李克敏1，常小凯2
［1. 甘肃刘化（集团）有限责任公司，甘肃 永靖731603；2. 兰州理工大学理学院，甘肃 兰州730050］
［摘 要］化工装置中大量运用各种形式的气动调节阀、切断阀支撑DCS系统或SIS系统的正常运行，但现阶段业内对仪表气源设置的考虑往往不多，而压力稳定、纯净度高的仪表气源对于连续性非常强的化工生产来说相当重要。分析仪表气源设置原单机单路直供模式及现有单机+储气罐模式的特点，借鉴DCS系统供电模式的配置，针对大型化、多模块的化工装置，提出仪表气源三冗余思路（即2台空压机+储气罐均压供气模式），并给出两种设计方案；鉴于仪表气源压力低则无法正常驱动执行机构的特点，提出仪表气源三冗余的逻辑控制思路及气源压力三取低的实现方法。分析表明，仪表气源三冗余设计可大大降低因仪表气源中断造成生产装置停车的概率，减少不必要的停车损失，助力化工装置的长周期、稳定运行。
［关键词］化工装置；仪表气源；三冗余设计；空压机；空气储罐；电动切断阀；气源压力三取低逻辑控制；效益分析
［中图分类号］TQ056.2+1 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）02-0062-04
0 引 言
一般来说，现代化工生产中仪表控制的核心是DCS系统，其最终的控制路径由调节阀、切断阀等来实现。由于DCS系统的核心地位，DCS系统通常有2套UPS供电，并且这2套UPS由两个不同回路的电源供电，以尽可能地避免DCS系统由于电源供电故障引起失电。目前，仪表自动化行业对于DCS系统的结构、特点、控制优化、常见故障处理与日常维护都有了明确的认识，SIS系统在国家规定的一级、二级重大危险源或重点监管的危险化工工艺和危险化学品领域的应用等方面也有很多的阐述，但对支撑DCS系统或SIS系统正常运行的仪表气源的设置等方面考虑得并不多。以下就化工企业控制系统的仪表气源配置进行分析与探讨，并提出一些建议供业内交流与参考。
1 仪表气源在化工生产中的重要性
随着经济的飞速发展与科技的不断进步，化工生产逐步走向大型化、标准化、节能化、精细化，其自动化、现代化程度也日益提高，这就离不开仪表控制系统的参与。一个简单的仪表控制系统包括被控变量、操纵变量和相应的控制规律，要使被控变量与期望的设定值保持一致，就需要一种控制手段，把用于调节的变量称为操纵变量，通常通过调节阀或变频泵来实现变量的操纵——化工生产过程中的负荷变化或操作条件改变时，通过检测元件和变送器将过程的被控变量送控制器，经控制规律运算后输出至执行器，改变过程中相应的流体流量，使被控变量与设定值保持一致。简言之，检测元件和变送器类似于人的眼睛，控制器类似于人的大脑，执行器类似于人的手脚。这些自控阀门的执行机构按动力源分为电动和气动两种，电动执行机构采用220 V交流电源，气动执行机构采用洁净的压力稳定的压缩空气。相较于气动执行机构，电动执行机构结构复杂、推力小、价格高，适用于防爆要求不太高及缺乏气源的场合；而气动执行机构结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜且防火防爆，因此化工装置中大量运用各种形式的气动调节阀、切断阀。气动仪表控制机构精密、微小，对气源压力、质量要求非常严格，故压力稳定、纯净度高的仪表气源对于连续性非常强的化工生产来说是相当重要的。
2 常见仪表气源配置模式及特点
2.1 单机单路直供模式
最初的仪表气源系统配置，大多由仪表空压机直供管网，由管网承担气源的分配及储存功能，因此仪表控制系统能否正常运行直接由空压机（包括配套有空气分离系统的空压机）的运行状态决定。不过，目前这种单机单路直供模式已被配套有储气罐的供气系统所取代。
2.2 单机+储气罐模式
随着化工装置的大型化及单机单路直供模式缺陷的凸显，为稳定仪表气源供应，许多化工企业增设了储气罐，或在项目建设之初就选配了为稳定仪表气源压力而设置的储气罐，如此一来，现场调节阀、切断阀的仪表气源就有两路：一路仪表气源由空压机出口送入仪表空气管网；一路仪表气源由仪表空气储罐提供，仪表空气储罐的容量一般够全厂用气设备工作15～30 min，在空压机出现故障的情况下，可保障全厂化工装置安全停车的仪表气源供给。
对于现代大型化、多模块的化工生产企业来说，一般不止1套空分装置和1台空压机，大多是由多台套装置组成的联合生产线，仪表气源采用单机+储气罐模式供应，一旦空压机发生故障而储气罐供气压力不足时，就会造成全厂仪表空气的停送，易使与该台空压机或该套空分装置没有任何关联的生产装置停车，造成很大的经济损失。从理论上来说，单机+储气罐模式的仪表气源供应，实质上是一路（空压机）供气，另一路（储气罐）只是事故状态下的安全停车气源，这对于有中间储罐供应下一工段物料，或者是间歇式生产的化工装置来说，其缺点非常明显：对连续性化工生产装置来说，上一工段停车会因为没有物料逼停下一工段乃至上游生产系统；对不连续或间歇式化工生产装置来说，任一工段停车短期内不会影响其他工段的生产，但若仪表气源出现故障，则会引起全厂生产装置停车。
3 仪表气源三冗余设计思路
更多内容详见《中氮肥》2022年第2期