安全閥能夠安全、可靠并且實現(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，安全閥必須在超壓事故發(fā)生時，在其他一切應(yīng)急操作失效后提供有效的超壓保護(hù)。在過去的一個多世紀(jì)以來，安全閥的設(shè)計只有微小的變化，因此安全閥的數(shù)字化轉(zhuǎn)型很容易實現(xiàn)。

    安全閥通常是一個純機(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)本身的力來動作，也不上到DCS 系統(tǒng)，如圖1所示。因此，工廠運行和管理人員難以實時和準(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，這給工廠的運行帶來不小的挑戰(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)測等手段，給工廠裝置運行帶來了許多安全挑戰(zhàn)。安全閥的數(shù)字化對解決安全閥使用過程中安全上的挑戰(zhàn)頗有幫助。

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

    安全閥開啟泄漏監(jiān)測

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

    安全閥開啟或泄漏在安全性、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行控制越有效。

    潛在的問題是，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)生動作，這可能會是一個值得更多關(guān)注的工藝流程問題。

可靠性

    安全閥開啟或關(guān)閉直接或間接影響工藝流程的正常運行。如果超壓頻繁發(fā)生，不僅安全閥的密封面受到影響，也可能會對相鄰的機(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)也會對工藝裝置的順利運行產(chǎn)生影響。

    部分安全閥在運行壓力達(dá)到整定壓力50%時即開始出現(xiàn)泄漏。而現(xiàn)場運行人員并沒有注意到現(xiàn)場有大量安全閥出現(xiàn)泄漏，關(guān)鍵是大家不知道安全閥從哪個時刻開始泄漏了以及為什么泄漏。

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

    如果安全閥沒有使用狀態(tài)監(jiān)測，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，在對一家頂級煉化一體化公司業(yè)的1萬份安全閥服務(wù)記錄進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的事實。

    當(dāng)安全閥上線使用前都需要進(jìn)行校驗，以確保其起跳壓力的準(zhǔn)確性。分析顯示，校驗時，20%的安全閥在閥前壓力低于50%整定壓力時即發(fā)生泄漏，其中8%泄漏嚴(yán)重，以至于測試臺無法提供足夠的流量來使安全閥動作。

    即便一個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)于閥門全開6小時。安全閥全開時泄放的介質(zhì)可達(dá)上百噸。艾默生的研究表明，一個1000萬噸/年的煉油廠每年在產(chǎn)品和能源上的損失費用超過1000萬元。

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別排放源和報告每次泄漏。如果介質(zhì)的濃度和壓力較高，微小的泄漏也可能會產(chǎn)生大量的介質(zhì)外泄。

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

    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)，也可能會阻礙公司實現(xiàn)ESG目標(biāo)的承諾。

    解決問題

    通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)，可以實現(xiàn)安全閥運行的連續(xù)監(jiān)測。當(dāng)閥門起跳時，系統(tǒng)會向運行人員發(fā)出警報，并記錄每次超壓泄放發(fā)生的時間和持續(xù)時間；它還能告知閥門是否泄漏、以及震顫或頻跳等情況。有了這些實時信息，就有可能將安全閥的開啟與運行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。

    超壓泄放可以與歷史記錄和維護(hù)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。工廠不僅可以對閥門，還可以對工藝進(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)分析來改進(jìn)診斷，并遠(yuǎn)程連接閥門專家以幫助實時排除故障。數(shù)字化轉(zhuǎn)型還可以開發(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)測開始。

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

    我們通過出口連接火炬的安全閥來進(jìn)行應(yīng)用舉例，現(xiàn)場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、有毒有害介質(zhì)的安全閥。在我們發(fā)現(xiàn)火炬異常的時候，通常是與其相連的安全閥出現(xiàn)了問題，或者是安全閥開啟了，也或者是安全閥出現(xiàn)了泄漏，這個時候我們就需要進(jìn)行排查來進(jìn)行安全閥定位，并及時解決問題。是安全閥A出現(xiàn)問題了還是安全閥B出現(xiàn)問題了，以往定位到出現(xiàn)問題的安全閥都是通過人工巡檢的方式來查找的，安全閥開啟了還好，我們還可以通過安全閥排放過程中的聲音來進(jìn)行定位，如果是泄漏問題，問題的排產(chǎn)就會比較困難?；蛘呶覀兏揪驼也坏絾栴}的來源，因為一段時間以后安全閥已經(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行提供分析依據(jù)。又或者我們找到了問題安全閥的所在，可是安全閥的排放或者泄漏已經(jīng)發(fā)生了很長時間，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地消除。無線聲波變送器通常安裝于安全閥的出口管道，通過卡剮褪槳滄埃原理是超聲波加溫度輔助，無線聲波變送器將監(jiān)測信息通過無線網(wǎng)關(guān)傳遞至上位機(jī)。在安裝了安全閥監(jiān)測設(shè)備之后，我們就可以第一時間得到準(zhǔn)確的信息，是安全閥A出現(xiàn)問題了，然后第一時間來采取對應(yīng)的措施。

    安全閥監(jiān)測設(shè)備

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

圖3: 一個無線聲波變送器(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啟引起的振動通過無線HART協(xié)議反饋給控制系統(tǒng)。

    由于流體介質(zhì)流動過程中會產(chǎn)生湍流并形成振動，無線聲波變送器可以感應(yīng)到管路中的振動。無線聲波變送器采集振動發(fā)生時的超聲波頻率，因為這些頻率很容易識別，即使在環(huán)境噪聲比較嚴(yán)重的環(huán)境中也不會收到影響。

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

    巨大的成本節(jié)省空間

    帶有同樣問題的安全閥重新投入使用并不罕見，安全閥的實時監(jiān)測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)測解決方案可為大型煉油廠節(jié)約上千萬元的介質(zhì)損失成本。

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

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