安全仪表系统：应用测量最佳实践

油气加工行业安全仪表系统(SIS)的设计和操作人员可以从与设计、多样性和诊断相关的各种新技术中受益。产品和应用最佳实践共同作用，使SIS和单独的安全仪表功能(SIFs)更有效地工作，因此，可以消除许多可能干扰安全回路性能的常见原因问题。

当使用各种传感技术时，这些问题大多与方程的测量方面有关。本文考虑了在碳氢化合物加工和其他行业中常见的几个与压力和水平有关的应用实例。设计、多样性和诊断的要素并不适用于每一个例子，但一个或多个将适用于每一种情况。

处理常见问题

SIS的最佳实践设计概念在过去十年中已经发展出来，促进了广泛的采用ANSI / isa - s84.01 - 2004和IEC 61511.标准。用于量化风险的计算方法很好地理解，但对于测量，关键挑战是找到与仪器性能相关的相关数据。虽然供应商通常提供安全统计，但他们声称由第三方认证，而这些数据通常是从白皮书或实验室分析中衍生的，并在实验室条件下安装在设备本身上。

遗憾的是，在真正的碳氢化合物处理环境中，发射机的风险没有正确响应到事件，从而错误地报告安全条件，对于各种实际接口风险（如：）可以显着提高：

• 压力仪表脉冲线堵塞或冻结
• 由于寒冷的温度，慢速传感器或毛细管响应
• 温度传感器涂层
• 侵蚀或初级流量元件的涂层
• 过程流体密度变化水平测量。

在情况下，一个或一个以上的这些风险状况的影响不止一个发射器，创造一个典型的冗余系统安装的常见原因，它会主导整个系统的风险。不幸的是，这是经常发生的情况，因为风险的根本原因通常是过程本身的特性。例如，线的根本原因堵塞通常是脏的工艺流体，其中，当然，将与接触并影响连接到所述特定过程的所有发射机。

例如，假设一个危险的压力变送器失效，这意味着它报告的过程中压力是在安全范围内时，它实际上是过去一个安全的风险限额，为每年0.01故障。因此，如果安装在同一应用程序100台设备，一台设备每年可以体验到这种危险的失效。扩展例子，假设发射器连接到过程会堵塞冲线的风险为每年0.005失败。我们可以假设，如果冲线连接一个发射器被堵塞，该线（S）连接其它（S）很可能最终会被堵塞，以及因为它们暴露在相同的环境。这使得这是一个常见的原因风险。

单一发射机的风险= λ_发射机+λ._堵=（0.01）¹+ 0.005 = 0.0150

风险与两个发射机=（λ_发射机) 2 +λ_堵=（0.01）²+ 0.005 = 0.0051

三个发射器的风险= (λ_发射机）3 +λ_堵=（0.01）^3.+ 0.005 = 0.0050

这种简化的计算显示了当变送器是多余的，任何常见原因都将占据测量的安全风险。因此，在相同的常见原因中添加更多的变送器可以减少最小的安全风险。试图通过任何精确程度的精确度量化真实普通的原因相关失败的风险 - 特别是在新的应用中 - 很难。因此，工程师旨在通过使用智能发射器可用的设计，技术，多样性和诊断的最佳实践来最大限度地减少每个常见风险。

改进压力测量:设计和诊断

一般来说，安全工程师应在安全应用中使用相同的设计最佳实践，因为在基本过程控制应用中有效的那些。当然，随着用户和供应商更加熟悉新技术，适应他们的优势和弱点，最佳实践随着时间的推移而发展。

如前所述，压力变送器通常使用传感或脉冲线路连接到过程中。这些线路使从远程过程连接定位发射机成为可能，在那里它可能更好地保护或更容易访问维护。在测量压差(DP)的地方(例如，获得一个封闭容器中的水平或流体元件或过滤器的压降)，传感线允许变送器安装在两个水龙头之间。充满过程液体的传感线被称为“湿腿”。然而，如果充满了工艺蒸汽，它们被称为“干腿”。大多数用户发现，湿腿中的液体容易蒸发或被污染，而干腿中的加工蒸汽容易凝结，因此两者都需要经常维护。由于这些和其他原因，许多用户用充油密封和充油毛细管替换湿腿或干腿。

如果过程和环境处于不同的温度下，沿着传感线的温度将随着热量传递到环境或从环境转移而变化。当过程持续高温，但环境温度变化时，这使设计变得复杂，这在室外安装中很常见。如果线路短，在夏季散热不足，可能会使发射机过热而损坏。这通常是一个明显的故障，很容易发现，但发射机需要更换。另一方面，如果线路太长，在冬天可能会散热过多。如图1所示，当环境温度为0℃时，典型传感线在160mm(6英寸)内降温140℃。

当温度下降时，该处理流体或毛细管填充流体可能开始变粗，结晶，或分离其到达发射机之前。降低温度增加各种毛细管填充流体的粘度，正如它在烃加工工业（见表）典型工艺流体一样。在一般情况下，沸点随分子量一同上升也是如此粘度。

在感测线或毛细管超过可接受的限度粘度升高减缓传感器的不断变化的压力响应。与填充有低于5厘沲（cSt）的流体有10毫米内直径有5米的毛细管将1至2秒阻尼响应时间。如果流体粘度增加至超过150厘沲，在同一个系统将看到由超过30秒的响应时间的增加。当然，与固体填充流体的系统将提供完全没有反应，但是这可能不是很明显，因为即使堵塞的系统可以保留其原来的压力。

即使在冗余发射机与该过程有不同的连接情况下，线路通常也会具有相似的长度并填充相同的流体。因此，所有连接的发射机通常遭受相同的慢响应或可能没有响应。当发生这种情况，如果处理压力变化快，由障装置测得的值可以是从处理压力显著不同，但逻辑解算器将不会检测到发射器之间的任何偏差。在这个例子中，如果压力偏移可能会在30秒内导致安全风险 - 这通常是真实的 - 安全系统不会及时启动停机，并且可以遵循安全事件。

即使绝缘，在户外应用的散热可以更快的5到10倍，冬季比夏季。出于这个原因，它通常是不可能设计一组感应线，可避免夏季过热，冬季过冷的。这个叶许多用户安装恒温控制的伴热，如在图2中所示的右上，上感测线和毛细血管，以保持最佳温度。但是，这增加了显著前期和后续维护成本。

设计和诊断解决方案

现代智能发射器具有许多内置的诊断功能。例如，一些制造商包括侦听该过程的能力，并允许系统编译噪声曲线以反映稳定且运行良好的过程。聆听是通过传感线完成的，如果它们被堵塞或者填充流体变得过于粘性，则幅度会降低或完全关闭声音。随着时间的推移观察到的变化表明了发展问题，可以提醒由传感线路堵塞引起的可疑值的运营商。这并不能解决问题，但它提供了发生的警告。

利用设计进步可以完全消除问题。较新的毛细管设计消除了在不影响响应时间的情况下感测线路加热的需求。如图2的左上区域所示，密封件直接连接到容纳热处理流体的容器或管道。密封和内铜管的设计经过优化，以沿线传递足够的热量，以保持填充油足够温暖以保持响应，而不会过热发射器。

对于非常热的过程，或在用户希望在从该过程很长的距离来定位发射机，可能需要两油溶液（参见图2，下侧区域）。高分子量（MW）油被使用与热过程相邻，以提供快速响应和高温稳定性。低MW油如Syltherm XLT当油已冷却中间密封之后被使用，并且它贯穿毛细管给发射机。这种低MW流体在低于-50°C的温度下保持低粘度，即使在最寒冷的气候下也能确保快速响应。这些新的单一和双油系统说明了现代设计实践如何消除显着的常见风险，具有最低额外的资本和运营成本。

改进水平测量:技术多样性和诊断

大多数压力仪器使用相同的底层传感技术，因此通过改变基本测量技术，几乎没有方法可以解决问题。另一方面，有许多方法可以测量至少十几种基本方法。因此，当SIS取决于可靠的级别测量时，有许多选项，每个选项都具有自己的优点和缺点。这提出了优化技术多样性的绝佳机会。

对于特别困难的应用，没有单一技术可以解决所有问题，并且绕过常见的难题可能涉及使用多种技术：第二种不同的测量方法来备份第一技术。二级技术不一定更好或更差。相反，它被选中，因为它的优点和弱点是对主要的互补性。

例如，考虑一个锅炉-汽包级应用程序。如果桶内的水位过低，桶就会过热而损坏。如果水位太高，水就会被蒸汽卷走，损坏下游的设备。考虑到这两种情况的严重后果，几乎所有锅炉都使用多个冗余液位测量装置。

有两种常用的技术用于锅炉桶;两者都是DP，它测量锅炉上高点和低点之间的流体静压头，以及机械置换器。虽然这种组合被广泛应用，但当压力或温度发生变化时，这两种技术都会出现误差。例如，当桶中的水变得更热时，它的密度就会降低。即使水位固定，较低的水密度也会导致驱替器浮得更低，DP变送器读取的压力也更低，这被解释为较低的水位。由于这个原因，当转鼓压力或温度变化时，这些技术会出现显著的水平误差(见图3)。

设计人员了解这些特征，通常以某种形式的补偿构建。尽管如此，这些方法在稳态条件下最佳。不幸的是，使用负载摇摆和启动/关机周期通常更具动态的现实情况。通常，补偿机制不够快。更糟糕的是，当蒸汽流出锅炉的速度快速增加时，沸水高于沸水的压力降低，导致水弄脏（膨胀）和水平增加，同时，水的密度降低导致置换器或DP发送器读取更低。在该过程相反方向上移动的测量问题被称为“反应响应”。反向（缩小）也可能发生导致两个设备说出级别高于它的水平。

使用冗余DP发射器或置换器没有帮助，因为所有设备都受到常见变化流体密度的常见原因的影响。更好的方法是使用多样性，利用不受这种变化的备用技术，例如引导波雷达（GWR）。

GWR技术是油气行业用户熟悉的一种技术。它包括一个电磁脉冲，由安装在容器顶部的发射器发射，并沿探头向下引导。脉冲的一些能量会从液体表面反射回来，而传输时间决定了到液体表面的距离。这种方法是可行的，因为在液体上方的蒸汽空间中，脉冲的速度通常是恒定的，至少在碳氢化合物加工应用的压力和温度下是这样。

然而，对于高密度蒸汽却不是这样。高密度蒸汽的介电常数明显更高，这意味着脉冲的速度明显低于低密度蒸汽、空气或碳氢化合物蒸汽。如果不加以纠正，这可能会导致电平上的显著误差(见图3)。幸运的是，这种误差可以被描述出来，然后可以在测量中建立适当的补偿。

如图4所示，较新的GWR单元在已知的距离包括一个固定的反射器，通常在高警戒点，比如法兰以下10厘米。这种固定反射器的最初应用是为了简化周期性的验证测试。用户无需派技术人员爬到水箱顶部目测液位，只需确认反射镜始终在10厘米处出现即可。

因为GWR发射机同时可以在4-20 mA模拟信号和反射器距离上提供初级电平以及作为辅助变量以及通过其他诊断数据哈特，这是一种简单的事情，用于在线连续计算锅炉中的条件的适当校正因子，而不会中断其安全功能。如果反射器测量表明此时需要校正+ 1.46％，则将相同的补偿因子应用于电平测量。在整个运行范围内证明这种方法，包括在负载摇摆和启动/关闭周期内，在各种工业锅炉应用中。GWR可以更换机械置换器，或如图5所示，可以与整体磁电平指示器和发射器集成，以提供视觉指示和冗余测量。

为了实现安全可靠的工艺，设计人员必须确保安全可靠的SIS在稳定和良好控制的工艺之上工作。理解和减少作业所有领域的共同原因问题是至关重要的，用户可以利用各种新技术，在进行过程测量时扩大设计、多样性和诊断范围。

马克塞斯,彭,管理爱默生自动化解决方案在加拿大的测量业务，包括压力，温度，液位，流量和腐蚀。他在过程自动化方面有27年的经验;其中20个和爱默生在一起。他拥有多伦多大学的化学工程学位和约克-舒立克大学的工商管理硕士学位。由CFE Media内容经理Jack Smith编辑，控制工程，jsmith@cfemedia.com．

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关键概念

• 风险变送器不能正确响应事故可能是由于压力仪表的脉冲线堵塞或冻结，一次流动元件的腐蚀或涂层，以及/或由于低温导致的传感器或毛细管响应缓慢。
• 根本原因管道堵塞通常是脏的工艺流体，它会接触并影响到连接到特定工艺的所有变送器。
• 一个更新的风格导波雷达(GWR)液位变送器可以代替机械位移器，也可以与集成磁电平指示器和变送器集成，提供可视化显示和冗余测量。

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