数智化让化工生产更安全

如何实时(无线)监测安全阀的起跳和内漏?

发表时间:2024-04-02 10:16

——重大危险源风险在线监测和预警创新技术应用系列(一)

化工企业在生产过程中存在大量重大危险源和危险工艺,一旦风险不能得到有效控制,极易导致物料泄漏、火灾、爆炸等灾难性后果。为了确保生产过程的安全,企业除采用安全工艺外,运营中还设置了自动控制系统,报警加人为干预,安全仪表系统,机械释放进行层层主动保护。机械释放作为最后一道保护层,其最典型的设备便是安全阀。

一、 安全阀的作用及实时监测起跳事件和内漏的重要性

安全阀是一种自动机械装置,设计原理是根据不同的工艺条件,安全阀被预先设定了起跳压力,在压力超标时快速起跳,安全释放压力,从而防止恶性事故的发生。确保安全阀的有效性,可以在很大程度上杜绝重大安全事故的发生。然而,如果安全阀存在内漏、起跳后未及时更换或重新标定等问题,其在关键时刻可能无法正常工作,进而导致泄漏、火灾、爆炸等严重后果。

另外,安全阀起跳即被定义为事故,需要及时进行事故分析并进行相应整改。因此,实时掌握安全阀状态,特别是内漏和起跳事件,对于安全管控至关重要。

二、 安全阀状态监测痛点

安全阀作为一个纯机械性设备,不依赖外部电源和气源,也不接入DCS系统,这使得实时、准确地了解其工作状态变得异常困难。目前,化工企业主要通过定检、巡检以及上下游工艺压力判断等手段来监测安全阀的状态。但这些方法存在不能及时发现安全阀内漏、无法实时抓取起跳事件以及难以快速定位安全阀起跳位置的问题,给安全管理带来重大隐患。

1、定检:目前采用的定检方法(即每年至少一次由第三方专业机构对安全阀进行校验)是国家规定的标准做法,只能提供当时安全阀是否合格的检查结果,而无法做到对安全阀运行期间的实时状态监测。

2、人工巡检:人工巡检需要依赖于听觉(如安全阀内漏、起跳的声音)、触觉(如管道温度变化)或测温工具,但受到环境噪音、操作经验等多种因素的影响,尤其当安全阀数量众多或安装位置高远等情况下,不但无法实时发现内漏、起跳情况,而且容易出现误判或漏判。此外,人工巡检往往难以发现轻微泄漏表现为微小的声音、温度或振动和短时间的泄漏,以及短时间的起跳事件。

3、上下游工艺压力判断:如在安全阀所在的上游管道安装压力变送器,以监测压力变化,而安全阀起跳则是一个局部现象,压力变化主要发生在安全阀本身及其周围区域。因此,即使压力变送器能够捕捉到压力变化,由于受到安装位置、环境温度、介质性质等影响,也可能无法准确反映安全阀的起跳信息。

此外,特别在火炬场景下,由于火炬管网连接的安全阀数量非常多(如100万吨乙烯装置接入的安全阀数量可能超过1000个),当火炬出现异常时,很难迅速通过压力判断的方式准确定位是哪一个或多个安全阀出现了起跳或泄漏。传统方法找到问题安全阀需要花费数小时甚至数天的时间,在这段时间内,安全阀可能持续排放或泄漏介质,不但会造成极大的经济损失,还存在极大的安全隐患。

三、解决方案

为了解决上述问题,晓安数智自主创新研发了无线智能安全阀状态实时监测系统,该系统由监测仪A120、无线通讯协议WirelessHART及上位机软件组成。系统通过综合判断安全阀起跳时产生的的振动信息、介质流过安全阀时产生的超声信息,以及具备非常温特性的介质流经安全阀后带来的管道温度变化三个维度的数据,和具有抗干扰能力强(如外界噪声、管道和其他设备带来的机械振动等)特点的科学算法,实现了对安全阀内漏和起跳状态的实时监测、高准确率和低误判率。

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1、监测仪A120

监测仪A120安装在安全阀出口管道位置,实时采集安全阀振动、超声以及温度信号,并结合数字信号处理,边缘计算,并将计算结果通过WirelessHART无线通讯协议传输至网关,再连接到安全阀状态监测平台。

非侵入式简易快速安装、本安防爆(防爆等级:Ex ia IIC T4 Ga)、适应化工厂严酷环境,低功耗

监测仪可以直接安装到任何型号和管径大小的安全阀出口管道上,不需更改任何阀门和管道结构,不需任何动火作业,简易,快速安装。


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2、无线通讯协议WirelessHART

WirelessHART具有自组织、自适应特点,能够管理多个通信路径,并在出现阻塞时保持数据的连续流动。这种无线架构的可靠性极高,即使在严苛的射频环境中也能保持大于99.99%的数据可靠性。同时,WirelessHART协议与现有过程自动化技术无缝集成,设备组态、调校与常规HART仪表兼容,能够快速、安全、低成本地进行网络扩展。

3、上位机软件

上位机软件是安全阀监测系统的用户界面和管理中心。它直观展示了企业安全阀事件(内漏、起跳)情况,包括驾驶舱总览、所有安全阀事件列表和分析、消息推送和闭环管理功能。

下图为安全阀实时运行状态列表:


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下图为单个安全阀起跳和内漏事件分析:


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四、案例展示与效果评估

晓安数智在某化工厂安装了无线智能安全阀状态实时监测系统,同时也与国际某知名大厂同类产品进行了性能对比测试,晓安数智将A120和同类产品仪表(该产品从超声和温度两个维度进行监测)同时安装在某个安全阀的出口处。

如下图所示,氮气自管网经过调压阀从0.6MPa压力减压到0.2MPa,输送给装置用作吹扫氮气,为防止调压阀失效导致氮气压力超压损坏下游装置,在调压阀下游安装了一个整定压力为0.3MPa的安全阀(编号为01PSV103,一旦压力超过0.3MPa,安全阀起跳释放压力。



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说明:由于氮气是常温,即使在安全阀起跳或泄漏时,常温氮气流经安全阀出口时,出口处的温度也不会有明显变化,故在本案例中,监测安全阀出口处的温度变化不具有太大实用性。

案例一:2023年11月18日安全阀起跳事件

在2023年11月18日,系统监测到该安全阀出口处的超声和振动信号同时出现明显异常(见下图),判断安全阀起跳。这一判断得到了客户DCS历史数据的验证,证明了系统通过多维度数据综合分析的有效性。


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分析:在此案例中,温度监测由于氮气常温特性并未提供有价值的信息。然而,超声和振动两个维度的数据相互印证,成功判断了安全阀的起跳事件。这显示了多维度监测在复杂工业环境中的优势。


案例二:2023年4月26日安全阀状态判断

本系统检测到该安全阀超声异常(见下图1),但是振动没有检测到异常(见下图2),因此判断该安全阀没有起跳或泄漏。在本场景下,对比测试的同类产品只检测到超声异常(见下图3),大概率判断为起跳。事后经DCS压力历史数据验证,该时间段安全阀附近的压力变送器显示压力并未达到0.3MPa的整定压力值,该安全阀并没有起跳(见下图4),超声异常的原因是安全阀所在的管线受到总管线氮气流量突增带来的影响(工厂在生产操作中,特定的工艺需求会导致氮气的使用量突然增加,而平时可能不用氮气或少用氮气)。

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分析:此案例表明,在存在外界干扰的情况下,单一维度的监测数据可能导致误判。

通过这两个案例可以看出,晓安数智的无线智能安全阀状态实时监测系统通过结合振动、超声和温度多维度逻辑,能够快速判断内漏和起跳事件,且准确性高。

五、系统优势总结

1、实时监测

系统通过监测仪A120实时收集和分析安全阀的振动、超声以及温度数据,并经由WirelessHART协议迅速上传至上位机软件。这意味着,一旦安全阀出现内漏或起跳等异常情况,系统能够立即抓取这些变化,并实时反馈给操作人员。

2、高准确率和低误判率

系统采用了科学的、及可以持续升级优化的算法,能够有效排除如外界噪声、管道和其他设备带来的机械振动等干扰因素带来的误判。

3、系统布设和运行简易快捷

非侵入式设计使得监测仪的安装变得简单快捷,无需进行动火作业,只需将监测仪用卡箍直接夹在安全阀的出口管道上,几分钟即可完成。同时,系统可快速部署且易于维护,上位机软件用户界面设计简洁明了,可以快速找到所需功能操作流程简单,无需复杂的培训即可上手使用。

此外,软件能够提供丰富的数据视图和分析工具,展示多维度的信息,还具备闭环管理功能,确保从实时监测到安全阀内漏/起跳事件、通知相关人员处理、自动生成日志、反馈处理结果的整个过程得到有效管理。



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