LNG長輸管線項(xiàng)目中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-925X(2011)O7-0000-00

摘要：LNG長輸管線項(xiàng)目具有高壓、易燃、易爆、安全要求高等特點(diǎn)，因此在其安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上要注重高安全性，可用性和風(fēng)險(xiǎn)分散性。本文根據(jù)LNG長輸管線項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)安全性和可用性并重的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：LNG長輸管線項(xiàng)目 安全儀表系統(tǒng) 可用性 風(fēng)險(xiǎn)分散

1、引言

LNG長輸管線項(xiàng)目具有高壓、易燃、易爆、工藝連續(xù)性強(qiáng)、安全要求高等特點(diǎn)。尤其是大型管道工程裝置，一旦發(fā)生惡性事故，或者是計(jì)劃外停車，造成的損失都是十分重大的。

一般的LNG長輸管線項(xiàng)目管道工程范圍為從LNG氣化后外輸至用戶的天然氣長輸管道。工程包括主管道和支線的輸氣管道，調(diào)度控制中心為一主一備，由多個(gè)輸氣站場，多座線路截?cái)嚅y室組成。

以一個(gè)管道設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為7.5 MPa，處理能力為260×104t/a，管徑最大為DN800 mm，輸送距離超過300 km項(xiàng)目為例。應(yīng)用上海黑馬安全自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司的安全系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性的。

這樣的管道工程需應(yīng)用12套HIMA的HIQuad系統(tǒng)，作為安全儀表系統(tǒng)（SIS， safety instrument system），來保證項(xiàng)目的安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性。

2、管線控制及安全儀表系統(tǒng)簡介

管線是運(yùn)輸原油、氣體和其它產(chǎn)品的最經(jīng)濟(jì)最安全的方法，管線控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)覆蓋的距離長；（2）管線的保護(hù)；緊急停車信號(hào)的發(fā)送；（3）測量值、信息和命令的傳送；（4）通過關(guān)掉選定的閥門來避免危險(xiǎn)壓力；（5）管線泄漏的快速發(fā)現(xiàn)及定位；（6）遠(yuǎn)程維護(hù)；（7）組成復(fù)雜，包括DCS、ESD、FG和SCADA，既有就地操作控制又有遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

根據(jù)IEC61511的定義，安全儀表系統(tǒng)是指“能夠按照一定的安全完整性等級(jí)(SIL，?Safety Integrity Level)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)安全儀表功能（SIF，?Safety Instrument Function）的儀表系統(tǒng)，它通常由傳感器、邏輯運(yùn)算器和執(zhí)行元件組成，其中控邏輯運(yùn)算器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。”安全儀表系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)裝置或設(shè)備可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取緊急措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，使其進(jìn)入一個(gè)預(yù)定義的安全停車工況，從而使危險(xiǎn)和損失降到最低程度，保證生產(chǎn)、設(shè)備、環(huán)境和人員安全。在安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了定量地分析各種生產(chǎn)裝置的安全性，IEC61508定義了4個(gè)安全完整性等級(jí)，分別從SIL1到SIL4。安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既要滿足工業(yè)過程的安全度要求，又要保證可靠性和可用性，因此，必須對(duì)具體的工業(yè)過程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。液化天然氣長輸管線的安全儀表系統(tǒng)的安全度等級(jí)一般被定義為SIL3(IEC61508)，在石化行業(yè)中屬于較高的安全級(jí)別。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)管道設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為7.5 MPa，處理能力為260×104t/a，管徑最大為DN800 mm，輸送距離超過300 km的管道工程項(xiàng)目，總共需要應(yīng)用12套HIQuad SIS系通。除了首站之外，大部分分輸站和末站的IO點(diǎn)數(shù)較少，IO點(diǎn)主要是AI，DI，DO。具體IO點(diǎn)數(shù)的分配如表1

以上海黑馬安全自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司做過的福建LNG項(xiàng)目為例:

安全系統(tǒng)12套分布在首站，8個(gè)分輸站，末站和3個(gè)電廠

兩套HIMA?HIQuad系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信采用安全以太網(wǎng)Safe-Ethernet協(xié)議。安全以太網(wǎng)Safe-Ethernet協(xié)議是HIMA于1997 年推出并取得了T?V?SIL3 認(rèn)證的通信協(xié)議。該協(xié)議由HIMA 系統(tǒng)本身內(nèi)嵌的安全操作系統(tǒng)（OS）支持，可以基于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)完成滿足SIL3 級(jí)別的數(shù)據(jù)交換通訊。該協(xié)議解決了普通以太網(wǎng)通訊中TCP/IP 協(xié)議下數(shù)據(jù)的沖突、失效、丟失、不確定性等一系列問題，保證了安全相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)故障、數(shù)據(jù)出錯(cuò)、狀態(tài)不確定等情況下做到數(shù)據(jù)傳送過程中的“故障安全型設(shè)計(jì)”，滿足安全儀表系統(tǒng)的SIL3 要求。

同時(shí)HIMA HIQuad系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口分布在2塊冗余的以太網(wǎng)通信模件F8627X上，F(xiàn)8627X通信模件本身具有獨(dú)立的CPU，其特殊的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證了它不會(huì)響應(yīng)任何除了MODBUS?TCP 和安全以太網(wǎng)協(xié)議以外任何的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。福建LNG管道工程項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用了世界級(jí)品牌的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以承受高溫、潮濕、振動(dòng)以及電磁干擾等惡劣環(huán)境條件，具有寬電壓設(shè)計(jì)和全封閉結(jié)構(gòu)。其冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)為物理設(shè)備徹底彼此獨(dú)立的1:1 冗余網(wǎng)絡(luò)，而且設(shè)備供電也為冗余雙電源設(shè)計(jì)，從最大限度上保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備工作的高安全性和高可用性。

同樣，分輸站和末站輔助操作臺(tái)用硬接線連接至SIS系統(tǒng)，SIS系統(tǒng)通過冗余的以太網(wǎng)與移動(dòng)工程師站進(jìn)行通信，同時(shí)SIS系統(tǒng)與站控系統(tǒng)PLC之間通過MODBUS TCP協(xié)議進(jìn)行連接。站與站之間采用相對(duì)獨(dú)立的分散SIS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)分輸站或者末站會(huì)組成相對(duì)獨(dú)立的局域網(wǎng)。這就形成了一個(gè)個(gè)獨(dú)立的控制器層的網(wǎng)絡(luò)，安全相關(guān)的數(shù)據(jù)只在這些相對(duì)獨(dú)立的控制器層網(wǎng)絡(luò)中傳輸。這些控制器層網(wǎng)絡(luò)再通過冗余的以太網(wǎng)連接到位于整體SCADA系統(tǒng)中，形成監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)。一般情況下，SIS的網(wǎng)絡(luò)是自成一體的，沒有對(duì)外的接口，所以就沒有網(wǎng)絡(luò)安全訪問控制及病毒、黑客攻擊等來自外部的安全問題。

4、總結(jié)

LNG長輸管線項(xiàng)目中管道工程的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，應(yīng)該說實(shí)現(xiàn)了高安全性和高可用性的完美結(jié)合。除了達(dá)到SIL3安全級(jí)別以外，系統(tǒng)還具備充分的容錯(cuò)能力，同時(shí)在設(shè)計(jì)上充分考慮了風(fēng)險(xiǎn)分散的因素，非常好的滿足了該項(xiàng)目安全防護(hù)和連續(xù)運(yùn)行的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-《工業(yè)生產(chǎn)過程中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用SY/T 10045- 2003》

[2]《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全GB/T20438.1-7 》，2006年

[3]《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全GB/T21109.1-3》，2007年