安全儀表系統(tǒng)在加壓釜的應(yīng)用

王雁飛，陳 貺

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 氧壓浸出工藝簡介

氧壓浸出工藝過程分為物料準(zhǔn)備、壓力浸出、閃蒸、回收等工序。加壓釜一般采用鋼基體內(nèi)襯耐酸耐溫磚的結(jié)構(gòu)形式，在鋼基體與磚之間有厚膜做隔離保護(hù)[1]。加壓釜內(nèi)用隔板隔成4個(gè)隔室，每個(gè)隔室內(nèi)配有攪拌器。

礦漿從第一隔倉進(jìn)入后連續(xù)溢流至各隔倉內(nèi)，在高溫高壓條件下，礦漿與酸液、蒸汽、空氣或氧氣等在攪拌作用下，發(fā)生一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)。氧壓浸出技術(shù)除了處理鋅精礦之外，國內(nèi)外也陸續(xù)用來提取Ni、Co、Mo、Cu和貴金屬[2]。

該工藝技術(shù)相比其他技術(shù)有如下特點(diǎn)：(1)金屬回收率高、有價(jià)金屬綜合回收好，最終資源得到最大化利用。(2)設(shè)備簡單、工藝流程短。(3)屬于環(huán)保型清潔生產(chǎn)工藝，符合國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的宗旨，符合節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)政策。

2 加壓釜工藝控制現(xiàn)狀

加壓釜的設(shè)計(jì)、制造及使用的技術(shù)性很強(qiáng)，是要求在工作狀態(tài)下工藝、設(shè)備、儀表聯(lián)鎖集散控制等多學(xué)科的綜合交叉集合[3]。

現(xiàn)有的加壓釜控制一般為常規(guī)的過程控制，當(dāng)加壓釜出現(xiàn)異常工況(超溫、超壓、超液位、泄漏)時(shí)，若操作員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理會(huì)對(duì)設(shè)備和人員產(chǎn)生極大安全隱患。

氧壓浸出工藝中的加壓釜屬于重大危險(xiǎn)源，加壓釜中的物料是高溫腐蝕性液體，一旦泄漏，可能造成重大人員傷亡；加壓釜內(nèi)的氧氣一旦泄漏后，遇到點(diǎn)火源(明火、火花、靜電等)，可能引起火災(zāi)爆炸。根據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)人在危險(xiǎn)時(shí)刻的判斷和操作往往是滯后且不可靠的，當(dāng)操作人員面臨生命危險(xiǎn)時(shí)，要在60 s內(nèi)作出反應(yīng)，錯(cuò)誤決策的概率高達(dá)99.9%。如安全聯(lián)鎖和常規(guī)過程控制設(shè)置在同一控制器下，常規(guī)過程控制中出現(xiàn)的控制器或者網(wǎng)絡(luò)故障，會(huì)影響安全聯(lián)鎖程序的執(zhí)行，導(dǎo)致安全聯(lián)鎖程序失效，產(chǎn)生安全隱患。

3 項(xiàng)目安全儀表系統(tǒng)

某鋅冶煉工廠采用艾默生過程控制的安全儀表系統(tǒng)(SIS)，將緊急停車系統(tǒng)里涉及的儀表閥門信號(hào)，以及安全聯(lián)鎖程序單獨(dú)配置在此SIS系統(tǒng)里。安全儀表系統(tǒng)是指包括傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件，按照一定的整體性安全度等級(jí)(SIL，Safety Integrity Level)能實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)安全功能的系統(tǒng)，用于監(jiān)視生產(chǎn)裝置或獨(dú)立單元的操作，如果生產(chǎn)過程超出安全操作范圍，可以使其進(jìn)入安全狀態(tài)，確保裝置或獨(dú)立單元具有一定的安全度。安全系統(tǒng)不同于批量控制、順序控制及過程控制的工藝聯(lián)鎖，當(dāng)過程變量(溫度、壓力、流量、液位等)超限，機(jī)械設(shè)備故障，系統(tǒng)本身故障或能源中斷時(shí)，安全儀表系統(tǒng)使其進(jìn)入預(yù)定的安全停車狀態(tài)，從而保證人員、設(shè)備、生產(chǎn)和裝置的安全。

3.1 DeltaV SIS功能及其與工廠DeltaV BPCS集成

艾默生的安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)品為DeltaV SIS，是艾默生推出的TUV認(rèn)證的新型整體回路概念的智能安全儀表系統(tǒng)，該產(chǎn)品安全等級(jí)能達(dá)到SIL 3(平均失效概率如表1所示)。同時(shí)簡單直觀的特點(diǎn)無需太多復(fù)雜步驟的組態(tài)，減少了組態(tài)過程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，也有利于在現(xiàn)場的檢查和調(diào)試工作。

表1 SIL各等級(jí)平均失效概率

該鋅冶煉工廠除去SIS系統(tǒng)以外的儀表均采用FF總線形式，SIS系統(tǒng)以外的常規(guī)過程控制選用的DeltaV BPCS。由于SIS安全性的要求，在該SIS系統(tǒng)內(nèi)的儀表選用4～20 mA+HART的形式。結(jié)合AMS的應(yīng)用，DeltaV SIS邏輯控制器可以將HART信號(hào)數(shù)據(jù)送給AMS，給出更為清楚和詳細(xì)的關(guān)于故障的描述，從而最優(yōu)化操作和維護(hù)。通過和現(xiàn)場智能儀表的配合，用戶可以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，這樣就增加了裝置過程的可用性，大大減少了因設(shè)備故障而發(fā)生的停車時(shí)間。

DeltaV SIS與DeltaV BPCS，集成但又完全獨(dú)立。DeltaV提供了簡單易用的組態(tài)工具既用于控制也用于安全，避免了兩方都需要獨(dú)立組態(tài)，然后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的復(fù)雜步驟。通過簡單易用的組態(tài)工具，工程師瀏覽引用到所需要的位號(hào)和參數(shù)，就和在DeltaV里所做的一樣，不再需要進(jìn)行SIS和BPCS之間位號(hào)映射工作，也不需要進(jìn)行任何諸于OPC或者其它的串行通訊的設(shè)置。另外，在常規(guī)過程控制的監(jiān)控畫面上需要顯示SIS系統(tǒng)里的儀表數(shù)據(jù)(加壓釜的液位，壓力及各隔室溫度)，而所有的SIS數(shù)據(jù)對(duì)BPCS來說都是可用并可直接引用的，充分滿足了一個(gè)流程畫面上對(duì)BPCS包括SIS數(shù)據(jù)同時(shí)顯示的功能。這樣就極大的簡化了工程實(shí)施的過程。

圖1 DeltaV SIS與DeltaV BPCS統(tǒng)一組態(tài)界面

3.2 項(xiàng)目SIS系統(tǒng)配置

該鋅冶煉廠SIS系統(tǒng)由一套帶冗余CPU和冗余電源的控制柜，模擬量輸入卡件，數(shù)字量輸入卡件，數(shù)字量輸出卡件，上位機(jī)，現(xiàn)場檢測儀表和控制閥，控制室內(nèi)和現(xiàn)場設(shè)置的緊急停車按鈕組成?？刂崎y含進(jìn)料礦漿切斷閥，排料切斷閥，各隔室混合液管道切斷閥，氧氣緩沖罐入口閥，氧氣緩沖罐出口閥。其他控制信號(hào)包括加料泵和冷卻液泵的啟停信號(hào)。檢測儀表含加壓釜核液位計(jì)，加壓釜排氣壓力傳感器，各隔室溫度變送器。

圖2 該鋅冶煉工廠SIS系統(tǒng)機(jī)柜

通過分析以往的案例，安全應(yīng)用中的大多數(shù)故障都發(fā)生在現(xiàn)場設(shè)備中，因此僅提高邏輯解算器的可靠性不能顯著提高整個(gè)安全回路的可靠性。因此該項(xiàng)目采用了完整的SIS系統(tǒng)解決方案，包含獨(dú)立于的DCS系統(tǒng)的邏輯解算器、符合IEC61508的傳感器和執(zhí)行單元。使整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性大大提高，為生產(chǎn)運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

3.3 加壓釜緊急停車聯(lián)鎖設(shè)置

在緊急停車系統(tǒng)的聯(lián)鎖回路里，當(dāng)加壓釜核液位計(jì)的數(shù)值超過設(shè)定的高限值，加壓釜排氣壓力傳感器超過設(shè)定的高限值，各隔室溫度變送器超過設(shè)定的高限值，或按下緊急停車按鈕都會(huì)觸發(fā)緊急停車系統(tǒng)的動(dòng)作。緊急停車系統(tǒng)觸發(fā)后將關(guān)閉進(jìn)料礦漿切斷閥，排料切斷閥，各隔室混合液管道切斷閥并停止給料泵和冷卻液泵。

圖3 緊急停車系統(tǒng)邏輯圖

3.4 加壓釜系統(tǒng)重點(diǎn)儀表

在整個(gè)氧壓浸出生產(chǎn)過程中，加壓釜的液位穩(wěn)定對(duì)產(chǎn)量和浸出率的保證起到極其重要的作用。在生產(chǎn)過程中，如果液位過高會(huì)使高壓釜中的壓力驟然上升，造成緊急停車事故；高壓釜液位過低又不能完全滿足生產(chǎn)需求。因此高壓釜的液位既是滿足生產(chǎn)也是保證安全生產(chǎn)的重要因素。原設(shè)置為核液位計(jì)，由于加壓釜屬于壓力容器，壁厚較厚，根據(jù)放射線需要穿過的各層物質(zhì)的厚度及密度通常需要選擇輻射劑量較大的Cs源甚至Co源。因此在射源的防護(hù)與維護(hù)方面也需要花費(fèi)大量的人力物力。為此在原核液位計(jì)以外又增設(shè)了一臺(tái)高頻雷達(dá)液位計(jì)。由于考慮到該工況下雷達(dá)液位計(jì)的穩(wěn)定性問題，該液位僅作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的輔助參考液位，不進(jìn)入緊急停車程序和參與聯(lián)鎖。

礦漿從高壓釜排出的瞬間，大量液體汽化，形成高速汽、液、固三相混合體從閥門沖出，導(dǎo)致閥門的汽蝕磨損嚴(yán)重[4]。因此加壓釜排料閥的選擇是整個(gè)加壓釜能否平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。該項(xiàng)目選用的是在以前加壓釜項(xiàng)目中使用狀況良好的進(jìn)口排料閥。

考慮到進(jìn)料閥門和進(jìn)各隔室總管閥門的使用狀況直接影響加壓釜運(yùn)行的安全性，因此針對(duì)上述閥門在控制系統(tǒng)中增加了閥門維護(hù)的程序。將閥門開閉的次數(shù)，每次閥門開閉所消耗的時(shí)間，每次閥門開閉時(shí)所承受的壓力這些數(shù)據(jù)都引至閥門運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)閥門的開閉次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的值時(shí)，就會(huì)彈出報(bào)警，提示操作人員注意閥門的運(yùn)行狀況。然后根據(jù)閥門的運(yùn)行數(shù)據(jù)決定該閥門是繼續(xù)使用，還是拆下來更換上備用閥門。

4 結(jié)語

基于以下幾點(diǎn)原因，該工廠將涉及到加壓釜安全的儀表信號(hào)，閥門控制信號(hào)引入到單獨(dú)設(shè)置的緊急停車系統(tǒng)，并與常規(guī)過程控制系統(tǒng)分開，大大減少緊急停車系統(tǒng)失效的概率，有效的提升了加壓釜運(yùn)行的安全等級(jí)。

(1)降低控制功能和安全功能同時(shí)失效的概率，當(dāng)DCS部分故障時(shí)也不會(huì)危及安全保護(hù)系統(tǒng)；

(2)對(duì)于大型裝置或旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備而言，緊急停車系統(tǒng)響應(yīng)速度越快越好。這有利于保護(hù)設(shè)備，避免事故擴(kuò)大；并有利于分辨事故原因記錄。而DCS處理大量過程監(jiān)測信息，因此其響應(yīng)速度難以作得很快；

(3)DCS系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)，是動(dòng)態(tài)的，需要人工頻繁的干預(yù)，這有可能引起人為誤動(dòng)作；而緊急停車系統(tǒng)(ESD)是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，這樣設(shè)置緊急停車系統(tǒng)可以避免人為誤動(dòng)作。

在項(xiàng)目前期，設(shè)計(jì)人員和加壓釜運(yùn)營人員一起對(duì)加壓釜進(jìn)行了危險(xiǎn)與可操作性(HAZOP：Hazard Operability)分析。對(duì)影響事件和嚴(yán)重性等級(jí)，引發(fā)原因，引發(fā)可能性等做了仔細(xì)梳理。確定了該冶煉廠SIS系統(tǒng)內(nèi)的儀表，閥門均選用通過SIL2等級(jí)認(rèn)證的產(chǎn)品。同時(shí)SIS控制系統(tǒng)安全等級(jí)達(dá)到了SIL3等級(jí)。實(shí)踐證明，安全回路中，大多數(shù)故障出現(xiàn)在現(xiàn)場儀表上，解決對(duì)現(xiàn)場儀表的診斷和校正是提高安全回路的關(guān)鍵所在[5]。在儀表日常的維護(hù)中，維護(hù)人員在辦公室的操作站上安裝艾默生AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場智能儀表設(shè)備潛在的故障進(jìn)行診斷。

在日常維護(hù)保養(yǎng)中，儀表維修人員都注意檢查機(jī)柜內(nèi)各模塊的運(yùn)行指示狀態(tài)，操作站及通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。此外在每次加壓釜停產(chǎn)檢修期，儀表維護(hù)人員都對(duì)機(jī)柜內(nèi)的模塊進(jìn)行斷電并清掃除塵，同時(shí)對(duì)SIS系統(tǒng)內(nèi)的IO通道和控制回路進(jìn)行了測試，保證閥門動(dòng)作和系統(tǒng)聯(lián)鎖程序的可靠性。在投產(chǎn)兩年多的時(shí)間內(nèi)，加壓釜SIS系統(tǒng)運(yùn)行可靠，有效的保證了加壓釜的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。