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安全仪表系统(SIS)设计的“天花板”——流量测量的共因问题

来源:控制工程网2022.02.14阅读 24523

  安全仪表系统(SIS)中的现实共因问题必须由用户在每个应用中进行量化。供应商和第三方通常使用白皮书分析来提供产品的安全数据,但此类的SIS问题并不能通过这样的方法来量化。 
  由于此类问题是影响多个设备的"共同原因",因此无法通过应用冗余来解决。本文将详细介绍在实际生产实践中,与压力、温度、流量和液位测量相关的最常见的共因问题案例,并提供了有助于将对安全的影响降至最低的推荐设计实践。设计师需要考虑,如何通过多样性,使用不同的方法或技术,来避免哪些问题。
  流量测量的共因问题
  很多问题都会导致流量计故障或读数不正确。在安全应用中,最重要的问题如下所列:
  ● 故障是否会导致仪表读取错误流量,而不会对用户发出任何警告?这被定义为隐蔽故障(有时也称为未检测故障)。如果测量错误会影响安全,例如,冷却回路中的流量读数错误,则这是"危险"故障,因为它可能导致过程过热。请注意,如果冷却回路中的流量错误导致读数太低,这将是"安全"故障,因为它不会造成危险工况,当然它可能会导致不必要的停机。危险的、隐蔽的故障影响安全;"安全"和显式的故障则会影响可用性。
  ● 故障是否会以同样的方式影响第二个(甚至更多)仪表?在这种情况下,冗余也于事无补;这就是共因问题。
  测量流量的常用方法是通过差压(dP)来测量。在管线中使用限制元件(孔板和平均皮托管等)来产生压降,并由dP变送器测量压降。使用伯努利原理,通过dP来计算流量。dP流量计因其通用性和熟悉性而经常被使用。如果选择、安装和维护正确,这种方法具有较高的重复性和合理的永久压力损失。不幸的是,在某些应用中,它可能会带来严重的安全问题:
  ● 流体特性(如成分或密度)的变化,会影响可重复性(尽管用户可以尝试进行补偿)。
  ● 流体不干净或环境温度较低,可能会减慢或堵塞传感管线。
  ● 夹带的气体或液体(取决于测量对象是液相还是气相)会使测量产生偏差或聚集在传感线中并减慢响应时间。
  ● 脏流体会阻塞、沉积或侵蚀主要元件(孔板或其它),从而导致偏差。
  ● 多螺纹连接增加了意外排放和泄漏的可能性,在寒冷环境中www.cechina.cn,如果用户选择了ANSI而不是ISO歧管,更是如此。
  ● 如果指定多个部件然后在现场组装,则存在出现错误的风险(除非用户指定集成仪表,并由供应商进行预组装和压力测试),从而导致测量错误或潜在泄漏(参见图1)。

图1:预组装、经过泄漏测试的dP流量计,可以最大限度地降低工程和组装错误、意外排放和泄漏的风险。图中显示了单和双(冗余)配置。本文图片来源:Emerson

  ● 验证测试:大多数用户只检查dP变送器是否漂移CONTROL ENGINEERING China版权所有,传感线有没有堵塞。很少检查主要元件本身,不是因为它不会出现故障,而是因为它通常无法访问以进行检查。
  其它一些技术使用频率较低,但在安全应用中也存在相应问题,例如:
  ● 在涡轮流量计内部,任何部件的碎片、堆积、粘合、磨损或损坏,都可能导致读数偏高或偏低。在使用外部校验仪对仪表进行验证测试之前,可能没有任何迹象向用户表明这种情况正在发生。
  ● 如果电磁流量计用于冷却应用,用户需要验证是否有非导电液体(如去离子水)进入系统的风险。如果有的话,流量计的读数可能会很低或有噪音。
  ● 电磁流量计可能会遇到接地、衬里和电极的问题,尽管现代设备可以使用诊断和验证来检测其中的一些问题。
  ● 大多数流量计都要求两侧有直管,以确保流量在管道中均匀分布。不幸的是,很多仪表都使用简单的、旧的准则来安装。现代标准(如ISO-5167)可能需要50或更多倍直径的直管以确保精度,具体取决于上游的干扰情况。
  如果存在发生上述任何问题的风险,用户必须量化该风险以进行安全分析。然后,他必须执行定期验证测试以检测问题。所需的验证测试频率,取决于用户对特定应用中出现问题频率的估计。
  在项目的设计阶段,量化问题发生的可能性及其频率是一项挑战。用户需要依靠经验(例如,以另一家工厂类似工艺运营期间获得的故障记录作为参考)来回答以下问题:
  ● 在类似应用中所安装的100条引压管中,在任何给定时间内,有多少条可能会在工厂运行期间被堵塞?
  ● 如果今天维护人员确认管线没有阻塞,那么在未来多久该管线会阻塞?

图2:带有双脱落杆和四个独立传感器的单涡街流量计,其中三个连接到SIS,一个连接到BPCS。该设计安全且极其可靠。仪表不包含会堵塞的端口或缝隙,没有垫圈泄漏,传感器不会接触流体。

  建议用户不要花费大量时间,来试图量化每个应用共因的可能性和频率,而是建议用户改进设计以消除原因。如果无法用更好的设计来消除,可能导致多个仪表读取错误流量的问题,则用户应考虑采用多样性技术。对于流量测量的安全应用,最常见的是涡街和科里奥利流量计。
  涡街流量计
  涡街流量计使用冯·卡曼效应:当流体通过非流线体时,会产生重复的旋涡模式。涡流形成的频率随流量呈线性变化,这是涡街流量计的主要优势之一。传感器脱落杆的少量沉积或堵塞会削弱信号,但不会改变测量的流量值。随着沉积和堵塞的增加,频率信号将逐渐变弱www.cechina.cn,直到流量信号完全丢失。
  虽然这是一种"安全"而非危险的故障(没有流量而不是错误的流量),但它仍然会影响可用性。出于这个原因,如果用户因为抗脏流体沉积和堵塞而考虑使用涡街而不是其它技术,他们应该确保所考虑的涡街流量计本身具有抗沉积和堵塞的能力。这可以通过选择带有非接触式传感器且没有内部端口或缝隙的仪表来实现。如果用户选择涡街来减少潜在的泄漏点控制工程网版权所有,他们应该选择可以在没有湿O型圈或垫圈的情况下安装的设备。
  在夹带大颗粒或磨蚀性颗粒的流体中,用户应考虑使用带有双脱落杆的涡街流量计(见图2)。在大多数应用中,第一根脱落杆最容易受到堵塞或磨损;用户可以通过监控在第一杆和第二杆上测得的信号之间的差异,来检测任何校准偏移。可以为每个脱落杆指定单或双变送器,因此在单个装置中,用户最多可以将3个独立的变送器连接到SIS,第4个变送器连接到基本过程控制系统。
  在很多安全应用中所处过程都很危险,比如燃烧过程中火焰熄灭或压缩机进入喘振状态,因此一个关键挑战是了解在低流量条件下测量会发生什么事。对于dP流量计,随着流量的减少,误差会变大,但理论上,该流量计可以提供几乎为零的输出。虽然在流量降低时,涡街流量计可以保持其精度,但低于某个最小雷诺数时,涡街流量计根本不会记录任何流量。请注意,限制基于雷诺数,而不仅仅是流量,在碳氢化合物应用中很重要。

图3:像较大的仪表一样,将减速涡街流量计安装在同一管道中,可以测量雷诺数较低的流量。

  由于大多数碳氢化合物在冷态时具有较高的粘度,因此在启动时,涡街流量计可能不会读取任何流量,直到流体变热。如果SIS将无流量解释为故障情况(这很常见),有可能会导致无法启动。为避免这种情况,用户应确保在启动时对过程加热或调整涡街流量计的规格,以满足这些低流量、高粘度的启动条件。一种解决方案可能是减速器涡流,它在法兰内包含一个较小的仪表主体和更长的仪表管线铺设长度(见图3)。
  高可靠性涡街流量计具有固有的耐脏流体能力,并且易于正确安装。此外,还提供诊断功能以确保安全安装和操作,并简化正在进行的验证测试。这些验证测试不需要过程停机或停用外部设备。在可能包含大到足以阻塞脱落杆的碎屑的流体中,用户可以指定一个上游端口,允许插入摄像头进行定期的目视检查。虽然相机检查是离线完成的,但它比拆卸、检查然后重新安装仪表要容易得多。供应商会在出厂时校准仪表并安装检查端口,以确保不影响精度。
  科里奥利流量计
  科里奥利流量计可直接测量质量流量、密度和温度,并由此计算体积流量。它可以在广泛的流量范围内提供高精度,并且几乎不受密度、粘度或成分等流体特性变化的影响。科里奥利流量计不需要在任何一侧有直管,可以简化安装并避免因直管不足而导致故障。它还允许用户将整个仪表布置在易于测试或检查的位置(请注意,很多孔板位于管架中维护人员难以接近,主要是在这里用户可以找到所需的直管)。与涡街流量计一样,科里奥利流量计易于设计和安装。
  尽管科里奥利流量计往往是可靠的,但用户应该意识到存在两相流的风险:液体中夹带气体,或气体中夹带液体。这通常会在粘度较高的流体或批处理应用中出现www.cechina.cn,即使实际流体量(质量)没有改变,也会导致平均体积流量的增加。尽管现代涡街流量计可以检测到相变并提醒用户,但这仍会导致大多数体积流量计出现重大错误。直接测量质量的科里奥利仪表,尤其是具有数字信号处理功能的现代智能仪表,受到的影响最小。
  然而,就像在离心机中,旋转将较重的成分与较轻的成分分离,由于科里奥利管振动得更快,轻的气体和重的液体可以分离并在管中以不同的速度移动,从而导致显著误差。因此,在可能出现两相流的应用中,用户应指定使用低驱动线圈频率的科里奥利仪表并具有两相检测功能(参见图4)。
  为SIS设计的设备,包含检测内部电子故障的特殊诊断。这些诊断通常无法由用户配置或访问,但是当它们检测到内部危险故障时,它们会自动强制设备进入安全状态。这提供了更高的安全性,允许第三方安全实验室对设备进行验证或认证,以达到特定的安全完整性等级(SIL)。

图4:随着气体成份(GVF)的增加,低驱动频率可最大限度地减少流量误差。

  现代科里奥利仪表还提供按需诊断功能,允许用户提高现场验证测试的覆盖范围,从旧设备典型的50%增加到90%以上。这允许用户延长综合验证测试之间的间隔。由于综合验证测试要求仪表停止使用,并连接到外部流量验证仪器或发送到校准实验室,因此理想情况下可以将时间间隔延长至工厂计划停机期间。
  如果在应用中,用户识别或观察到任何隐蔽或危险的共因故障模式,他们必须为其安全分析量化这些故障发生的可能性和频率,以确定验证测试间隔。但对新设计的工艺流程,这些方法都不适用,因此除非可以通过更好的设计消除问题,用户通常会选择一种完全不受共因故障影响的多样化技术来确保系统的安全性。对于流体应用,应该考虑的两种技术分别是涡流和科里奥利。(作者:MarkMenezes)

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