【導讀】2020年西門子杯全國大學生自動化挑戰(zhàn)賽設計開發(fā)型競賽組分賽區(qū)考題及其初賽評分細則。新一代高級多功能過程控制實訓系統(tǒng)說明。SIMATICPCS7使用手冊及產(chǎn)品目錄。選型以及儀表電源供給方案設計?！舭l(fā)器E1201，本參賽隊按照自控系統(tǒng)設計規(guī)范，進行了工程方案的設計。定控制方案，確定開、停車以及緊急事故處理方案等。接受工藝等專業(yè)的設計條件，提出設備、管道、電氣等專業(yè)的設計條件；負責檢測儀表、控制系統(tǒng)及其輔助設備和安裝材料的選型設計；型，并參加軟件的編制工作；負責控制室、儀表車間的設計。的要求，完成工程方案設計，并進入現(xiàn)場實施工程項目。

　　

【正文】 閥F V 1 2 0 2關 閉 過 熱 蒸 汽 調(diào) 節(jié) 閥F V 1 1 0 5關 閉 二 次 蒸 汽 調(diào) 節(jié) 閥F V 1 2 0 3關 閉 稀 液 流 量 進 料 閥F V 1 2 0 1停 車 結 束 圖 停車順序 蒸發(fā)器控制節(jié)能減排 隨著國家對節(jié)能減排要求的提高以及企業(yè)對利潤追求的最大化，在設計的過程中要考慮蒸發(fā)器節(jié)能減排的問題。 正常工作下的蒸發(fā)器裝置，節(jié)能就是要提 高蒸發(fā)器的效率，即減少蒸發(fā)器的熱損失，并且要充分利用原料。蒸發(fā)器的熱損失主要是在完成初步的熱交換后以二次蒸汽的形式排出。如果二次蒸汽控制閥的開度越大，則熱損失越嚴重，但要是二次蒸汽的開度不足夠大，則會出現(xiàn)安全隱患。因此為了保證熱量的充分利用并且不出現(xiàn)安全的情況，我們必須合理控制二次蒸汽控制閥。對于原料，主要有過 27 熱蒸汽和稀液兩種，合理控制流量和蒸發(fā)器的溫度、壓力，變可以實現(xiàn)原料的高效利用。 正常工作下的蒸發(fā)器，沒有氣體的污染產(chǎn)生，但是理論上存在液體的污染和氣體的污染。比如當熱交換不充分情況下，二次蒸汽不再是單 純的水蒸汽；當控制不完善使得濃縮液的濃度不符合要求，則會出現(xiàn)液體污染；當出現(xiàn)安全隱患發(fā)生控制過程中的安全問題時，稀液沒有經(jīng)過充分熱交換而直接通過冷凝水出口流出污染環(huán)境。 蒸發(fā)器開車過程中的節(jié)能 在開車過程中，根據(jù)蒸發(fā)器控制溫度上升曲線確定投燃料的最優(yōu)曲線，使燃料量跟蹤蒸發(fā)器開車過程中的燃料量最優(yōu)曲線，這就保證在開車過程中，蒸發(fā)器內(nèi)溫度達到目標溫度并且無超調(diào)，在較短的時間內(nèi)使用最少的燃料達到穩(wěn)定工況。 蒸發(fā)器控制方案設計中的節(jié)能減排 在設計控制方案時，要充分考慮節(jié)能減排 的要求，以 達到節(jié)能減排的目的。 例如，當給蒸發(fā)器通一定量的稀液達到要求液位時再打開過熱蒸汽的閥門使過熱蒸汽進入蒸發(fā)器與稀液進行熱交換，在這個過程中為了使他倆更充分的完成熱交換這個過程，我們設計稀液流量為一定值后再通入過熱蒸汽，這樣就能提高蒸發(fā)器的工作效率，并且使原料充分利用，這樣就達到了節(jié)能的目的。針對于在該系統(tǒng)中的減排控制，我們秉承安全、合理控制的原則進行悉心設計，由于系統(tǒng)本身比較環(huán)保和綠色，因此只要能實現(xiàn)準確控制，則不會出現(xiàn)排放污染的問題。 安全相關系統(tǒng)（ SRS） 安全相關系統(tǒng)設計原則 安全相關 系統(tǒng)主要包括信號報警及安全儀表系統(tǒng)，它們是保證安全生產(chǎn)的重要措施之一。大多數(shù)化工過程要求信號報警、安全儀表系統(tǒng)采用失效安全的原則，使設備在特定的故障發(fā)生時轉入預定義的安全狀態(tài)。另外，工業(yè)生產(chǎn)裝置中的儀表與設備經(jīng)常會有防腐、防塵、防震、防電磁干擾、防爆等要求。安全相關系統(tǒng)的設計原則如下： （ 1）信號報警、聯(lián)鎖點的設置，動作設定值以及調(diào)整范圍必須符合生產(chǎn)工藝的要求； （ 2）在滿足安全生產(chǎn)的前提下，應當盡量選擇線路簡單、元器件數(shù)量少的方案； 28 （ 3）安全相關系統(tǒng)應當安裝在振動小、灰塵少、無腐蝕氣體、無電磁干擾的場所 ； （ 4）應用 DCS 和 PLC 時，可采用經(jīng)權威機構認證的 DCS/PLC 來構造安全相關系統(tǒng)； （ 5）安全相關系統(tǒng)中安裝在危險場所的檢出裝置、執(zhí)行器、按鈕、信號燈、開關等應當 符合所在場所的防爆、防火要求； （ 6）安全相關系統(tǒng)的供電要求與一般儀表供電等級相同，為保證重要安全儀表系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的工作，應當為其配備不間斷電源。 遵照上述原則，本方案通過對蒸發(fā)器進行安全分析，確定系統(tǒng)所應實施的安全相關系統(tǒng)。 安全相關系統(tǒng)設計步驟 本方案首先通過對被控對象進行安全分析，確定系統(tǒng)中包含哪些危險隱患，再設計 相應的安全相關系統(tǒng)，在滿足安全生產(chǎn)需要的前提下保證安全相關系統(tǒng)設計的合理性和經(jīng)濟性。具體的設計步驟如圖 。 目 的 ： 定 義 可接 受 的 風 險 水平目 的 ： 識 別 系統(tǒng) 中 所 有 潛 在可 能 事 件 鏈目 的 ： 針 對 每一 事 件 鏈 ， 分析 保 護 措 施 充足 與 否目 的 ： 審 查 所 有不 可 接 受 的 風 險是 否 已 受 到 防 護工 具 ： 風 險 矩 陣工 具 ： H A Z O P 工 具 ： L O P A 工 具 ： 人 工定 義 風 險 等 級 識 別 潛 在 風 險 校 核 防 護 層 設 計 結 論 審 查 圖 安全相關系統(tǒng)設計步驟 第一步：定義風險等級 在生產(chǎn)裝置中引進安全防護手段，其作用是為了將風險減低到企業(yè)可接受的水平。任何防護手段都不可能完全消除風險。 由于石化生產(chǎn)裝置的復雜性導致了潛在風險數(shù)目極大，不可能對所有的風險都采取措施。因此，需要在設計安全相關系統(tǒng)之前，就明確地定義多大程度的風險可以接受，而什么樣的風險必須采取措施 。只有將風險等級進行明確的定義和劃分后，才能以此為衡量指標，在眾多的潛在風險中找到必須要解決的關鍵風險。 29 第二步：識別所有潛在風險 定義了風險等級后，使用合理的安全評價方法對裝置中可能存在的風險進行充分、徹底地識別，獲得裝置中每個風險發(fā)生原因和所導致后果之間的對偶關系。只有在獲得所有可能的潛在風險的基礎上，才能對裝置進行充分、完整地防護層設計與校核。 第三步：校核防護層設計 針對第二步中所識別出來的每一個可能的風險，考慮當前已有的保護措施對風險的降低程度，校核其是否滿足在風險矩陣中定義的可接受范圍。如果不能 滿足要求，則需要引入新的防護措施，并對引入新的防護措施后的風險降低程度重新進行計算。 第四步：結論審查 檢查所有不可接受的風險是否都已受到防護，即所有風險的等級都達到“可接受”范圍內(nèi)。如若不然，回到第三步重新進行防護層校核與設計。 蒸發(fā)器安全分析與保護層設計 蒸發(fā)器風險矩陣 目前國際上安全領域?qū)︼L險的通用定義為：風險 =某一事故鏈發(fā)生的可能性該事故發(fā)生后產(chǎn)生的嚴重程度風險矩陣就是一種定性的風險定義方法，其形式隨著對事故發(fā)生的可能性和嚴重度的劃分等級的不同而有所不同，本方案采用國際通用的 5 5 矩 陣，如圖 所示。 30 圖 蒸發(fā)器裝置風險矩陣 風險矩陣的行代表風險發(fā)生的頻率，列代表風險發(fā)生所導致的后果的嚴重程度，矩陣中每一個元素代表某個風險發(fā)生時，其后果是否可以接受，如果不能接受或需要審查，則需要進行防護層的校核和安全相關系統(tǒng)的設計。 針對蒸發(fā)器，對風險發(fā)生頻率等級、風險導致后果等級以及風險等級進行定義，如表 2 24和25所示。 表 23 蒸發(fā)器風險發(fā)生的頻率等級 頻率等級 發(fā)生次數(shù) 1 1000年 1次 2 100年 1次 3 10年 1次 4 1年 1次 5 1年 10次 表 24 蒸發(fā)器風險發(fā)生所導致的后果嚴重等級度 后果 1 2 3 4 5 1 無危害 可接受 可接受 待審查 待審查 2 可接受 可接受 待審查 待審查 待審查 3 可接受 待審查 待審查 待審查 不可接受 4 待審查 待審查 待審查 不可接受 不可接受 5 待審查 待審查 不可接 受 不可接受 不可接受 31 后果等級 后果嚴重程度 1 人員：無傷害，無時間損失 公眾：無傷害、危險 環(huán)境：不會帶來工作場所和環(huán)境危害 設備：估計損失低于 1萬元 2 人員：很小的傷害或無傷害，無時間損失 公眾：無傷害、危險 環(huán)境：不會受到通告或違反允許條件 設備：很小的設施損害，估計損失低于 10萬元 3 人員： 1人受到傷害，不是特別嚴重，可能會損失時間 公眾：因氣味或噪聲引起公眾抱怨 環(huán)境：受到通告或違反允許條件 設備：有些設施 受到損害，估計損失大于 10萬元 4 人員： 1人或多人嚴重受傷 公眾： 1人或多人受傷 環(huán)境：重大泄漏，給工作場所外帶來嚴重影響 設備：生產(chǎn)過程設施受到損害，估計損失大于 50萬元 5 人員：人員死亡或永久性失去勞動能力的傷害 公眾： 1人或多人嚴重受傷 環(huán)境：重大泄漏，給工作場所帶來嚴重環(huán)境影響，導致直接或潛在的健康危害 設備：生產(chǎn)設施嚴重或全部損害，估計損失大于 100萬元 表 25 蒸發(fā)器事故風險等級 風險等級 說明 無危害 不需要采取行動 可 接受 可選擇性的采取行動，需評估可選擇的方案 待審查 選擇合適的時機采取行動，通知公司管理部門 不可接受 立即采取行動，通知公司管理部門 裝置中所有潛在的事故風險，都需要用風險矩陣進行核查。只有當所有事故風險的計算結果都落在上圖左上角綠色的“可接受”區(qū)域內(nèi)，才能認為該裝置目前屬于可接受的安全水平。 二、蒸發(fā)器風險辨識 下面采用國際公認的石化行業(yè)最佳的風險識別方法 —— 危險與可操作性分析（ Hazard and 32 Operability Analysis， HAZOP）方法，對加熱爐裝 置進行風險識別。 HAZOP 是一種基于偏差進行安全分析的技術，該方法全面、系統(tǒng)地研究系統(tǒng)中的每一個參數(shù)，檢查重要的參數(shù)偏離設計條件所導致的危險和可操作性問題，識別出相應的故障原因，得出當前的防護裝置和安全措施。 下面結合蒸發(fā)器 SDG 模型來進行危險與可操作性分析。為蒸發(fā)器 SDG 模型中每個可能發(fā)生偏離的節(jié)點增加引起其偏離的原因 R（ Reason），對每個可能由于偏離而造成不利后果的節(jié)點增加后果 C（ Conclusion），將得到如圖 SDGHAZOP 模型。 F V 1 1 0 5開 度F I 1 1 0 5T I 1 2 0 1P I 1 2 0 1F V 1 2 0 1 閥 后 壓 力F I 1 2 0 1F V 1 2 0 1 開 度L I 1 2 0 1A I 1 2 0 1F V 1 2 0 1 開度稀 液 蒸 發(fā) 量F I 1 2 0 3蒸 發(fā) 器上 部 汽相 組 分F V 1 2 0 2閥 前 壓力F V 1 2 0 2RT I 1 2 0 3RCRCR粘 性 物 質(zhì) 長 時間 積 累C 圖 210 蒸發(fā)器 SDGHAZOP模型 該模型蘊含了 62 條關于事故原因和不利后果之間的因果關系鏈，下面針對如下幾種情況進行具 33 體分析。模型節(jié)點紅色代表參數(shù)值超過報警上限；藍色代表參數(shù)值低于報警下限。 （ 1） 二次蒸汽管道爆炸 如圖 ，蒸發(fā)器溫度越高，由于金屬的導熱性比較良好，使得二次蒸汽管道溫度迅速上升，到一定情況后會發(fā)生爆裂。由此反相搜索，可以得到：燃料壓力過高、進料中斷以及其它因素如受熱不均等，都會導致爐管溫度升高，使爐管結焦最終破裂。與之相應的 HAZOP 結論如表 26所示。 RCRPI1201FI1203 TI1201TI1203二 次 蒸 汽 管道 溫 度蒸 發(fā) 器 溫 度二 次 蒸 汽 流 量蒸 發(fā) 器 壓 力 圖 二次蒸汽管道爆裂 SDGHAZOP模型 其中 C表示發(fā)生二次蒸汽管道爆裂的現(xiàn)象； R分別表示使蒸發(fā)器壓力驟升的因素（如過熱蒸汽進料量過大等。）和使二次蒸汽管道溫度驟升的因素（如管道本身的生產(chǎn)故障或是因長時間使用導致的質(zhì)量的下降等）。 表 26 二次蒸汽管道爆裂 HAZOP結論 偏差 原因 后果 已有防護措施 描述 概率 描述 嚴重 度 管道溫度 過高 蒸發(fā)器壓力過高 5 管道爆裂 3 稀液流 量自動控制 進料中斷 4 過熱蒸汽流量自動控 制 34 風險傳播鏈如下： 1）蒸發(fā)器壓力過高→熱交換頻率加快→蒸發(fā)器溫度超高→二次蒸汽管道溫度超高→二次蒸汽管道爆裂 2）稀液進料中斷→蒸發(fā)器溫度超高→二次蒸汽管道爆裂 由風險傳播鏈 1）可以發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器溫度是表征二次蒸汽管道溫度的重要參數(shù)。 （ 2）進料中斷或及進料量過少 如圖 進料中斷會導致蒸發(fā)器溫度急劇升高而可能使二次蒸汽管道發(fā)生爆裂。若進料量較少，會使物料出口溫度急劇升高且影響物料出口濃度組分，產(chǎn)品達不到工藝指標。與之相應的 HAZOP 結論如表 27所示。 蒸 發(fā) 器 溫 度CR物 料 流 量RFI1201AI1201 圖 進料中斷 SDGHAZOP 模型 其中 C代表因進料中斷導致的安全隱患； R分別代表使蒸發(fā)器溫度驟升的因素（如過熱蒸汽通入量過大、二次蒸汽排出量過少等。）和使稀液流量驟減的因素（如蒸發(fā)器溫度和壓力過大的反作用使流入量驟降）； AI1201 為蒸發(fā)器內(nèi)濃縮液濃度。 表 2