及壓力為例，其聯(lián)鎖邏輯關(guān)系如圖1。3#SO2風(fēng)機(jī)共12個(gè)現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)元件（單支PT100熱電阻），1個(gè)壓力檢測(cè)元件（壓力變送器），任意一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)高高報(bào)或者壓力測(cè)點(diǎn)低低報(bào)均會(huì)觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)信號(hào)發(fā)出，最終造成3#SO2風(fēng)機(jī)停機(jī)。

其它關(guān)鍵設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系與3#SO2風(fēng)機(jī)基本相同，部分設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)配置的溫度檢測(cè)元件為雙支PT100熱電阻，但其聯(lián)鎖方式仍然為一選一方式。

表1 關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)情況統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)表如表1。表1中統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)故障，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)排查，75%以上為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件故障或信號(hào)誤動(dòng)作造成的。

圖1 原3#SO2風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖邏輯關(guān)系圖

3 原因分析

隨著工廠越來越重視高作業(yè)率、高安全性的生產(chǎn)管理，目前這些關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖系統(tǒng)的SIL等級(jí)已經(jīng)無法滿足需要。因此，提高關(guān)鍵設(shè)備SIL，保障關(guān)鍵設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行，更好的為工廠的生產(chǎn)服務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。

SIL等級(jí)共分為4級(jí)，SIL4安全級(jí)別最高，SIL1安全級(jí)別最低［1]。具體劃分參照表2

表2 SIL定義表

隱故障是指該動(dòng)而拒動(dòng)，不對(duì)危險(xiǎn)產(chǎn)生報(bào)警，允許危險(xiǎn)發(fā)展的故障，是危險(xiǎn)故障。隱故障概率越高，安全性越差。顯故障是指不該動(dòng)而誤動(dòng)，能顯示出故障自身存在的故障，是安全故障。顯故障概率越高，可用性越差［2]。

顯然，之前出現(xiàn)的多數(shù)聯(lián)鎖停機(jī)故障都是由于系統(tǒng)顯故障概率過高，造成了無謂的關(guān)鍵設(shè)備停機(jī)事故。針對(duì)這種情況，需要降低系統(tǒng)的顯故障概率，并且不能提高系統(tǒng)的隱故障概率，才能達(dá)到既避免無謂停機(jī)，且保證關(guān)鍵設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的目的［3]。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表配置情況，對(duì)照表3，再次驗(yàn)證了目前在用的關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖方式等級(jí)較低，無法適應(yīng)工廠高作業(yè)率的生產(chǎn)需求，需優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖方案。

4 解決方案

針對(duì)分析出的問題，需要系統(tǒng)地考慮提高工廠關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行可靠性，降低設(shè)備誤停機(jī)概率的方案，主要從優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)、外部聯(lián)鎖、冗余配置、重要報(bào)警信息推送等方面開展工作。

4.1 關(guān)鍵設(shè)備本體內(nèi)部聯(lián)鎖方式的優(yōu)化

4.1.1 聯(lián)鎖方式由“一選一”修改為“三選二”［4]以硫酸3#SO2風(fēng)機(jī)為例：通過將原有設(shè)備上外裝的檢測(cè)元件的數(shù)量由1增加為3（并聯(lián)冗余），將原來的單支PT100熱電阻更換為3支PT100熱電阻，也就是物理位置上一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)可引出3個(gè)溫度信號(hào)；潤(rùn)滑油壓力由1臺(tái)壓力變送器增加至3臺(tái)。聯(lián)鎖方式升級(jí)為“三選二”。僅以活動(dòng)軸承溫度為例介紹新的“三選二”聯(lián)鎖邏輯關(guān)系如圖2。圖2中的輸出替換圖1中的第一路輸入，其余溫度、壓力測(cè)點(diǎn)采用同樣的方式，最終匯總形成了3#SO2風(fēng)機(jī)高等級(jí)聯(lián)鎖。大大降低了設(shè)備的聯(lián)鎖誤動(dòng)作停機(jī)概率，并且提高了設(shè)備安全性。

圖2 3#SO2風(fēng)機(jī)活動(dòng)軸承溫度聯(lián)鎖邏輯圖

4.1.2 聯(lián)鎖方式由“一選一”修改為“二選二”

以硫酸四系列SO2風(fēng)機(jī)為例：針對(duì)原有設(shè)備檢測(cè)元件為內(nèi)裝型的情況，通過將原有檢測(cè)元件雙支中備用的信號(hào)也引入DCS系統(tǒng)，聯(lián)鎖方式升級(jí)為“二選二”。僅以風(fēng)機(jī)側(cè)軸承溫度為例介紹新的“二選二”聯(lián)鎖邏輯關(guān)系如圖3。

圖3 四系列SO2風(fēng)機(jī)側(cè)軸承溫度聯(lián)鎖邏輯圖

表3 聯(lián)鎖方式及其與安全性、可用性的關(guān)系表

圖3中輸出替代了原有的單個(gè)溫度點(diǎn)高高報(bào)的聯(lián)鎖，并沒有簡(jiǎn)單的采用兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)同時(shí)高高報(bào)，而是增加了每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)壞值也要參與聯(lián)鎖，這樣以來新的聯(lián)鎖方式不僅降低了誤動(dòng)作停機(jī)概率，也彌補(bǔ)了安全性有所下降的不足。

4.2 關(guān)鍵設(shè)備外部聯(lián)鎖方式的優(yōu)化

以硫酸四系列SO2風(fēng)機(jī)為例：其外部聯(lián)鎖之一FICA61442一吸塔入塔酸流量低低報(bào)，原有聯(lián)鎖為一選一，一旦流量誤報(bào)就會(huì)聯(lián)鎖SO2風(fēng)機(jī)停機(jī)，影響生產(chǎn)正常運(yùn)行。

針對(duì)這種情況，采用在一吸塔入塔位置增加一臺(tái)單法蘭壓力變送器，將壓力低報(bào)作為聯(lián)鎖條件，將原有聯(lián)鎖方式優(yōu)化升級(jí)為與圖3相同原理的聯(lián)鎖方式，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。其它外部聯(lián)鎖均可推廣應(yīng)用。

圖4 硫酸四系列一吸塔入塔流量及壓力

4.3 關(guān)鍵設(shè)備升級(jí)冗余配置

原有的設(shè)備中有部分是采用了冗余配置的，比如：DCS系統(tǒng)的控制器、重要的IO卡件、也有很多關(guān)鍵設(shè)備是有備用機(jī)的，但是也存在一些關(guān)鍵設(shè)備并沒有備用、冗余的配置。比如：為DCS系統(tǒng)各現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的UPS（不間斷電源）雖然配置了雙電源［5]，但是如果在外部供電異常，同時(shí)UPS主機(jī)或電池故障，同樣會(huì)對(duì)DCS系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響工廠生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

為此，通過將原有單個(gè)UPS主機(jī)、電池組的配置全部升級(jí)為雙冗余并聯(lián)配置，UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D5所示配置，可大幅提高UPS系統(tǒng)可靠性，并且方便UPS系統(tǒng)檢修、確保檢修時(shí)DCS系統(tǒng)及其它負(fù)載的正常運(yùn)行［6]。

同樣，針對(duì)不同的關(guān)鍵設(shè)備都可采用類似的方案進(jìn)行優(yōu)化。如：閥門、泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，流量、壓力等控制參數(shù)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，保證生產(chǎn)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 UPS系統(tǒng)冗余配置圖

4.4 設(shè)備重要參數(shù)報(bào)警推送

將設(shè)備重要參數(shù)報(bào)警，例如：重要控制測(cè)點(diǎn)報(bào)警、風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、電機(jī)電流高報(bào)，多個(gè)參數(shù)綜合分析結(jié)果等等，利用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的推送功能第一時(shí)間通過郵件、短信或微信等方式發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備管理人員，確保做好相應(yīng)的預(yù)防性維修工作，進(jìn)一步保證設(shè)備的安全順行。

5 結(jié)束語

通過上述措施可顯著提升設(shè)備安全等級(jí)，為設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力保證。在今后新增工程項(xiàng)目，應(yīng)通盤考慮，設(shè)計(jì)符合工廠生產(chǎn)要求安全等級(jí)的設(shè)備配置方式及聯(lián)鎖方式，對(duì)銅冶煉企業(yè)設(shè)備控制方案、安全等級(jí)提升有很好的推廣借鑒意義。