石油化工装置仪表工程设计

中石化上海工程有限公司（以下简称上海工程公司）的前身是上海医药工业设计院，创建于1953年。六十多年来，公司不断发展壮大的历程铸就了企业深厚的文化底蕴，在诸多工程技术领域创下了永志史册的“全国首创”。众多创新成就在各个领域跻身先进行列，为我国国民经济发展做出了积极贡献。 上海工程公司本次受全国工程硕士教指委、上海市*和华东理工大学的委托，负责编写工程硕士实践教学用书《石油化工装置仪表工程设计》。上海工程公司集六十多年企业工程建设实践与理念为一体，组织多名设计大师和国家注册资深设计专家，融入了多年工程建设的智慧和经验，吸收了工程技术人员的新的创新成果，依据既注重基本理论，更着力实践应用的原则，使教材基于理论，源于实践，力求将专家、学者、行家里手在长期工程实践活动中积累的心得体会和经验介绍给广大的青年学子，借此希望能对工程硕士培养教育和工程实践企业基地建设工作有所启发、借鉴和指导。 全书共10章，主要介绍石油化工装置中的仪表选型，控制室、机柜室，在线分析系统及分析小屋，仪表供电，仪表供气，仪表防爆、防护、防雷和接地，仪表控制系统，仪表安全相关系统，仪表安装与安装材料等。本书资料翔实，内容丰富，具有应用性强、章节分明、解释准确等特点，既可作为相关领域工程硕士实践教学用书，亦可供从事石油化工建设项目工程经济的技术人员参考。 本书的出版获得全国工程硕士教指委“提升实践教学质量，培养社会需求人才”课题和上海市教育委员会“专业学位研究生实践教学基地建设”课题立项支持，在此表示感谢。同时，编者在编写过程中参考了许多文献，引用了一些行业资料和数据，亦在此向相关作者致谢。本书编委会的各位专家在编制过程中付出了辛勤的劳动和努力，在此表示衷心的感谢！ 由于石油化工装置仪表工程设计博大精深，涉及的知识浩如烟海，且在工程建设实践中不断充实、完善和发展，因此书中的不足之处在所难免，希望广大师生、同行专家和其他读者提出宝贵的意见和建议，以便我们提高水平，不断改进。 编　者 ２０２０年３月

全书共10章，主要介绍石油化工装置中的仪表选型，控制室、机柜室，在线分析系统及分析小屋，仪表供电，仪表供气，仪表防爆、防护、防雷和接地，仪表控制系统，仪表安全相关系统，仪表安装与安装材料等。本书资料翔实，内容丰富，具有应用性强、章节分明、解释准确等特点，既可作为相关领域工程硕士实践教学用书，亦可供从事石油化工建设项目工程经济的技术人员参考。

目　录
第１章　绪论 １
１．１　自动化仪表在石化装置中的地位和作用 １
１．２　自动化仪表工程设计 １
１．２．１　工程设计的总目标 １
１．２．２　工程设计的内容及其用途 ２
１．２．３　工程设计的基本任务 ２
１．２．４　工程设计的基本职责范围 ３
１．３　仪表专业在工程设计中常用的标准 ３
１．４　工程设计阶段与其他相关专业的设计联系 ４
第２章　仪表选型 ５
２．１　总则 ５
２．２　温度仪表 ６
２．２．１　一般要求 ６
２．２．２　就地温度计 ６
２．２．３　远传温度检测 ８
２．２．４　温度计套管 １０
２．２．５　温度变送器 １５
２．３　压力（差压）仪表 １５
２．３．１　一般要求 １５
２．３．２　就地压力表 １５
２．３．３　远传压力（差压） １７
２．４　流量仪表 １８
２．４．１　一般要求 １８
２．４．２　差压式流量计 １９
２．４．３　转子流量计 ３０
２．４．４　速度式流量计 ３２
２．４．５　容积式流量计 ３６
２．４．６　质量流量计 ３６
２．４．７　固体流量计和流量开关 ３８
２．５　物位仪表 ３８
２．５．１　一般要求 ３８
２．５．２　就地物位仪表 ３８
２．５．３　远传测量物位仪表 ４１
２．５．４　物位开关 ５１
２．６　阀门 ５２
２．６．１　常用种类 ５２
２．６．２　调节阀 ５４
２．６．３　开关阀 ６８
２．６．４　自力式调节阀 ６８
２．６．５　阀门选型要求 ６９
２．７　过程分析仪表 ７５
２．７．１　一般要求 ７５
２．７．２　气体分析仪 ７６
２．７．３　液体分析仪 ７９
２．８　可燃和有毒气体检测器 ８１
２．８．１　可燃气体检测器 ８１
２．８．２　有毒气体检测器 ８２
第３章　控制室、机柜室 ８４
３．１　简介 ８４
３．１．１　中心控制室 ８４
３．１．２　现场控制室 ８５
３．１．３　现场机柜室 ８８
３．２　控制室、机柜室设计要求 ８９
３．２．１　建筑与结构要求 ９０
３．２．２　室内平面布置和面积 ９２
３．２．３　采光和照明 ９３
３．２．４　采暖、通风、空气调节和环境条件 ９４
３．２．５　设备的安装和固定 ９４
３．２．６　健康、安全和环保 ９５
３．２．７　通信和电视监视系统 ９６
３．２．８　进线方式及保护措施 ９６
第４章　在线分析系统及分析小屋 １００
４．１　在线分析系统 １００
４．１．１　采样系统 １０１
４．１．２　采样预处理系统 １０６
４．１．３　回收系统 １０７
４．１．４　常用在线分析仪系统 １０９
４．１．５　在线分析系统的工程设计及实施 １１３
４．２　分析小屋 １１６
４．２．１　一般原则 １１６
４．２．２　结构 １１７
４．２．３　配电 １１８
４．２．４　采暖通风和空调系统 １１８
４．２．５　安全措施 １２０
４．２．６　公用工程 １２２
４．２．７　分析小屋的工程设计及实施 １２３
４．３　在线分析仪管理系统 １２６
４．３．１　一般要求 １２６
４．３．２　系统构成 １２６
４．３．３　单一装置的分析管理方案 １２８
第５章　仪表供电 １２９
５．１　供电范围和方式 １２９
５．１．１　仪表及控制系统 １２９
５．１．２　仪表辅助设施 １２９
５．１．３　供电方式 １３０
５．２　仪表电源种类 １３０
５．２．１　ＧＰＳ １３１
５．２．２　ＵＰＳ １３１
５．２．３　２４Ｖ（ＤＣ）电源 １３１
５．３　负荷等级 １３２
５．３．１　一级负荷 １３２
５．３．２　一级负荷中特别重要的负荷 １３２
５．３．３　二级负荷 １３２
５．３．４　三级负荷 １３２
５．４　供电系统设计 １３３
５．４．１　电源配置原则 １３６
５．４．２　普通交流电源供电系统 １３６
５．４．３　不间断交流电源供电系统 １３６
５．４．４　２４Ｖ（ＤＣ）电源供电系统 １３８
５．４．５　供电器材选择和安装 １４０
５．４．６　供电系统的配线 １４１
第６章　仪表供气 １４４
６．１　气源质量要求 １４５
６．１．１　干燥度要求 １４５
６．１．２　洁净度要求 １５１
６．２　供气系统 １５２
６．２．１　气源压力 １５２
６．２．２　耗气量计算 １５２
６．２．３　安全供气设计 １５４
６．２．４　供气方式 １５５
６．２．５　吹气测量 １５７
６．３　供气管路 １５７
６．３．１　供气管路的敷设 １５７
６．３．２　气动阀门供气连接 １５８
６．３．３　供气管路材质 １５９
６．３．４　供气管径 １５９
第７章　仪表防爆、防护、防雷和接地 １６０
７．１　仪表防爆 １６０
７．１．１　爆炸性气体环境 １６０
７．１．２　爆炸性粉尘环境 １６２
７．１．３　爆炸性环境内电气设备保护级别的选择 １６３
７．１．４　爆炸性环境内仪表设备防爆形式的选择 １６４
７．１．５　爆炸性环境内防爆仪表设备类别和组别的选择 １６６
７．１．６　本质安全电路的设计 １６７
７．１．７　爆炸性环境内防爆仪表工程 １６９
７．２　仪表防护 １７１
７．２．１　仪表防护等级 １７１
７．２．２　仪表及其测量管路的防护 １７３
７．３　防雷 １７７
７．３．１　仪表系统防雷的设计原则和基本内容 １７７
７．３．２　电涌防护器的设置 １７９
７．３．３　仪表设备及电缆的屏蔽 １８２
７．３．４　仪表系统的防雷接地 １８４
７．４　仪表系统接地 １８７
７．４．１　仪表系统接地类别 １８７
７．４．２　保护接地 １８８
７．４．３　工作接地 １８８
７．４．４　屏蔽接地 １８９
７．４．５　本安接地 １８９
７．４．６　防静电接地 １８９
７．４．７　防雷接地 １８９
７．４．８　接地连接系统 １８９
７．４．９　接地连接方法 １９０
第８章　控制系统 １９２
８．１　DCS １９３
８．１．１　ＤＣＳ的基本架构 １９４
８．１．２　ＤＣＳ的功能 １９５
８．１．３　ＤＣＳ硬件配置 １９６
８．１．４　ＤＣＳ软件配置 １９８
８．１．５　ＤＣＳ工程设计与集成 １９８
８．２　IDM ２０４
８．２．１　ＩＤＭ 的基本配置 ２０５
８．２．２　ＩＤＭ 的功能 ２０６
８．２．３　ＩＤＭ 的工程设计与集成 ２１０
８．３　PLC ２１１
８．３．１　基本结构 ２１２
８．３．２　应用特点 ２１４
８．３．３　产品分类 ２１５
８．３．４　ＰＬＣ工程设计 ２１６
８．４　CCS ２２０
８．４．１　ＣＣＳ配置 ２２１
８．４．２　ＣＣＳ的优点 ２２２
８．４．３　关键控制回路 ２２２
８．４．４　ＣＣＳ控制目标 ２２３
８．４．５　ＣＣＳ工程设计 ２２３
８．５　现场总线 ２２５
８．５．１　现场总线主要特点 ２２５
８．５．２　ＦＦＣＳ、ＰＦＣＳ与ＤＣＳ ２２６
８．５．３　ＦＦＨ１现场总线设计 ２２６
８．５．４　ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线 ２３７
８．５．５　ＦＣＳ工程设计及实施 ２４２
第９章　安全相关系统 ２４３
９．１　SIS ２４４
９．１．１　简介 ２４４
９．１．２　ＳＩＳ基本架构 ２４６
９．１．３　ＳＩＳ技术要求 ２４７
９．１．４　ＳＩＳ工程设计与实施 ２５３
９．２　GDS ２５８
９．２．１　简介 ２５８
９．２．２　ＧＤＳ基本配置 ２５８
９．２．３　ＧＤＳ功能和技术要求 ２６１
９．２．４　ＧＤＳ工程设计与实施 ２６１
第１０章　仪表安装与安装材料 ２６３
１０．１　仪表安装 ２６３
１０．１．１　仪表配管 ２６３
１０．１．２　仪表配线 ２７０
１０．１．３　仪表和电缆的保护 ２７５
１０．１．４　非设备／管道安装 ２７５
１０．２　安装材料 ２７７
１０．２．１　配管材料 ２７７
１０．２．２　配线材料 ２７８
１０．２．３　保护类材料 ２８２
１０．２．４　安装材料统计 ２８３
参考文献 ２８８
目　录
第１章　绪论 １
１．１　自动化仪表在石化装置中的地位和作用 １
１．２　自动化仪表工程设计 １
１．２．１　工程设计的总目标 １
１．２．２　工程设计的内容及其用途 ２
１．２．３　工程设计的基本任务 ２
１．２．４　工程设计的基本职责范围 ３
１．３　仪表专业在工程设计中常用的标准 ３
１．４　工程设计阶段与其他相关专业的设计联系 ４
第２章　仪表选型 ５
２．１　总则 ５
２．２　温度仪表 ６
２．２．１　一般要求 ６
２．２．２　就地温度计 ６
２．２．３　远传温度检测 ８
２．２．４　温度计套管 １０
２．２．５　温度变送器 １５
２．３　压力（差压）仪表 １５
２．３．１　一般要求 １５
２．３．２　就地压力表 １５
２．３．３　远传压力（差压） １７
２．４　流量仪表 １８
２．４．１　一般要求 １８
２．４．２　差压式流量计 １９
２．４．３　转子流量计 ３０
２．４．４　速度式流量计 ３２
２．４．５　容积式流量计 ３６
２．４．６　质量流量计 ３６
２．４．７　固体流量计和流量开关 ３８
２．５　物位仪表 ３８
２．５．１　一般要求 ３８
２．５．２　就地物位仪表 ３８
２．５．３　远传测量物位仪表 ４１
２．５．４　物位开关 ５１
２．６　阀门 ５２
２．６．１　常用种类 ５２
２．６．２　调节阀 ５４
２．６．３　开关阀 ６８
２．６．４　自力式调节阀 ６８
２．６．５　阀门选型要求 ６９
２．７　过程分析仪表 ７５
２．７．１　一般要求 ７５
２．７．２　气体分析仪 ７６
２．７．３　液体分析仪 ７９
２．８　可燃和有毒气体检测器 ８１
２．８．１　可燃气体检测器 ８１
２．８．２　有毒气体检测器 ８２
第３章　控制室、机柜室 ８４
３．１　简介 ８４
３．１．１　中心控制室 ８４
３．１．２　现场控制室 ８５
３．１．３　现场机柜室 ８８
３．２　控制室、机柜室设计要求 ８９
３．２．１　建筑与结构要求 ９０
３．２．２　室内平面布置和面积 ９２
３．２．３　采光和照明 ９３
３．２．４　采暖、通风、空气调节和环境条件 ９４
３．２．５　设备的安装和固定 ９４
３．２．６　健康、安全和环保 ９５
３．２．７　通信和电视监视系统 ９６
３．２．８　进线方式及保护措施 ９６
第４章　在线分析系统及分析小屋 １００
４．１　在线分析系统 １００
４．１．１　采样系统 １０１
４．１．２　采样预处理系统 １０６
４．１．３　回收系统 １０７
４．１．４　常用在线分析仪系统 １０９
４．１．５　在线分析系统的工程设计及实施 １１３
４．２　分析小屋 １１６
４．２．１　一般原则 １１６
４．２．２　结构 １１７
４．２．３　配电 １１８
４．２．４　采暖通风和空调系统 １１８
４．２．５　安全措施 １２０
４．２．６　公用工程 １２２
４．２．７　分析小屋的工程设计及实施 １２３
４．３　在线分析仪管理系统 １２６
４．３．１　一般要求 １２６
４．３．２　系统构成 １２６
４．３．３　单一装置的分析管理方案 １２８
第５章　仪表供电 １２９
５．１　供电范围和方式 １２９
５．１．１　仪表及控制系统 １２９
５．１．２　仪表辅助设施 １２９
５．１．３　供电方式 １３０
５．２　仪表电源种类 １３０
５．２．１　ＧＰＳ １３１
５．２．２　ＵＰＳ １３１
５．２．３　２４Ｖ（ＤＣ）电源 １３１
５．３　负荷等级 １３２
５．３．１　一级负荷 １３２
５．３．２　一级负荷中特别重要的负荷 １３２
５．３．３　二级负荷 １３２
５．３．４　三级负荷 １３２
５．４　供电系统设计 １３３
５．４．１　电源配置原则 １３６
５．４．２　普通交流电源供电系统 １３６
５．４．３　不间断交流电源供电系统 １３６
５．４．４　２４Ｖ（ＤＣ）电源供电系统 １３８
５．４．５　供电器材选择和安装 １４０
５．４．６　供电系统的配线 １４１
第６章　仪表供气 １４４
６．１　气源质量要求 １４５
６．１．１　干燥度要求 １４５
６．１．２　洁净度要求 １５１
６．２　供气系统 １５２
６．２．１　气源压力 １５２
６．２．２　耗气量计算 １５２
６．２．３　安全供气设计 １５４
６．２．４　供气方式 １５５
６．２．５　吹气测量 １５７
６．３　供气管路 １５７
６．３．１　供气管路的敷设 １５７
６．３．２　气动阀门供气连接 １５８
６．３．３　供气管路材质 １５９
６．３．４　供气管径 １５９
第７章　仪表防爆、防护、防雷和接地 １６０
７．１　仪表防爆 １６０
７．１．１　爆炸性气体环境 １６０
７．１．２　爆炸性粉尘环境 １６２
７．１．３　爆炸性环境内电气设备保护级别的选择 １６３
７．１．４　爆炸性环境内仪表设备防爆形式的选择 １６４
７．１．５　爆炸性环境内防爆仪表设备类别和组别的选择 １６６
７．１．６　本质安全电路的设计 １６７
７．１．７　爆炸性环境内防爆仪表工程 １６９
７．２　仪表防护 １７１
７．２．１　仪表防护等级 １７１
７．２．２　仪表及其测量管路的防护 １７３
７．３　防雷 １７７
７．３．１　仪表系统防雷的设计原则和基本内容 １７７
７．３．２　电涌防护器的设置 １７９
７．３．３　仪表设备及电缆的屏蔽 １８２
７．３．４　仪表系统的防雷接地 １８４
７．４　仪表系统接地 １８７
７．４．１　仪表系统接地类别 １８７
７．４．２　保护接地 １８８
７．４．３　工作接地 １８８
７．４．４　屏蔽接地 １８９
７．４．５　本安接地 １８９
７．４．６　防静电接地 １８９
７．４．７　防雷接地 １８９
７．４．８　接地连接系统 １８９
７．４．９　接地连接方法 １９０
第８章　控制系统 １９２
８．１　DCS １９３
８．１．１　ＤＣＳ的基本架构 １９４
８．１．２　ＤＣＳ的功能 １９５
８．１．３　ＤＣＳ硬件配置 １９６
８．１．４　ＤＣＳ软件配置 １９８
８．１．５　ＤＣＳ工程设计与集成 １９８
８．２　IDM ２０４
８．２．１　ＩＤＭ 的基本配置 ２０５
８．２．２　ＩＤＭ 的功能 ２０６
８．２．３　ＩＤＭ 的工程设计与集成 ２１０
８．３　PLC ２１１
８．３．１　基本结构 ２１２
８．３．２　应用特点 ２１４
８．３．３　产品分类 ２１５
８．３．４　ＰＬＣ工程设计 ２１６
８．４　CCS ２２０
８．４．１　ＣＣＳ配置 ２２１
８．４．２　ＣＣＳ的优点 ２２２
８．４．３　关键控制回路 ２２２
８．４．４　ＣＣＳ控制目标 ２２３
８．４．５　ＣＣＳ工程设计 ２２３
８．５　现场总线 ２２５
８．５．１　现场总线主要特点 ２２５
８．５．２　ＦＦＣＳ、ＰＦＣＳ与ＤＣＳ ２２６
８．５．３　ＦＦＨ１现场总线设计 ２２６
８．５．４　ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线 ２３７
８．５．５　ＦＣＳ工程设计及实施 ２４２
第９章　安全相关系统 ２４３
９．１　SIS ２４４
９．１．１　简介 ２４４
９．１．２　ＳＩＳ基本架构 ２４６
９．１．３　ＳＩＳ技术要求 ２４７
９．１．４　ＳＩＳ工程设计与实施 ２５３
９．２　GDS ２５８
９．２．１　简介 ２５８
９．２．２　ＧＤＳ基本配置 ２５８
９．２．３　ＧＤＳ功能和技术要求 ２６１
９．２．４　ＧＤＳ工程设计与实施 ２６１
第１０章　仪表安装与安装材料 ２６３
１０．１　仪表安装 ２６３
１０．１．１　仪表配管 ２６３
１０．１．２　仪表配线 ２７０
１０．１．３　仪表和电缆的保护 ２７５
１０．１．４　非设备／管道安装 ２７５
１０．２　安装材料 ２７７
１０．２．１　配管材料 ２７７
１０．２．２　配线材料 ２７８
１０．２．３　保护类材料 ２８２
１０．２．４　安装材料统计 ２８３
参考文献 ２８８

本教材主要内容包括化工装置设计中的仪表专业设计，主要内容是化工连续流动态运转的工业装置的温度、压力、流量、液位控制仪表的选用设计方法，及常规控制仪表的一般介绍和选用方法，以及新的数字系统控制设备的介绍，单片机内外部功能部件的硬件及其软件程序设计技术、半导体存储器，并行I/O接口，A/D和D/A接口，中断/定时器系统，串行通讯等硬软件设计技术等内容。本书可供从事化工装置仪表设计、施工和管理的人员参考，也可作为化工自动化仪表工程研究生的学习参考书。