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用于安全仪表系统(SIS)的单晶硅压力变送器设计探讨

Time: 2019-04-15

LEEG单晶硅压力变送器,安全源于设计

 

 

      LEEG单晶硅压力变送器是上海立格仪表有限公司单晶硅压阻技术原理流程工业压力变送器的简称,用于安全仪表系统(SIS)的单晶硅压力变送器被称为安全相关单晶硅压力变送器。长期以来,安全相关压力变送器在国内发展缓慢,国内石化化工场合安全仪表系统几乎没有安装和使用国产压力变送器。近年来,随着国产各个厂商单晶硅压阻技术压力变送器的取得突破,达到了石化化工行业的用户的基本要求,国产单晶硅压力变送器逐渐进入石化化工等流程工业市场。现在,安全相关单晶硅压力变送器的设计制造成为国产厂商新的突破方向。

 

国家化工安全仪表系统管理的指导意见

       国家安全监管总局发布《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》其内容包括充分认识加强化工安全仪表系统管理工作的重要性:化工安全仪表系统(SIS)包括安全联锁系统、紧急停车系统和有毒有害、可燃气体及火灾检测保护系统等。安全仪表系统独立于过程控制系统(例如分散控制系统等),生产正常时处于休眠或静止状态,一旦生产装置或设施出现可能导致安全事故的情况时,能够瞬间准确动作,使生产过程安全停止运行或自动导入预定的安全状态,必须有很高的可靠性(即功能安全)和规范的维护管理,如果安全仪表系统失效,往往会导致严重的安全事故,近年来发达国家发生的重大化工(危险化学品)事故大都与安全仪表失效或设置不当有关。根据安全仪表功能失效产生的后果及风险,将安全仪表功能划分为不同的安全完整性等级(SIL1-4,最高为4级)。不同等级安全仪表回路在设计、制造、安装调试和操作维护方面技术要求不同;还有从源头加快规范新建项目安全仪表系统管理工作:从 2016 年 1 月 1 日起 ,大型和外商独资合资等具备条件的化工企业新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施,要按照本指导意见的要求设计符合相关标准规定的安全仪表系统。从 2018 年 1 月 1 日起 ,所有新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施要设计符合要求的安全仪表系统。其他新建化工装置、危险化学品储存设施安全仪表系统,从 2020 年 1 月 1 日起 ,应执行功能安全相关标准要求,设计符合要求的安全仪表系统。压力变送器是安全仪表系统的其中一员,也是重要成员,用于安全仪表系统的安全相关压力变送器国产化对掌握核心技术、降低成本普及中小企业安装使用安全仪表系统,实现全面化工安全意义重大。

 

安全源于设计

      国内安全仪表系统专家曾经这样说,“安全相关系统的失效控制思路是带有内化倾向的,将所有可能导致失效的问题,全部作为自身的问题来予以解决。这就像修行,不见人过,只见己非。”把“安全第一”作为核心价值观,用“安全源于设计”的理念去指导工作的上海立格深刻理解并坚持“不见人过,只见己非”,这也正是LEEG单晶硅压力变送器的设计制造指导理念。

 

 

LEEG单晶硅压阻技术压力变送器

LEEG单晶硅压阻技术压力变送器

 

设计指导思路

      安全相关LEEG单晶硅压力变送器的设计指导思路,一句话概括就是无论什么情况下,都要保证压力测量功能的正常工作。单晶硅压力变送器由传感器模块、变送模块、耐瞬变端子模块等硬件、操作软件和过程连接、电气保护壳等机械零部件组成,也可以看做是硬件和软件组成。如要达到目标安全完整性等级的安全相关产品的实现,就在于在安全相关产品的开发过程中使其硬件安全完整性等级和软件安全完整性等级达到目标安全完整性等级,即在设计开发过程中采取一些措施和手段降低随机硬件失效中不可诊断的危险失效的份额,同时采取一些措施和手段避免和控制产品在开发过程中引入的系统失效。

 

故障安全原则

      故障安全原则,当内部或外部原因使安全相关系统失效时,被保护的对象应按预定的顺序达到安全状态,这就是故障安全原则。在采取控制失效的方法之前,我们认为首先应该考虑的是压力变送器的故障安全原则,相当于把压力变送器在工作时候可能出现的最坏的情况处理措施安排妥当,让保护的对象应按预定的顺序达到安全状态,避免导致整个系统出现最坏情况,然后不断地测试及改进控制失效的方法,巩固压力变送器的安全相关性能。安全相关压力变送器的发生故障时候信号输出3.6mA<I≤3.8mA或21.5mA≥I>20.5mA,而安全状态就是断电状态。

 

控制失效方法

        压力变送器的失效可以分为压力变送器自身的、过程连接和电气连接的以及管网罐体周围环境的,失效的情况来自现场的工况不同压力变送器使用反馈,控制失效的方法来自十几年现场经验总结,还有借鉴标准和相关行业的解决方法。 对于压力变送器自身来说,表压力类型的安全相关压力变送器的传感器模块采用高承压的电气连接及侧面参考端压力进入口,即使压力变送器膜片被击穿也可以避免过程介质进入电气保护壳引发其他事故,而膜片状态监测能及时发现破损并报警,让工作人员及时处理故障;压力敏感元件是单晶硅材质的弹性体,其对压力高度敏感的特点意味着不耐高过载压力冲击,敏感元件的损坏将导致压力变送器无法正常工作,特别增加一道中心膜片用于防护压力冲击,并对敏感元件进行状态监控;在测量差压时选用多变量传感器,集成了差压、静压(表压力和绝压)和温度敏感元件,单一差压敏感元件原理上无法测量到静压的变化,选用多变量传感器实现了对静压的实时监控;变送模块还增加了对各个元器件子模块的周期性、连续性监控,包括ROM、RAM、ERPROM的数据,并通过内置的看门狗监控软件,周期性监控传感器集成温度值、变送模块集成温度值、LCD显示模块的状态、温度压力补偿的情况以及测量值的变化情况等。对压力变送器的工作时间进行累积,用以检验变送模块和传感器的可靠性,并作为制度校准周期的参考。

 

安装使用及周围环境影响

       对于压力变送器的过程连接和电气连接而言,电源线和信号线监控,包括电子线的接线、端子以及供电电源的状态,这样既可以监控压力变送器供给设备的状态,也避免大规模故障状态的发生。压力变送器进行压力测量,一般都会使用引压管,既可以降温又达到压力缓冲的作用,常规压力变送器就可以直接测量管道的高温,如遇到粉尘、颗粒、杂质的堵塞,有时候通有时候堵会导致压力无法传递或造成压力冲击损坏压力变送器。 还有就是压力变送器用于流程工业的工厂管网、罐区、各类反应装置等,在易燃易爆的危险环境中应用,一些压力变送器会在电气保护箱中安装,更多的压力变送器直接暴露在周围环境中,面对着自然刮风下雨的天气,隔爆型电气保护壳在进行电气防护管安装及打开保护盖,如果重新密封不严可能导致进水或隔爆防护达不到要求;管网的压力脉动会导致压力冲击,不仅会造成压力变送器传感器部分损坏,严重的时候还有导致管道被击穿造成泄漏事故,安全相关压力变送器内置的压力极限值记录器,既可以记录瞬间压力的峰值又可以记录发生的频繁程度,可以用于监控管道介质的流动状态。

安全功能

       安全相关压力变送器核心是确保压力测量安全功能的实现,也就是对过程压力一丝一毫变化的精准测量,并且是近乎实时的精准测量输出,让用户透过压力测量可以洞察生产装置的运行真情情况。比如用于锅炉炉膛微差压监测的差压变送器可以监控火焰的状态,还有通过压力损失发现过程管道泄漏的情况等等。安全相关压力变送器其实有着极高的压力测量精度要求,又有快速响应的要求和长期可靠性的要求,这也正是LEEG单晶硅压力变送器的特点,其压力测量核心是单晶硅压力敏感元件,所使用单晶硅材质具有高灵敏度、极小滞后和蠕变极小、良好的机械稳定性,单晶硅敏感元件位于传感器模块金属本体顶部,远离介质接触面,实现机械隔离和热隔离,玻璃烧结一体的传感器引线实现了与金属基体的高强度电气绝缘,提高了电子线路的灵活性能与耐瞬变电压保护的能力,这些独创的单晶硅压力传感器模块封装技术确保了单晶硅压力变送器可从容应对复杂的化学场合和机械负荷,同时具备强大的抗电磁干扰能力,足以应对苛刻的工业环境应用,压力测量精度达到了0.05%的高精度,响应时间小于100mS,并具有5年以上的长期稳定性。

 

安全相关压力变送器选型

       还有,我们也需要把用于DCS系统的常规压力变送器的选型问题加于考虑,比如过程介质的问题:介质的形状、温度、极限压力范围等,还有强酸强碱、含杂质、有粉尘颗粒以及容易凝固结晶等等,还有一些特殊的介质,比如氧气、氢气等,氧气需要考虑禁油及填充液的适合类型,高温高压下氢气会发生氢透情况,需要采用镀金测量膜片,还有一些特殊介质的处理措施就不一一列举。另外一个问题就是工厂所在地区的气候环境影响,比如南方地区的雷暴天气,还有北方地区极端寒冷天气的保护措施等,总的来说,安全相关压力变送器不仅要考虑常规压力变送器的选型问题,还要考虑安全功能的实现。

 

总结

       安全相关压力变送器的设计指导思想就是无论什么情况下,都要保证压力测量功能的正常工作。然而,首先应该考虑的是压力变送器的故障安全原则,相当于把压力变送器在工作时候可能出现的最坏的情况处理措施安排妥当,让保护的对象应按预定的顺序达到安全状态,避免导致整个系统出现最坏情况,通过不断地测试及改进控制失效的方法,从而提升压力变送器功能安全性能。

 

LEEG单晶硅压力变送器应用于安全仪表系统,让更多人工作更安全!

 

 

 

 

 

参考资料:

 

(1)《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》 国家应急管理部官网;

(2)《功能安全技术与应用知识讲座》 冯晓升;

(3)《功能安全产品实现技术系列讲座》 谢亚莲。

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