提高加氢装置液位联锁可靠性的设计优化

黄正

摘  要：本文尝试在加氢装置传统液位计选型方案的基础上，从避免共模故障发生的角度，提出改进措施，优化设计方案，提高装置的安全性。

关键词：共模故障;加氢装置;安全性;可靠性;优化

如图I所示的常规加氢装置，原料油经催化剂的作用，在反应器中不断进行放热反应。由于反应在高温高压的环境下发生，且介质易燃易爆，因此在项目设计过程中需要进行充分的安全性分析以满足装置的安全完整性等级要求。

在加氢装置中，与液位相关的安全联锁，对整个装置的安全性而言极其重要。如进料缓冲罐液位低低停加热炉、停进料联锁;冷/热高分罐液位低低切断出口阀联锁;压缩机入口分液罐液位高高停机联锁等。

1. 加氢装置传统常用的液位计选型

对于用作联锁的远传液位计的设计选型，传统常用的做法是选用三台相同的液位计，如双法兰液位计或浮筒液位开关，通过SIS系统实现2oo3联锁。

以热高分罐液位低低切断出口阀联锁为例，图II为选用三台双法兰液位计实现联锁的安装示意图。图III为2oo3低低切断出口阀联锁逻辑示意图。选用双法兰液位计测量液位时，通常在设备上开两组取源口，每组取源口通过取源管引出后，用三通分出两对取源嘴，安装三台双法兰液位计以及一台用于现场观测的磁浮子液位计。图VI为选用浮筒液位开关安装示意图。选用浮筒液位开关时，在设备上于连锁报警点附近开一组取源口，通过取源管引出后安装三台浮筒液位开关。

传统的液位计设置及选型方式，充分兼顾了高安全性和高可用性，在多套加氢装置中成功应用，历经多年时间检验，早已被奉为行业圭臬。同时随着全社会对包括石油化工在内的所有高危行业的安全问题日益关注，以及整个石化行业对安全仪表系统认识的加深。特别是2013年9月，由住建部和质检总局联合发布的《石油化工安全仪表系统设计规范》（GB/T 50770-2013）正式实施，成为石油化工仪表安全系统设计的全面而科学的指导依据。本着加强设计安全意识，践行正确安全理念的态度，本文尝试在加氢装置传统设计方案的基础上提出改进措施，使之优化以后更加安全。

2. 加氢装置液位计选型的优化方案：

我们注意到，在加氢装置液位计选型传统方案中，用于联锁报警的仪表是三台完全相同的液位计，且无论选用双法兰液位计或浮筒液位开关，都存在共用取源口的情况。此外还有一个容易被人忽视的细节，液位信号进SIS系统时，出于便于安装和维护的考虑，往往将联锁的液位信号接入同一块冗余AI模块相邻的通道上。上述状况均可能导致共模故障的发生。

2.1 参数共模故障因子β及其与平均失效概率PFDavg之间的关系

所謂共模故障，即多个元件、模块、单元或系统，因为同样的原因发生的故障，它是一种相依故障事件，由空间、环境、设计以及人为因素造成的失误等原因，使得故障事件不再被人为是独立的事件。由于组成系统的各个部件之间存在相互作用，故在它们中间。发生的部件故障不再认为是相互独立的。对高可靠性的系统尤其是安全方面的系统进行评价时，针对共模故障的分析十分重要。

共模故障会降低系统安全性，提高系统的平均失效概率PFDavg（Probability of Failure on Demand Average）。共模故障对PFDavg的影响，可通过马尔可夫模型（Markov Model）[1]，使用灰关联分析法 [2]，找到参数共模故障因子（亦称共因失效因子）β与PFDavg之间对应的函数关系PFDavg（β）。相关推导过程过于复杂，本文不详细叙述，而将直接引用相关文献[3] [4]得出的结论。下表I为不同β取值对应的PFDavg的计算结果。

下图V为β值对应PFDavg的拟合曲线

根据以上拟合曲线可以看到，PFDavg随着共模故障因子β的增大而增大，且二者近似线性关系。因此若要提高系统可靠性，降低平均失效概率PFDavg，应降低共模故障因子β值。常用的方法有一下几种。

2.2 降低共模故障因子β值的常用方法

2.2.1 液位测量取源口的物理分离

具体在加氢装置与联锁相关的液位计的设计过程中，考虑为每台液位计在设备上独立开设一对取压口。确保取源口在相互隔离的位置上相互独立取源，避免因共用取源口带来的共模故障。

2.2.2 液位计的差异化选型

为避免相同的液位计测量时产生的共模误差，设计选型时，考虑选用不同测量原理的液位计，用于实现液位安全报警联锁。笔者在甘肃宏汇能源化工有限公司1000万吨煤炭分质利用项目一期工程50万吨/年煤焦油精制装置的设计中，便选用了双法兰液位计、浮筒式液位计、磁致伸缩液位计、导波雷达液位计等多种不同形式的液位计。

双法兰液位计的测量原理，是通过测量正负端的膜片受压后产生微小形变，形变位移通过毛细管内填充液传递至差压变送器，由变送器将差压信号转换成对应的液位信号远传输出。

浮筒式液位计的测量原理是阿基米德原理，根据液体对沉浸在液体中的浮筒的浮力随液位高度变化而变化来测量液位。

磁致伸缩液位计的测量原理是浮力原理和磁性耦合作用，利用波导管内的电脉冲与浮子内的永磁体产生的磁场相交时产生的应变脉冲（又叫波导扭曲），通过精确测量询问脉冲和返回脉冲之间的时间间隔，获得高精度高重复性的液位值。

导波雷达液位计的测量原理，是通过处理雷达波从探头发射到介质表面然后返回到探头的时间来测量液位。

考虑到磁致伸缩液位计，不仅可以输出高精度高重复性的液位值，而且还可以很方便地在现场就地观测液位，实现了远传和现场液位计的合二为一。因此建议在加氢装置液位计的选型中，对于需要三取二液位报警联锁的设备，至少选用一台磁致伸缩液位计，这样便不用再设置现场液位计。既能节省工程投资，又可节约安装空间，降低施工难度。除此之外，另外两台液位计，可结合测量范围长度、介质特性、工艺条件等综合考虑，选用其它两种测量原理相异的液位计。

2.2.3 液位信号进SIS系统的优化

根据R.A.Humphreys提出的评估系统β因子的方法[5]，如下表II所示，最终评估得到的β因子的值为所有添加的β因子之和。从表二可以看出，为降低共模故障因子β的值，液位信号进SIS后，应尽量进不同的机柜内的冗余通道。但考虑到装置规模、投资成本等因素，SIS系统的AI模块很可能集中安装在一个机柜内，在这种情况下，应尽量将液位信号接至位于同一机柜内不同机架上的模块上不相邻的通道（而不是为便于安装和维护，将联锁的液位信号接入同一块冗余AI模块相邻的通道上）。

3. 优化前后的PFDavg对比

以简单的β模型为例，即假设液位联锁在硬件和软件方面各只存在一个故障。对于硬件故障，专家估计的β参数值[6]通常为0.005～0.110，软件故障的β参数值通常为0.005～0.60。假设硬件β参数值为0.05，软件β参数值为0.1，整体β值为二者之和，即0.15。参照表I，对应PFDavg的值为0.6979‰。

在K-out-of-n系统中，设各部件可靠度皆相同为R（t），则系统的可靠度为：

其中

具体在液位联锁报警构成的2-out-of-3系统中，其可靠度为：

=

假设单台液位计所在的仪表回路平均失效概率为1‰，则其可靠度 =0.999。带入以上公式得： =0.999997。

改进后的设计方案可视为已排除简单的β模型中的β因子，则其平均失效概率PFDavg可视为三取二液位联锁报警的平均失效概率：  =0.003‰

而改进前的方案中，除三取二液位联锁报警的平均失效概率，还应考虑到共模故障因子β带来的误差，故其平均失效概率应为二者之和：  =0.6979‰+0.003‰=0.7009‰。

平均失效概率 之值，改进前的是改进后的0.7009‰/0.003‰=233.63倍。改进后 大幅降低。

结束语：

对于加氢装置中用于安全联锁的液位计选型，在進行安全仪表系统可靠性分析时，应充分考虑到共模故障可能对装置的可靠性造成的影响，从根源上预防共模故障的产生，尽量降低其影响，提高装置的安全性。本文列举出的优化方案，对项目安全性的定性分析及设计过程的实际运用均有一定的参考价值。

参考文献

[1]  GOBLE W M. Control Systems Safety Evaluation and Reliability [M].The United States of America：ISA，1998.

[2]  邓聚龙.灰理论基础[M].武汉：华中科技出版社，2002.

[3]  芮延年，傅戈雁.现代可靠性设计[M].国防工业出版社，2007：230～232.

[4]  邵建设. 安全仪表系统可靠性影响参数的敏感性分析[J].化工自动化及仪表，2010，37（3）：66-68.

[5]  尹永娟. 共模故障的预防以及故障因子的估计[J].石油化工自动化，2015（6），51（3）：3-7.

[6]  舒逸聃，郭海涛. 安全仪表系统安全完整性等级验证研究进展[J].计算机与应用化学，2011（12），1585-1588.