安全儀表系統(tǒng)(SIS)中的現(xiàn)實(shí)共因問(wèn)題必須由用戶在每個(gè)應(yīng)用中進(jìn)行量化。供應(yīng)商和第三方通常使用白皮書(shū)分析來(lái)提供產(chǎn)品的安全數(shù)據(jù)，但此類的SIS問(wèn)題并不能通過(guò)這樣的方法來(lái)量化。 

　　由于此類問(wèn)題是影響多個(gè)設(shè)備的"共同原因"，因此無(wú)法通過(guò)應(yīng)用冗余來(lái)解決。本文將詳細(xì)介紹在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，與壓力、溫度、流量和液位測(cè)量相關(guān)的最常見(jiàn)的共因問(wèn)題案例，并提供了有助于將對(duì)安全的影響降至最低的推薦設(shè)計(jì)實(shí)踐。設(shè)計(jì)師需要考慮，如何通過(guò)多樣性，使用不同的方法或技術(shù)，來(lái)避免哪些問(wèn)題。

　　流量測(cè)量的共因問(wèn)題

　　很多問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)故障或讀數(shù)不正確。在安全應(yīng)用中，最重要的問(wèn)題如下所列：

　　● 故障是否會(huì)導(dǎo)致儀表讀取錯(cuò)誤流量，而不會(huì)對(duì)用戶發(fā)出任何警告？這被定義為隱蔽故障（有時(shí)也稱為未檢測(cè)故障）。如果測(cè)量錯(cuò)誤會(huì)影響安全，例如，冷卻回路中的流量讀數(shù)錯(cuò)誤，則這是"危險(xiǎn)"故障，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致過(guò)程過(guò)熱。請(qǐng)注意，如果冷卻回路中的流量錯(cuò)誤導(dǎo)致讀數(shù)太低，這將是"安全"故障，因?yàn)樗粫?huì)造成危險(xiǎn)工況，當(dāng)然它可能會(huì)導(dǎo)致不必要的停機(jī)。危險(xiǎn)的、隱蔽的故障影響安全；"安全"和顯式的故障則會(huì)影響可用性。

　　● 故障是否會(huì)以同樣的方式影響第二個(gè)（甚至更多）儀表？在這種情況下，冗余也于事無(wú)補(bǔ)；這就是共因問(wèn)題。

　　測(cè)量流量的常用方法是通過(guò)差壓(dP)來(lái)測(cè)量。在管線中使用限制元件（孔板和平均皮托管等）來(lái)產(chǎn)生壓降，并由dP變送器測(cè)量壓降。使用伯努利原理，通過(guò)dP來(lái)計(jì)算流量。dP流量計(jì)因其通用性和熟悉性而經(jīng)常被使用。如果選擇、安裝和維護(hù)正確，這種方法具有較高的重復(fù)性和合理的永久壓力損失。不幸的是，在某些應(yīng)用中，它可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題：

　　● 流體特性（如成分或密度）的變化，會(huì)影響可重復(fù)性（盡管用戶可以嘗試進(jìn)行補(bǔ)償）。

　　● 流體不干凈或環(huán)境溫度較低，可能會(huì)減慢或堵塞傳感管線。

　　● 夾帶的氣體或液體（取決于測(cè)量對(duì)象是液相還是氣相）會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生偏差或聚集在傳感線中并減慢響應(yīng)時(shí)間。

　　● 臟流體會(huì)阻塞、沉積或侵蝕主要元件（孔板或其它），從而導(dǎo)致偏差。

　　● 多螺紋連接增加了意外排放和泄漏的可能性，在寒冷環(huán)境中，如果用戶選擇了ANSI而不是ISO歧管，更是如此。

　　● 如果指定多個(gè)部件然后在現(xiàn)場(chǎng)組裝，則存在出現(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)（除非用戶指定集成儀表，并由供應(yīng)商進(jìn)行預(yù)組裝和壓力測(cè)試），從而導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤或潛在泄漏（參見(jiàn)圖1）。

圖1：預(yù)組裝、經(jīng)過(guò)泄漏測(cè)試的dP流量計(jì)，可以最大限度地降低工程和組裝錯(cuò)誤、意外排放和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。圖中顯示了單和雙（冗余）配置。本文圖片來(lái)源：Emerson

　　● 驗(yàn)證測(cè)試：大多數(shù)用戶只檢查dP變送器是否漂移，傳感線有沒(méi)有堵塞。很少檢查主要元件本身，不是因?yàn)樗粫?huì)出現(xiàn)故障，而是因?yàn)樗ǔo(wú)法訪問(wèn)以進(jìn)行檢查。

　　其它一些技術(shù)使用頻率較低，但在安全應(yīng)用中也存在相應(yīng)問(wèn)題，例如：

　　● 在渦輪流量計(jì)內(nèi)部，任何部件的碎片、堆積、粘合、磨損或損壞，都可能導(dǎo)致讀數(shù)偏高或偏低。在使用外部校驗(yàn)儀對(duì)儀表進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試之前，可能沒(méi)有任何跡象向用戶表明這種情況正在發(fā)生。

　　● 如果電磁流量計(jì)用于冷卻應(yīng)用，用戶需要驗(yàn)證是否有非導(dǎo)電液體（如去離子水）進(jìn)入系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。如果有的話，流量計(jì)的讀數(shù)可能會(huì)很低或有噪音。

　　● 電磁流量計(jì)可能會(huì)遇到接地、襯里和電極的問(wèn)題，盡管現(xiàn)代設(shè)備可以使用診斷和驗(yàn)證來(lái)檢測(cè)其中的一些問(wèn)題。

　　● 大多數(shù)流量計(jì)都要求兩側(cè)有直管，以確保流量在管道中均勻分布。不幸的是，很多儀表都使用簡(jiǎn)單的、舊的準(zhǔn)則來(lái)安裝?，F(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)（如ISO-5167）可能需要50或更多倍直徑的直管以確保精度，具體取決于上游的干擾情況。

　　如果存在發(fā)生上述任何問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，用戶必須量化該風(fēng)險(xiǎn)以進(jìn)行安全分析。然后，他必須執(zhí)行定期驗(yàn)證測(cè)試以檢測(cè)問(wèn)題。所需的驗(yàn)證測(cè)試頻率，取決于用戶對(duì)特定應(yīng)用中出現(xiàn)問(wèn)題頻率的估計(jì)。

　　在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，量化問(wèn)題發(fā)生的可能性及其頻率是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。用戶需要依靠經(jīng)驗(yàn)（例如，以另一家工廠類似工藝運(yùn)營(yíng)期間獲得的故障記錄作為參考）來(lái)回答以下問(wèn)題：

　　● 在類似應(yīng)用中所安裝的100條引壓管中，在任何給定時(shí)間內(nèi)，有多少條可能會(huì)在工廠運(yùn)行期間被堵塞？

　　● 如果今天維護(hù)人員確認(rèn)管線沒(méi)有阻塞控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，那么在未來(lái)多久該管線會(huì)阻塞？

圖2：帶有雙脫落桿和四個(gè)獨(dú)立傳感器的單渦街流量計(jì)，其中三個(gè)連接到SIS，一個(gè)連接到BPCS。該設(shè)計(jì)安全且極其可靠。儀表不包含會(huì)堵塞的端口或縫隙，沒(méi)有墊圈泄漏，傳感器不會(huì)接觸流體。

　　建議用戶不要花費(fèi)大量時(shí)間，來(lái)試圖量化每個(gè)應(yīng)用共因的可能性和頻率，而是建議用戶改進(jìn)設(shè)計(jì)以消除原因。如果無(wú)法用更好的設(shè)計(jì)來(lái)消除，可能導(dǎo)致多個(gè)儀表讀取錯(cuò)誤流量的問(wèn)題，則用戶應(yīng)考慮采用多樣性技術(shù)。對(duì)于流量測(cè)量的安全應(yīng)用，最常見(jiàn)的是渦街和科里奧利流量計(jì)。

　　渦街流量計(jì)

　　渦街流量計(jì)使用馮·卡曼效應(yīng)：當(dāng)流體通過(guò)非流線體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的旋渦模式。渦流形成的頻率隨流量呈線性變化，這是渦街流量計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)之一。傳感器脫落桿的少量沉積或堵塞會(huì)削弱信號(hào)，但不會(huì)改變測(cè)量的流量值。隨著沉積和堵塞的增加，頻率信號(hào)將逐漸變?nèi)?，直到流量信?hào)完全丟失。

　　雖然這是一種"安全"而非危險(xiǎn)的故障（沒(méi)有流量而不是錯(cuò)誤的流量），但它仍然會(huì)影響可用性。出于這個(gè)原因，如果用戶因?yàn)榭古K流體沉積和堵塞而考慮使用渦街而不是其它技術(shù)ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，他們應(yīng)該確保所考慮的渦街流量計(jì)本身具有抗沉積和堵塞的能力。這可以通過(guò)選擇帶有非接觸式傳感器且沒(méi)有內(nèi)部端口或縫隙的儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果用戶選擇渦街來(lái)減少潛在的泄漏點(diǎn)，他們應(yīng)該選擇可以在沒(méi)有濕O型圈或墊圈的情況下安裝的設(shè)備。

　　在夾帶大顆粒或磨蝕性顆粒的流體中，用戶應(yīng)考慮使用帶有雙脫落桿的渦街流量計(jì)（見(jiàn)圖2）。在大多數(shù)應(yīng)用中，第一根脫落桿最容易受到堵塞或磨損；用戶可以通過(guò)監(jiān)控在第一桿和第二桿上測(cè)得的信號(hào)之間的差異，來(lái)檢測(cè)任何校準(zhǔn)偏移。可以為每個(gè)脫落桿指定單或雙變送器控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因此在單個(gè)裝置中，用戶最多可以將3個(gè)獨(dú)立的變送器連接到SIS，第4個(gè)變送器連接到基本過(guò)程控制系統(tǒng)。

　　在很多安全應(yīng)用中所處過(guò)程都很危險(xiǎn)，比如燃燒過(guò)程中火焰熄滅或壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)，因此一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是了解在低流量條件下測(cè)量會(huì)發(fā)生什么事。對(duì)于dP流量計(jì)，隨著流量的減少，誤差會(huì)變大，但理論上，該流量計(jì)可以提供幾乎為零的輸出。雖然在流量降低時(shí)，渦街流量計(jì)可以保持其精度ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，但低于某個(gè)最小雷諾數(shù)時(shí)，渦街流量計(jì)根本不會(huì)記錄任何流量。請(qǐng)注意，限制基于雷諾數(shù)，而不僅僅是流量，在碳?xì)浠衔飸?yīng)用中很重要。

圖3：像較大的儀表一樣，將減速渦街流量計(jì)安裝在同一管道中，可以測(cè)量雷諾數(shù)較低的流量。

　　由于大多數(shù)碳?xì)浠衔镌诶鋺B(tài)時(shí)具有較高的粘度，因此在啟動(dòng)時(shí)，渦街流量計(jì)可能不會(huì)讀取任何流量，直到流體變熱。如果SIS將無(wú)流量解釋為故障情況（這很常見(jiàn)），有可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)。為避免這種情況，用戶應(yīng)確保在啟動(dòng)時(shí)對(duì)過(guò)程加熱或調(diào)整渦街流量計(jì)的規(guī)格，以滿足這些低流量、高粘度的啟動(dòng)條件。一種解決方案可能是減速器渦流，它在法蘭內(nèi)包含一個(gè)較小的儀表主體和更長(zhǎng)的儀表管線鋪設(shè)長(zhǎng)度（見(jiàn)圖3）。

　　高可靠性渦街流量計(jì)具有固有的耐臟流體能力，并且易于正確安裝。此外，還提供診斷功能以確保安全安裝和操作，并簡(jiǎn)化正在進(jìn)行的驗(yàn)證測(cè)試。這些驗(yàn)證測(cè)試不需要過(guò)程停機(jī)或停用外部設(shè)備。在可能包含大到足以阻塞脫落桿的碎屑的流體中，用戶可以指定一個(gè)上游端口，允許插入攝像頭進(jìn)行定期的目視檢查。雖然相機(jī)檢查是離線完成的，但它比拆卸、檢查然后重新安裝儀表要容易得多。供應(yīng)商會(huì)在出廠時(shí)校準(zhǔn)儀表并安裝檢查端口，以確保不影響精度。

　　科里奧利流量計(jì)

　　科里奧利流量計(jì)可直接測(cè)量質(zhì)量流量、密度和溫度，并由此計(jì)算體積流量。它可以在廣泛的流量范圍內(nèi)提供高精度，并且?guī)缀醪皇苊芏?、粘度或成分等流體特性變化的影響。科里奧利流量計(jì)不需要在任何一側(cè)有直管控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，可以簡(jiǎn)化安裝并避免因直管不足而導(dǎo)致故障。它還允許用戶將整個(gè)儀表布置在易于測(cè)試或檢查的位置（請(qǐng)注意，很多孔板位于管架中維護(hù)人員難以接近，主要是在這里用戶可以找到所需的直管）。與渦街流量計(jì)一樣，科里奧利流量計(jì)易于設(shè)計(jì)和安裝。

　　盡管科里奧利流量計(jì)往往是可靠的，但用戶應(yīng)該意識(shí)到存在兩相流的風(fēng)險(xiǎn)：液體中夾帶氣體，或氣體中夾帶液體。這通常會(huì)在粘度較高的流體或批處理應(yīng)用中出現(xiàn)，即使實(shí)際流體量（質(zhì)量）沒(méi)有改變，也會(huì)導(dǎo)致平均體積流量的增加。盡管現(xiàn)代渦街流量計(jì)可以檢測(cè)到相變并提醒用戶，但這仍會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)體積流量計(jì)出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。直接測(cè)量質(zhì)量的科里奧利儀表，尤其是具有數(shù)字信號(hào)處理功能的現(xiàn)代智能儀表，受到的影響最小。

　　然而，就像在離心機(jī)中，旋轉(zhuǎn)將較重的成分與較輕的成分分離，由于科里奧利管振動(dòng)得更快，輕的氣體和重的液體可以分離并在管中以不同的速度移動(dòng)，從而導(dǎo)致顯著誤差。因此，在可能出現(xiàn)兩相流的應(yīng)用中，用戶應(yīng)指定使用低驅(qū)動(dòng)線圈頻率的科里奧利儀表并具有兩相檢測(cè)功能（參見(jiàn)圖4）。

　　為SIS設(shè)計(jì)的設(shè)備，包含檢測(cè)內(nèi)部電子故障的特殊診斷。這些診斷通常無(wú)法由用戶配置或訪問(wèn)，但是當(dāng)它們檢測(cè)到內(nèi)部危險(xiǎn)故障時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)入安全狀態(tài)。這提供了更高的安全性，允許第三方安全實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證或認(rèn)證，以達(dá)到特定的安全完整性等級(jí)(SIL)。

圖4：隨著氣體成份(GVF)的增加，低驅(qū)動(dòng)頻率可最大限度地減少流量誤差。

　　現(xiàn)代科里奧利儀表還提供按需診斷功能，允許用戶提高現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試的覆蓋范圍，從舊設(shè)備典型的50%增加到90%以上。這允許用戶延長(zhǎng)綜合驗(yàn)證測(cè)試之間的間隔。由于綜合驗(yàn)證測(cè)試要求儀表停止使用，并連接到外部流量驗(yàn)證儀器或發(fā)送到校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，因此理想情況下可以將時(shí)間間隔延長(zhǎng)至工廠計(jì)劃停機(jī)期間。

　　如果在應(yīng)用中，用戶識(shí)別或觀察到任何隱蔽或危險(xiǎn)的共因故障模式，他們必須為其安全分析量化這些故障發(fā)生的可能性和頻率，以確定驗(yàn)證測(cè)試間隔。但對(duì)新設(shè)計(jì)的工藝流程，這些方法都不適用，因此除非可以通過(guò)更好的設(shè)計(jì)消除問(wèn)題，用戶通常會(huì)選擇一種完全不受共因故障影響的多樣化技術(shù)來(lái)確保系統(tǒng)的安全性。對(duì)于流體應(yīng)用，應(yīng)該考慮的兩種技術(shù)分別是渦流和科里奧利。（作者：MarkMenezes）