艾默生安全閥數(shù)字化發(fā)展步伐

安全閥能夠安全、可靠并且實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型嗎？

答案是肯定的。關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)發(fā)展速度比我們想象的還要迅速。安全閥已經(jīng)廣泛用于工廠的各個(gè)裝置以保護(hù)設(shè)備和人員安全，作為安全生產(chǎn)的最后一道防線(xiàn)，安全閥必須在超壓事故發(fā)生時(shí)，在其他一切應(yīng)急操作失效后提供有效的超壓保護(hù)。在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，安全閥的設(shè)計(jì)只有微小的變化，因此安全閥的數(shù)字化轉(zhuǎn)型很容易實(shí)現(xiàn)。

安全閥通常是一個(gè)純機(jī)械性的設(shè)備，它不依靠外力作用，不附加電源和氣源，僅依靠系統(tǒng)介質(zhì)本身的力來(lái)動(dòng)作，也不上到DCS 系統(tǒng)，如圖1所示。因此，工廠運(yùn)行和管理人員難以實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確地了解安全閥的工作狀態(tài)。

圖1: 安全閥通常未連接到工廠的控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)中，這給工廠的運(yùn)行帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。

由于安全閥在工廠的特殊和重要地位，以及缺乏狀態(tài)監(jiān)測(cè)等手段，給工廠裝置運(yùn)行帶來(lái)了許多安全挑戰(zhàn)。安全閥的數(shù)字化對(duì)解決安全閥使用過(guò)程中安全上的挑戰(zhàn)頗有幫助。

安全閥的數(shù)字化至少可以從開(kāi)啟泄漏監(jiān)測(cè)和設(shè)備信息管理兩方面出發(fā)，既實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，同時(shí)也提升了安全閥本身的安全性和可靠性。

安全閥開(kāi)啟泄漏監(jiān)測(cè)

安全閥的使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包含開(kāi)啟與關(guān)閉以及泄漏狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以第一時(shí)間記錄和反饋安全閥運(yùn)行狀態(tài)信息。

安全閥開(kāi)啟或泄漏在安全性、可靠性、成本和排放上的影響

根據(jù)艾默生的研究，有大量的超壓工況發(fā)生但未被發(fā)現(xiàn)和記錄，相對(duì)于安全閥超壓泄放，安全閥的泄漏可能更不容易被發(fā)現(xiàn)。更好地了解這些安全閥的超壓泄放或泄漏原因?qū)⑻岣吖S的盈利能力和生產(chǎn)可靠性，同時(shí)減少介質(zhì)排放，提高工藝安全性。

安全性

超壓泄放是一種未遂安全事故，但其發(fā)生的頻率越低代表我們的運(yùn)行控制越有效。

潛在的問(wèn)題是，安全閥超壓泄放發(fā)生的頻率比我們想象的要高，而且通常未被發(fā)現(xiàn)和報(bào)告。如果工廠可以提供超壓泄放記錄，則為原因故障分析和相應(yīng)培訓(xùn)提供了材料和依據(jù)，許多問(wèn)題都可以避免。

安全閥超壓泄放不屬于常規(guī)工況，應(yīng)記錄下來(lái)以進(jìn)行進(jìn)一步的原因分析和調(diào)查。如果安全閥經(jīng)常發(fā)生動(dòng)作，這可能會(huì)是一個(gè)值得更多關(guān)注的工藝流程問(wèn)題。

可靠性

安全閥開(kāi)啟或關(guān)閉直接或間接影響工藝流程的正常運(yùn)行。如果超壓頻繁發(fā)生，不僅安全閥的密封面受到影響，也可能會(huì)對(duì)相鄰的機(jī)械設(shè)備比如上下游關(guān)斷閥造成壓力，超壓泄放的介質(zhì)也會(huì)對(duì)工藝裝置的順利運(yùn)行產(chǎn)生影響。

部分安全閥在運(yùn)行壓力達(dá)到整定壓力50%時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)泄漏。而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員并沒(méi)有注意到現(xiàn)場(chǎng)有大量安全閥出現(xiàn)泄漏，關(guān)鍵是大家不知道安全閥從哪個(gè)時(shí)刻開(kāi)始泄漏了以及為什么泄漏。

安全閥泄漏的最常見(jiàn)原因是超壓泄放后閥瓣或噴嘴損壞。可能是安全閥沒(méi)有正確回座，可能是碎屑損壞了閥瓣或噴嘴的密封面，或者是閥門(mén)在回座時(shí)發(fā)出顫振。

如果安全閥沒(méi)有使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)，則工作人員難以了解超壓泄放期間發(fā)生了什么。

成本

如果系統(tǒng)運(yùn)行壓力在安全閥的密封壓力以下，安全閥不應(yīng)發(fā)生泄漏。然而，在對(duì)一家頂級(jí)煉化一體化公司業(yè)的1萬(wàn)份安全閥服務(wù)記錄進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)。

當(dāng)安全閥上線(xiàn)使用前都需要進(jìn)行校驗(yàn)，以確保其起跳壓力的準(zhǔn)確性。分析顯示，校驗(yàn)時(shí)，20%的安全閥在閥前壓力低于50%整定壓力時(shí)即發(fā)生泄漏，其中8%泄漏嚴(yán)重，以至于測(cè)試臺(tái)無(wú)法提供足夠的流量來(lái)使安全閥動(dòng)作。

即便一個(gè)安全閥的泄漏率僅為額定泄放量的0.1%，那么其一年的泄漏量相當(dāng)于閥門(mén)全開(kāi)6小時(shí)。安全閥全開(kāi)時(shí)泄放的介質(zhì)可達(dá)上百?lài)?。艾默生的研究表明，一個(gè)1000萬(wàn)噸/年的煉油廠每年在產(chǎn)品和能源上的損失費(fèi)用超過(guò)1000萬(wàn)元。

排放

污染物的排放和泄漏(如圖2所示)可能導(dǎo)致罰款、訴訟或者額外的工作量去識(shí)別排放源和報(bào)告每次泄漏。如果介質(zhì)的濃度和壓力較高，微小的泄漏也可能會(huì)產(chǎn)生大量的介質(zhì)外泄。

圖2: 該圖顯示了一個(gè)典型的泄漏事故。第一次排放后，安全閥沒(méi)有完全關(guān)閉。圖中藍(lán)線(xiàn)顯示泄漏持續(xù)存在，這一泄漏由綠線(xiàn)所示的安全閥監(jiān)測(cè)所檢測(cè)到。

安全閥的泄漏可能導(dǎo)致廠區(qū)和廠界非甲烷總烴限值的達(dá)標(biāo)，也可能會(huì)阻礙公司實(shí)現(xiàn)ESG目標(biāo)的承諾。

解決問(wèn)題

通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)安全閥運(yùn)行的連續(xù)監(jiān)測(cè)。當(dāng)閥門(mén)起跳時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向運(yùn)行人員發(fā)出警報(bào)，并記錄每次超壓泄放發(fā)生的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間；它還能告知閥門(mén)是否泄漏、以及震顫或頻跳等情況。有了這些實(shí)時(shí)信息，就有可能將安全閥的開(kāi)啟與運(yùn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。

超壓泄放可以與歷史記錄和維護(hù)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。工廠不僅可以對(duì)閥門(mén)，還可以對(duì)工藝進(jìn)行更深入、準(zhǔn)確的故障分析。維修人員可以使用數(shù)據(jù)分析來(lái)改進(jìn)診斷，并遠(yuǎn)程連接閥門(mén)專(zhuān)家以幫助實(shí)時(shí)排除故障。數(shù)字化轉(zhuǎn)型還可以開(kāi)發(fā)新的操作流程和安全程序，以避免超壓工況再次發(fā)生。以上這些都需要從建立監(jiān)測(cè)開(kāi)始。

安全閥的開(kāi)啟泄漏監(jiān)測(cè)主要有3種方式，一種是通過(guò)檢測(cè)閥桿的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方式我們可以使用艾默生旗下Fisher品牌的4320、4200無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)位置變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)Topworx品牌的限位開(kāi)關(guān)，這種方式適用于彈簧型式安全閥，不能對(duì)安全閥的泄漏進(jìn)行很好的監(jiān)測(cè)；第二種是通過(guò)監(jiān)測(cè)先導(dǎo)閥主閥上腔和安全閥入口的壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品是艾默生羅斯蒙特的3051、2051無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)差壓變送器，適用于先導(dǎo)型式安全閥，同樣不能對(duì)安全閥的泄漏進(jìn)行很好的監(jiān)測(cè)；第三種是通過(guò)監(jiān)測(cè)安全閥排放或泄漏時(shí)出口管道的超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)應(yīng)的艾默生產(chǎn)品是艾默生羅斯蒙特品牌的708無(wú)線(xiàn)聲波變送器，適用于所有型式的安全閥，對(duì)安全閥的開(kāi)啟和關(guān)閉都能很好的監(jiān)測(cè)。

我們通過(guò)出口連接火炬的安全閥來(lái)進(jìn)行應(yīng)用舉例，現(xiàn)場(chǎng)很多非普通氣體或者蒸汽的安全閥出口都是連接到火炬的，包括非甲烷烴類(lèi)、有毒有害介質(zhì)的安全閥。在我們發(fā)現(xiàn)火炬異常的時(shí)候，通常是與其相連的安全閥出現(xiàn)了問(wèn)題，或者是安全閥開(kāi)啟了，也或者是安全閥出現(xiàn)了泄漏，這個(gè)時(shí)候我們就需要進(jìn)行排查來(lái)進(jìn)行安全閥定位，并及時(shí)解決問(wèn)題。是安全閥A出現(xiàn)問(wèn)題了還是安全閥B出現(xiàn)問(wèn)題了，以往定位到出現(xiàn)問(wèn)題的安全閥都是通過(guò)人工巡檢的方式來(lái)查找的，安全閥開(kāi)啟了還好，我們還可以通過(guò)安全閥排放過(guò)程中的聲音來(lái)進(jìn)行定位，如果是泄漏問(wèn)題，問(wèn)題的排產(chǎn)就會(huì)比較困難?；蛘呶覀兏揪驼也坏絾?wèn)題的來(lái)源，因?yàn)橐欢螘r(shí)間以后安全閥已經(jīng)關(guān)閉了，或者泄漏已經(jīng)不存在了，我們就不能很好的為運(yùn)行提供分析依據(jù)。又或者我們找到了問(wèn)題安全閥的所在，可是安全閥的排放或者泄漏已經(jīng)發(fā)生了很長(zhǎng)時(shí)間，這不僅僅有介質(zhì)損失導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是安全隱患得不到及時(shí)地消除。無(wú)線(xiàn)聲波變送器通常安裝于安全閥的出口管道，通過(guò)卡捁型式安裝，原理是超聲波加溫度輔助，無(wú)線(xiàn)聲波變送器將監(jiān)測(cè)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)傳遞至上位機(jī)。在安裝了安全閥監(jiān)測(cè)設(shè)備之后，我們就可以第一時(shí)間得到準(zhǔn)確的信息，是安全閥A出現(xiàn)問(wèn)題了，然后第一時(shí)間來(lái)采取對(duì)應(yīng)的措施。

安全閥監(jiān)測(cè)設(shè)備

采用WirelessHART®協(xié)議的的無(wú)線(xiàn)聲波變送器(如圖3所示)可以直接安裝在工藝閥門(mén)、彈簧式安全閥、先導(dǎo)式安全閥、疏水閥和其他常見(jiàn)流體控制設(shè)備附近的管道上。

圖3: 一個(gè)無(wú)線(xiàn)聲波變送器(照片右上方藍(lán)色的設(shè)備)安裝在安全閥的出口管道上，將任何安全閥泄漏或開(kāi)啟引起的振動(dòng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)HART協(xié)議反饋給控制系統(tǒng)。

由于流體介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生湍流并形成振動(dòng)，無(wú)線(xiàn)聲波變送器可以感應(yīng)到管路中的振動(dòng)。無(wú)線(xiàn)聲波變送器采集振動(dòng)發(fā)生時(shí)的超聲波頻率，因?yàn)檫@些頻率很容易識(shí)別，即使在環(huán)境噪聲比較嚴(yán)重的環(huán)境中也不會(huì)收到影響。

依據(jù)記錄的超壓泄放持續(xù)時(shí)間，安全閥的單位泄放量計(jì)算值，可以大約計(jì)算每次超壓的總泄放量。

巨大的成本節(jié)省空間

帶有同樣問(wèn)題的安全閥重新投入使用并不罕見(jiàn)，安全閥的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為查明根本故障原因提供了數(shù)據(jù)。艾默生的安全閥監(jiān)測(cè)解決方案可為大型煉油廠節(jié)約上千萬(wàn)元的介質(zhì)損失成本。

除此以外還有來(lái)自于巡檢的成本節(jié)約。該解決方案還消除了以往的危險(xiǎn)區(qū)域的人工巡檢，改善了運(yùn)行人員的健康和安全。以往我們對(duì)安全閥工作狀態(tài)的得知都是通過(guò)人工巡檢得到的，而人工巡檢的方式正在面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。首先我們要配備相應(yīng)的巡檢人員，隨著年輕人對(duì)于一線(xiàn)工作的意愿性越來(lái)越低以及勞動(dòng)成本的不斷提高，加之隨著項(xiàng)目體量的增大廠區(qū)面積越來(lái)越大，我們需要配備更多的巡檢人員來(lái)覆蓋更大面積的廠區(qū)，這些都使得人工巡檢對(duì)安全閥工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)成為挑戰(zhàn)。人工巡檢難免會(huì)出現(xiàn)一些偏差和信息的遺漏，大面積的廠區(qū)也會(huì)有巡檢效率的問(wèn)題。因?yàn)榘踩y的安裝位置高遠(yuǎn)，比如分離塔的高度最高超過(guò)100m，這使得巡檢效率較低，也對(duì)巡檢人員的安全不利。同時(shí)人工巡檢受天氣的影響比較大，大雨大風(fēng)或者沿海的臺(tái)風(fēng)季節(jié)是沒(méi)有辦法進(jìn)行巡檢的；現(xiàn)場(chǎng)高溫、腐蝕、有毒有害氣體環(huán)境是不適合進(jìn)行人工巡檢的。

人工巡檢另一個(gè)較大的缺點(diǎn)是時(shí)間的遲滯，不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)所出現(xiàn)的問(wèn)題。所以人工巡檢的方式會(huì)有時(shí)間滯后、成本和安全上的挑戰(zhàn)。在配備了安全閥的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備之后，我們就可以第一時(shí)間在控制系統(tǒng)上看到所出現(xiàn)的問(wèn)題，并直接準(zhǔn)確定位到出現(xiàn)問(wèn)題的安全閥，及時(shí)地采取措施。安全閥的開(kāi)啟泄漏監(jiān)測(cè)不只是可以監(jiān)測(cè)艾默生所提供的安全閥，也可以為現(xiàn)場(chǎng)其他品牌的安全閥提供監(jiān)測(cè)服務(wù)。