艾默生：循序漸進的安全閥數字化發展步伐（上）

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安全閥能夠安全、可靠並且實現數字化轉型嗎？

答案是肯定的。關鍵裝置的技術發展速度比我們想象的還要迅速。安全閥已經廣泛用於工廠的各個裝置以保護裝置和人員安全，作為安全生產的最後一道防線，安全閥必須在超壓事故發生時，在其他一切應急操作失效後提供有效的超壓保護。在過去的一個多世紀以來，安全閥的設計只有微小的變化，因此安全閥的數字化轉型很容易實現。

安全閥通常是一個純機械性的裝置，它不依靠外力作用，不附加電源和氣源，僅依靠系統介質本身的力來動作，也不上到DCS 系統，如圖1所示。因此，工廠執行和管理人員難以實時和準確地瞭解安全閥的工作狀態。

圖1： 安全閥通常未連線到工廠的控制系統和安全監控系統中，這給工廠的執行帶來不小的挑戰。

由於安全閥在工廠的特殊和重要地位，以及缺乏狀態監測等手段，給工廠裝置執行帶來了許多安全挑戰。安全閥的數字化對解決安全閥使用過程中安全上的挑戰頗有幫助。

安全閥的數字化至少可以從開啟洩漏監測和裝置資訊管理兩方面出發，既實現了數字化，同時也提升了安全閥本身的安全性和可靠性。

安全閥開啟洩漏監測

安全閥的使用狀態監測，包含開啟與關閉以及洩漏狀態監測，可以第一時間記錄和反饋安全閥執行狀態資訊。

安全閥開啟或洩漏在安全性、可靠性、成本和排放上的影響

根據艾默生的研究，有大量的超壓工況發生但未被發現和記錄，相對於安全閥超壓洩放，安全閥的洩漏可能更不容易被發現。更好地瞭解這些安全閥的超壓洩放或洩漏原因將提高工廠的盈利能力和生產可靠性，同時減少介質排放，提高工藝安全性。

安全性

超壓洩放是一種未遂安全事故，但其發生的頻率越低代表我們的執行控制越有效。

潛在的問題是，安全閥超壓洩放發生的頻率比我們想象的要高，而且通常未被發現和報告。如果工廠可以提供超壓洩放記錄，則為原因故障分析和相應培訓提供了材料和依據，許多問題都可以避免。

安全閥超壓洩放不屬於常規工況，應記錄下來以進行進一步的原因分析和調查。如果安全閥經常發生動作，這可能會是一個值得更多關注的工藝流程問題。

可靠性

安全閥開啟或關閉直接或間接影響工藝流程的正常執行。如果超壓頻繁發生，不僅安全閥的密封面受到影響，也可能會對相鄰的機械裝置比如上下游關斷閥造成壓力，超壓洩放的介質也會對工藝裝置的順利執行產生影響。

部分安全閥在執行壓力達到整定壓力50%時即開始出現洩漏。而現場執行人員並沒有注意到現場有大量安全閥出現洩漏，關鍵是大家不知道安全閥從哪個時刻開始洩漏了以及為什麼洩漏。

安全閥洩漏的最常見原因是超壓洩放後閥瓣或噴嘴損壞。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出顫振。

如果安全閥沒有使用狀態監測，則工作人員難以瞭解超壓洩放期間發生了什麼。

成本

如果系統執行壓力在安全閥的密封壓力以下，安全閥不應發生洩漏。然而，在對一家頂級煉化一體化公司業的1萬份安全閥服務記錄進行分析後發現了一個令人驚訝的事實。

當安全閥上線使用前都需要進行校驗，以確保其起跳壓力的準確性。分析顯示，校驗時，20%的安全閥在閥前壓力低於50%整定壓力時即發生洩漏，其中8%洩漏嚴重，以至於測試臺無法提供足夠的流量來使安全閥動作。

即便一個安全閥的洩漏率僅為額定洩放量的0。1%，那麼其一年的洩漏量相當於閥門全開6小時。安全閥全開時洩放的介質可達上百噸。艾默生的研究表明，一個1000萬噸/年的煉油廠每年在產品和能源上的損失費用超過1000萬元。

排放

汙染物的排放和洩漏（如圖2所示）可能導致罰款、訴訟或者額外的工作量去識別排放源和報告每次洩漏。如果介質的濃度和壓力較高，微小的洩漏也可能會產生大量的介質外洩。

圖2： 該圖顯示了一個典型的洩漏事故。第一次排放後，安全閥沒有完全關閉。圖中藍線顯示洩漏持續存在，這一洩漏由綠線所示的安全閥監測所檢測到。

安全閥的洩漏可能導致廠區和廠界非甲烷總烴限值的達標，也可能會阻礙公司實現ESG目標的承諾。

解決問題

透過數字化轉型技術，可以實現安全閥執行的連續監測。當閥門起跳時，系統會向執行人員發出警報，並記錄每次超壓洩放發生的時間和持續時間；它還能告知閥門是否洩漏、以及震顫或頻跳等情況。有了這些實時資訊，就有可能將安全閥的開啟與執行資料關聯起來。

超壓洩放可以與歷史記錄和維護資料相關聯。工廠不僅可以對閥門，還可以對工藝進行更深入、準確的故障分析。維修人員可以使用資料分析來改進診斷，並遠端連線閥門專家以幫助實時排除故障。數字化轉型還可以開發新的操作流程和安全程式，以避免超壓工況再次發生。以上這些都需要從建立監測開始。

安全閥的開啟洩漏監測主要有3種方式，一種是透過檢測閥杆的位移來實現，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，或者透過Topworx品牌的限位開關，這種方式適用於彈簧型式安全閥，不能對安全閥的洩漏進行很好的監測；第二種是透過監測先導閥主閥上腔和安全閥入口的壓差來實現的，對應的產品是艾默生羅斯蒙特的3051、2051無線或者有線差壓變送器，適用於先導型式安全閥，同樣不能對安全閥的洩漏進行很好的監測；第三種是透過監測安全閥排放或洩漏時出口管道的超聲波來實現的，對應的艾默生產品是艾默生羅斯蒙特品牌的708無線聲波變送器，適用於所有型式的安全閥，對安全閥的開啟和關閉都能很好的監測。

我們通過出口連線火炬的安全閥來進行應用舉例，現場很多非普通氣體或者蒸汽的安全閥出口都是連線到火炬的，包括非甲烷烴類、有毒有害介質的安全閥。在我們發現火炬異常的時候，通常是與其相連的安全閥出現了問題，或者是安全閥開啟了，也或者是安全閥出現了洩漏，這個時候我們就需要進行排查來進行安全閥定位，並及時解決問題。是安全閥A出現問題了還是安全閥B出現問題了，以往定位到出現問題的安全閥都是透過人工巡檢的方式來查詢的，安全閥開啟了還好，我們還可以透過安全閥排放過程中的聲音來進行定位，如果是洩漏問題，問題的排產就會比較困難。或者我們根本就找不到問題的來源，因為一段時間以後安全閥已經關閉了，或者洩漏已經不存在了，我們就不能很好的為執行提供分析依據。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洩漏已經發生了很長時間，這不僅僅有介質損失導致的經濟損失，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於安全閥的出口管道，透過卡捁型式安裝，原理是超聲波加溫度輔助，無線聲波變送器將監測資訊透過無線閘道器傳遞至上位機。在安裝了安全閥監測裝置之後，我們就可以第一時間得到準確的資訊，是安全閥A出現問題了，然後第一時間來採取對應的措施。

安全閥監測裝置

採用WirelessHART協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、先導式安全閥、疏水閥和其他常見流體控制裝置附近的管道上。

圖3： 一個無線聲波變送器（照片右上方藍色的裝置）安裝在安全閥的出口管道上，將任何安全閥洩漏或開啟引起的振動透過無線HART協議反饋給控制系統。

由於流體介質流動過程中會產生湍流並形成振動，無線聲波變送器可以感應到管路中的振動。無線聲波變送器採集振動發生時的超聲波頻率，因為這些頻率很容易識別，即使在環境噪聲比較嚴重的環境中也不會收到影響。

依據記錄的超壓洩放持續時間，安全閥的單位洩放量計算值，可以大約計算每次超壓的總洩放量。

巨大的成本節省空間

帶有同樣問題的安全閥重新投入使用並不罕見，安全閥的實時監測為查明根本故障原因提供了資料。艾默生的安全閥監測解決方案可為大型煉油廠節約上千萬元的介質損失成本。

除此以外還有來自於巡檢的成本節約。該解決方案還消除了以往的危險區域的人工巡檢，改善了執行人員的健康和安全。以往我們對安全閥工作狀態的得知都是透過人工巡檢得到的，而人工巡檢的方式正在面臨越來越多的挑戰。首先我們要配備相應的巡檢人員，隨著年輕人對於一線工作的意願性越來越低以及勞動成本的不斷提高，加之隨著專案體量的增大廠區面積越來越大，我們需要配備更多的巡檢人員來覆蓋更大面積的廠區，這些都使得人工巡檢對安全閥工作狀態的監測成為挑戰。人工巡檢難免會出現一些偏差和資訊的遺漏，大面積的廠區也會有巡檢效率的問題。因為安全閥的安裝位置高遠，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，大雨大風或者沿海的颱風季節是沒有辦法進行巡檢的；現場高溫、腐蝕、有毒有害氣體環境是不適合進行人工巡檢的。

人工巡檢另一個較大的缺點是時間的遲滯，不能第一時間發現所出現的問題。所以人工巡檢的方式會有時間滯後、成本和安全上的挑戰。在配備了安全閥的線上監測裝置之後，我們就可以第一時間在控制系統上看到所出現的問題，並直接準確定位到出現問題的安全閥，及時地採取措施。安全閥的開啟洩漏監測不只是可以監測艾默生所提供的安全閥，也可以為現場其他品牌的安全閥提供監測服務。