提高加氫裝置液位聯鎖可靠性的設計優化獲獎科研報告

摘

要：本文嘗試在加氫裝置傳統液位計選型方案的基礎上，從避免共模故障發生的角度，提出改進措施，優化設計方案，提高裝置的安全性。

關鍵詞：共模故障;加氫裝置;安全性;可靠性;優化

如圖I所示的常規加氫裝置，原料油經催化劑的作用，在反應器中不斷進行放熱反應。由于反應在高溫高壓的環境下發生，且介質易燃易爆，因此在項目設計過程中需要進行充分的安全性分析以滿足裝置的安全完整性等級要求。

在加氫裝置中，與液位相關的安全聯鎖，對整個裝置的安全性而言極其重要。如進料緩沖罐液位低低停加熱爐、停進料聯鎖;冷/熱高分罐液位低低切斷出口閥聯鎖;壓縮機入口分液罐液位高高停機聯鎖等。

1.加氫裝置傳統常用的液位計選型

對于用作聯鎖的遠傳液位計的設計選型，傳統常用的做法是選用三臺相同的液位計，如雙法蘭液位計或浮筒液位開關，通過SIS系統實現2oo3聯鎖。

以熱高分罐液位低低切斷出口閥聯鎖為例，圖II為選用三臺雙法蘭液位計實現聯鎖的安裝示意圖。圖III為2oo3低低切斷出口閥聯鎖邏輯示意圖。選用雙法蘭液位計測量液位時，通常在設備上開兩組取源口，每組取源口通過取源管引出后，用三通分出兩對取源嘴，安裝三臺雙法蘭液位計以及一臺用于現場觀測的磁浮子液位計。圖VI為選用浮筒液位開關安裝示意圖。選用浮筒液位開關時，在設備上于連鎖報警點附近開一組取源口，通過取源管引出后安裝三臺浮筒液位開關。

傳統的液位計設置及選型方式，充分兼顧了高安全性和高可用性，在多套加氫裝置中成功應用，歷經多年時間檢驗，早已被奉為行業圭臬。同時隨著全社會對包括石油化工在內的所有高危行業的安全問題日益關注，以及整個石化行業對安全儀表系統認識的加深。特別是2013年9月，由住建部和質檢總局聯合發布的《石油化工安全儀表系統設計規范》（GB/T50770-2013）正式實施，成為石油化工儀表安全系統設計的全面而科學的指導依據。本著加強設計安全意識，踐行正確安全理念的態度，本文嘗試在加氫裝置傳統設計方案的基礎上提出改進措施，使之優化以后更加安全。

2.加氫裝置液位計選型的優化方案：

我們注意到，在加氫裝置液位計選型傳統方案中，用于聯鎖報警的儀表是三臺完全相同的液位計，且無論選用雙法蘭液位計或浮筒液位開關，都存在共用取源口的情況。此外還有一個容易被人忽視的細節，液位信號進SIS系統時，出于便于安裝和維護的考慮，往往將聯鎖的液位信號接入同一塊冗余AI模塊相鄰的通道上。上述狀況均可能導致共模故障的發生。

2.1參數共模故障因子β及其與平均失效概率PFDavg之間的關系

所謂共模故障，即多個元件、模塊、單元或系統，因為同樣的原因發生的故障，它是一種相依故障事件，由空間、環境、設計以及人為因素造成的失誤等原因，使得故障事件不再被人為是獨立的事件。由于組成系統的各個部件之間存在相互作用，故在它們中間。發生的部件故障不再認為是相互獨立的。對高可靠性的系統尤其是安全方面的系統進行評價時，針對共模故障的分析十分重要。

共模故障會降低系統安全性，提高系統的平均失效概率PFDavg（ProbabilityofFailureonDemandAverage）。共模故障對PFDavg的影響，可通過馬爾可夫模型（MarkovModel）[1]，使用灰關聯分析法[2]，找到參數共模故障因子（亦稱共因失效因子）β與PFDavg之間對應的函數關系PFDavg（β）。相關推導過程過于復雜，本文不詳細敘述，而將直接引用相關文獻[3][4]得出的結論。下表I為不同β取值對應的PFDavg的計算結果。

下圖V為β值對應PFDavg的擬合曲線

根據以上擬合曲線可以看到，PFDavg隨著共模故障因子β的增大而增大，且二者近似線性關系。因此若要提高系統可靠性，降低平均失效概率PFDavg，應降低共模故障因子β值。常用的方法有一下幾種。

2.2降低共模故障因子β值的常用方法

2.2.1液位測量取源口的物理分離

具體在加氫裝置與聯鎖相關的液位計的設計過程中，考慮為每臺液位計在設備上獨立開設一對取壓口。確保取源口在相互隔離的位置上相互獨立取源，避免因共用取源口帶來的共模故障。

2.2.2液位計的差異化選型

為避免相同的液位計測量時產生的共模誤差，設計選型時，考慮選用不同測量原理的液位計，用于實現液位安全報警聯鎖。筆者在甘肅宏匯能源化工有限公司1000萬噸煤炭分質利用項目一期工程50萬噸/年煤焦油精制裝置的設計中，便選用了雙法蘭液位計、浮筒式液位計、磁致伸縮液位計、導波雷達液位計等多種不同形式的液位計。

雙法蘭液位計的測量原理，是通過測量正負端的膜片受壓后產生微小形變，形變位移通過毛細管內填充液傳遞至差壓變送器，由變送器將差壓信號轉換成對應的液位信號遠傳輸出。

浮筒式液位計的測量原理是阿基米德原理，根據液體對沉浸在液體中的浮筒的浮力隨液位高度變化而變化來測量液位。

磁致伸縮液位計的測量原理是浮力原理和磁性耦合作用，利用波導管內的電脈沖與浮子內的永磁體產生的磁場相交時產生的應變脈沖（又叫波導扭曲），通過精確測量詢問脈沖和返回脈沖之間的時間間隔，獲得高精度高重復性的液位值。

導波雷達液位計的測量原理，是通過處理雷達波從探頭發射到介質表面然后返回到探頭的時間來測量液位。

考慮到磁致伸縮液位計，不僅可以輸出高精度高重復性的液位值，而且還可以很方便地在現場就地觀測液位，實現了遠傳和現場液位計的合二為一。因此建議在加氫裝置液位計的選型中，對于需要三取二液位報警聯鎖的設備，至少選用一臺磁致伸縮液位計，這樣便不用再設置現場液位計。既能節省工程投資，又可節約安裝空間，降低施工難度。除此之外，另外兩臺液位計，可結合測量范圍長度、介質特性、工藝條件等綜合考慮，選用其它兩種測量原理相異的液位計。

2.2.3液位信號進SIS系統的優化

根據R.A.Humphreys提出的評估系統β因子的方法[5]，如下表II所示，最終評估得到的β因子的值為所有添加的β因子之和。從表二可以看出，為降低共模故障因子β的值，液位信號進SIS后，應盡量進不同的機柜內的冗余通道。但考慮到裝置規模、投資成本等因素，SIS系統的AI模塊很可能集中安裝在一個機柜內，在這種情況下，應盡量將液位信號接至位于同一機柜內不同機架上的模塊上不相鄰的通道（而不是為便于安裝和維護，將聯鎖的液位信號接入同一塊冗余AI模塊相鄰的通道上）。

3.優化前后的PFDavg對比

以簡單的β模型為例，即假設液位聯鎖在硬件和軟件方面各只存在一個故障。對于硬件故障，專家估計的β參數值[6]通常為0.005～0.110，軟件故障的β參數值通常為0.005～0.60。假設硬件β參數值為0.05，軟件β參數值為0.1，整體β值為二者之和，即0.15。參照表I，對應PFDavg的值為0.6979‰。

在K-out-of-n系統中，設各部件可靠度皆相同為R（t），則系統的可靠度為：

其中

具體在液位聯鎖報警構成的2-out-of-3系統中，其可靠度為：

=

假設單臺液位計所在的儀表回路平均失效概率為1‰，則其可靠度=0.999。帶入以上公式得：=0.999997。

改進后的設計方案可視為已排除簡單的β模型中的β因子，則其平均失效概率PFDavg可視為三取二液位聯鎖報警的平均失效概率：

=0.003‰

而改進前的方案中，除三取二液位聯鎖報警的平均失效概率，還應考慮到共模故障因子β帶來的誤差，故其平均失效概率應為二者之和：

=0.6979‰+0.003‰=0.7009‰。

平均失效概率之值，改進前的是改進后的0.7009‰/0.003