竇 凱
（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300450）
隨著科學技術的不斷進步和產業結構的持續升級，精細化工行業得到了快速發展。精細化工是現代化學工業的重要組成部分，其產品種類多樣、附加值高，在國民經濟中占據十分重要的地位[1]。精細化工生產過程的復雜性與特殊性，對自動化儀表的選型提出了特殊要求。不同于常規的化學工業，精細化工對自動化儀表的測量精度、響應速度、穩定性及可靠性等都有著更高的要求。同時，精細化工生產環境復雜，涉及易燃、易爆、腐蝕性介質，這對儀表的防爆性能與材料的兼容性提出了特殊要求。
1.1 自動化儀表的分類
自動化儀表是實現工業生產過程自動檢測、控制與優化的重要設備。按照測量對象和功能，自動化儀表可以分為多種類型。
根據測量對象可以將自動化儀表分為物理量測量儀表和分析儀表。其中，物理量測量儀表包括溫度儀表（熱電偶、熱電阻等）、壓力儀表（差壓變送器、壓力變送器等）、流量儀表（差壓流量計、電磁流量計、質量流量計等）、液位儀表（浮球液位計、靜壓液位計、雷達液位計等）；
分析儀表包括pH 計、電導率儀、在線色譜儀、近紅外分析儀等[2]。
根據功能可以將自動化儀表分為測量儀表、執行機構和控制器。其中，測量儀表包括溫度變送器、壓力變送器、流量計等，執行機構包括調節閥、變頻器等，控制器包括比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、分散控制系統（Distributed Control System，DCS）等。
隨著計算機技術和網絡通信的發展，現代自動化儀表逐步實現了數字化、智能化，基于現場總線、以太網等通信方式的集散控制系統得到推廣應用，極大地提升了自動化儀表的集成度與控制性能。
1.2 精細化工對自動化儀表的需求特性
精細化工生產過程具有工藝復雜、產品附加值高、質量要求嚴格等特點，對自動化儀表提出了特殊需求。首先，精細化工生產涉及大量物理化學反應，溫度、壓力、流量、液位等參數的測量與控制直接影響產品質量與收率。據統計，在精細化工生產中，關鍵工藝參數測量誤差每降低1%，產品收率可提升0.5%～1.5%[3]。因此，精細化工生產對自動化儀表的測量精度和重復性有著極高的要求，一般要求測量誤差小于1.0%，重復性誤差小于0.5%。其次，精細化工生產過程動態特性復雜，工藝參數變化快，對自動化儀表的響應速度提出了更高要求。再次，精細化工中存在大量易燃、易爆、腐蝕性介質，自動化儀表必須具備可靠的防爆、耐腐蝕性能。最后，精細化工生產環境復雜，溫度、濕度變化大，對自動化儀表的環境適應性提出了嚴苛要求。
精細化工自動化儀表選型是一項復雜的系統工程，需要綜合考慮工藝需求、技術性能、經濟成本等多方面因素，遵循科學合理的選型原則，只有這樣才能確保自動化儀表可靠運行并發揮最佳性能[4]。首先，自動化儀表選型必須滿足工藝要求，要根據生產工藝的特點和控制需求，選擇最匹配的儀表類型和規格。例如，對于精度要求高的關鍵測量點，應優先選用高精度、高穩定性的儀表，如氣體質量流量計的測量不確定度需要達到±0.2%，而對于一般測量點，可以選用精度等級稍低的儀表，在滿足工藝要求的同時兼顧經濟性。其次，自動化儀表選型需要全面衡量技術性能指標，如測量范圍、精度等級、響應時間、穩定性、安全等級等。再次，自動化儀表的精度等級需與工藝控制精度相匹配，如精細化工過程控制一般要求儀表的精度等級優于0.5 級。最后，自動化儀表選型需要考慮經濟性因素，綜合評估儀表的購置成本、安裝成本、運維成本，選擇性價比最高的儀表產品。在滿足工藝要求和技術性能的前提下，通過對比不同廠家、不同型號儀表的價格和使用壽命，選擇最為經濟實用的儀表，以降低自動化儀表的全生命周期成本。此外，儀表選型需要考慮標準化、集成化因素，優先選擇符合國際標準和國家標準的儀表產品，提高互換性和互操作性。
3.1 基于工藝特性匹配的自動化儀表選型策略
精細化工自動化儀表選型的首要條件是滿足工藝要求，即要根據生產工藝的特點和控制需求，選擇性能最佳、參數最優的儀表產品。這就需要深入分析工藝過程，準確提煉工藝參數與儀表性能的對應關系，制定合理的儀表選型策略[5]。
首先，全面調研和分析精細化工生產工藝，明確每個工序的原理、流程、物料平衡，以及關鍵工藝參數的測控需求，并提煉出自動化儀表的技術規范，包括測量對象、測量范圍、精度等級、響應時間、安全等級等。例如，在硝化反應工序，溫度測量范圍為0～150 ℃，要求測量誤差小于1 ℃，壓強測量范圍為0.1～0.5 MPa，測量誤差小于0.5%FS，且壓力變送器必須滿足隔爆型防爆等級。
其次，根據工藝特點分類關鍵測控點，有針對性地制定儀表選型方案。通常，對于連續生產工藝應選用在線式自動化儀表，以實現實時、連續測量和閉環控制；
對于間歇生產工藝，可以選用便攜式或實驗室分析儀表，定期抽樣檢測關鍵工藝參數。
再次，對于精細化工生產中普遍存在的特殊工況，如高溫高壓、真空、多相流、強腐蝕性介質等，需要有針對性地選用專用儀表。例如：對于高溫高壓環境，壓力變送器可以選用耐高溫型陶瓷壓阻式傳感器，而流量測量宜采用高溫型渦街流量計或質量流量計；
對于真空環境，需要選用專門的真空計，如電容膜片式真空計或熱導真空計等。
最后，對精細化工生產中的關鍵質量控制點，如反應終點、物料純度等，應優先配置先進的在線分析儀表，在工藝過程中實時監測產品質量，及時優化調整工藝參數，從而穩定產品質量、提高收率。
3.2 考慮安全性與可靠性的自動化儀表選擇方法
安全性與可靠性是精細化工自動化儀表選型的核心要素，直接關系生產過程的安全和設備的長周期、穩定運行。為確保自動化儀表的安全性與可靠性，選型時必須嚴格遵循相關標準規范，并采用系統的分析方法和科學的評估工具，綜合權衡各種影響因素，力求做出最優決策。
嚴格遵循國家和行業標準，選用符合安全要求的防爆型、本安型自動化儀表。《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB 50058—2014）中明確規定，在爆炸性氣體環境中，自動化儀表的防爆等級須達到隔爆型或本質安全型，并獲得防爆合格證。據統計，采用符合標準的防爆儀表，可以將爆炸事故風險降低90%以上。
同時，要采用失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA）方法，系統識別自動化儀表的潛在失效模式及其原因和后果，制定預防和緩解措施。以pH 計選型為例，FMEA 表明，pH電極的失效模式主要包括電極污染、破損、老化等，失效原因涉及高溫腐蝕、機械應力、緩沖液污染等，失效會導致pH 測量失靈、產品質量下降等，因此必須選用耐高溫、抗污染的復合pH 電極，并定期清洗、校準和更換電極，以延長其使用壽命，提升可靠性。此外，開展加速壽命試驗和可靠性測試，能夠了解自動化儀表在惡劣工況下的安全性和可靠性。
3.3 經濟性與生命周期評估下的自動化儀表優化選型
經濟性與生命周期評估下的自動化儀表優化選型需要采用全局性、系統性的思維方式，綜合考慮儀表性能、成本、管理等多重因素，實現投入產出最優化。這一過程并非是簡單的價格比較，而是涉及儀表全生命周期的成本管控與效益評估。
生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）分析法提供了一個科學的決策框架，能夠量化評估儀表從設計、采購到報廢全過程的總成本，揭示隱性成本對經濟性的影響。例如，高端智能流量計雖然購置成本較高，但檢定周期長、維護需求低、使用壽命在10 年以上，從生命周期來看，其經濟性反而優于價格低廉但因頻繁故障而需要經常更換的普通流量計。
儀表經濟性評估不能只停留在自身成本層面，而應放眼生產全局，審視其對運營績效的綜合影響。總體擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）分析模型為此提供了有力工具，它將儀表性能與能耗、質量、產量等生產要素有機聯系起來，定量評估儀表對企業經濟效益的貢獻度。例如，壓縮空氣是化工企業的常用工藝介質，空壓機系統的年耗電量巨大，而選用高精度、低壓損的壓力變送器和流量計，可以有效降低管網漏損，每年可節省5%以上的電能，帶來的間接經濟效益遠超儀表購置成本。因此，在進行經濟性評估時，應構建完整的TCO 模型，客觀分析儀表性能與運營成本的關聯度，辨識關鍵影響因素，選擇綜合經濟效益最高的儀表方案。
信息技術的發展也為自動化儀表全生命周期的精細化管理提供了新思路、新方法。智能運維管理系統集成了狀態監測、故障診斷、預測性維護等功能，通過大數據分析和專家經驗，持續優化儀表運維策略，最大限度縮短計劃外停機時間，延長使用壽命，進而大幅降低生命周期內的運維成本。
3.4 環境適應性與維護便利性為導向的儀表選型考量
環境適應性與維護便利性是自動化儀表選型中不可忽視的兩大要素，直接影響儀表的測量穩定性、使用壽命和維護成本。精細化工生產環境通常具有高溫、高壓、腐蝕、振動、電磁干擾等特點，對儀表的環境適應能力提出了嚴苛要求。如何在惡劣工況下確保儀表可靠運行，同時兼顧維護的便捷性，最大限度減少檢修工作量和停工損失，已成為業界關注的焦點。要想實現此目標，需要在選型時著眼于產品的長期使用性能，綜合考量其環境適應性與維護便利性，實現生命周期內綜合效益最大化。
在環境適應性方面，應優先采用具有耐高溫、耐腐蝕、抗干擾結構和材料的儀表產品。例如：針對高溫環境，可以選用耐高溫合金或陶瓷材質的熱電偶、熱電阻等溫度傳感器，其長期工作溫度可在600 ℃以上；
針對強腐蝕性介質，可以選用哈氏合金、鈦合金、鉭合金等耐蝕材質的壓力變送器，并配備隔離膜片、填充液等保護措施，有效隔離腐蝕性介質對傳感器的侵蝕。同時，應關注儀表的防護等級和電磁兼容性。根據國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）標準，儀表防護等級分為網際互連協議（Internet Protocol，IP）代碼和NEMA 代碼兩種，數字越大，防護性能越高。對于多塵、潮濕、有腐蝕性氣體的場合，儀表防護等級應為IP65 及以上。據統計，將壓力變送器的防護等級從IP65 提高到IP67，其平均無故障時間可提高30%以上。電磁兼容性對于自動化儀表至關重要，特別是在高壓變頻器等強電磁干擾環境下。選用符合電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）標準的儀表，并采取屏蔽、接地、隔離等綜合防護措施，可以顯著增強抗干擾能力，避免出現誤動作和失控事故。
在維護便利性方面，應選擇采用模塊化、標準化設計的儀表產品，并配備智能診斷和遠程維護功能，最大限度降低檢修的工作量和技能要求。
精細化工自動化儀表的選型是一項復雜的系統工程，需要綜合考慮工藝需求、技術性能、安全可靠性、經濟性、環境適應性、維護便利性等多方面因素。文章分析了精細化工生產過程對自動化儀表的特殊需求，提出了基本選型理念，并從工藝特性匹配、安全性與可靠性分析、經濟性與生命周期評估、環境適應性與維護便利性考量等角度，探討了精細化工自動化儀表的選型策略與方法。未來，隨著信息技術與自動化技術的深度融合，現代智能儀表和集成自動化系統在精細化工行業必將得到更加廣泛的應用。智能化、數字化、網絡化將成為精細化工自動化儀表發展的三大趨勢。
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