蘇里格氣田天然氣處理廠ESD系統標準化方案探究

楊 斌，李 銳，侯 山，王順喜

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗 017300）

蘇里格氣田天然氣處理廠ESD系統標準化方案探究

楊 斌，李 銳，侯 山，王順喜

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗 017300）

通過蘇里格氣田處理廠ESD設計及配套分析，結合第一處理廠ESD改造成果，通過對儀表、電氣以及ESD聯鎖邏輯方案的探討，對蘇里格氣田處理廠ESD工藝及邏輯設計提出了改進的建議和意見。

ESD；檢測單元；執行單元；可靠性；聯鎖邏輯

1 ESD系統

1.1 系統介紹

ESD是緊急停車系統英文Emergency Shutdown Device的縮寫，是一種經過專業機構認證，具有一定安全等級，用于降低生產過程風險的安全保護系統。

ESD緊急停車系統按照安全獨立原則的要求，獨立于SCADA系統，其安全級別高于SCADA系統。在正常情況下，ESD系統是處于靜態的，作為安全保護系統，凌駕于生產過程控制之上。當生產裝置出現緊急情況時，直接由ESD發出保護聯鎖信號，對現場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。

圖1 ESD系統組成示意圖

1.2 系統組成

ESD系統的設備組成隨著控制技術、通信技術和計算機技術的發展，系統集成度不斷提高，也經歷了一個由低到高，由簡單到復雜的演變過程。但基本結構不變，始終是由檢測單元、控制單元和執行單元三個基本部分組成。

1.2.1 檢測單元 采用多臺儀表和系統，將控制功能和安全連鎖功能隔離，使ESD系統和過程控制系統實現物理隔離。本廠ESD系統的檢測單元使用的是羅斯蒙特壓力變送器。

1.2.2 控制單元 包括輸入模塊、邏輯運算模塊和輸出模塊三部分，根據輸入模塊輸入的信息自動進行周期性故障診斷。基于自診斷測試的ESD儀表系統，一般具有特殊的硬件配置，用安全性診斷測試技術來保證其安全性。

1.2.3 執行單元 屬于ESD系統中危險性最高的設備，一般為閥門或機構。由于ESD系統工作正常時執行單元為靜態。只要ESD系統中輸出不變，則執行單元將一直保持在原有狀態不變。因此，執行單元的可靠性則對ESD系統的可靠性帶來極大的影響。

2 處理廠設置ESD系統的保障

根據ESD系統的結構構成可知，ESD控制系統本身所有組成部件與模塊都是經過專業機構與組織認證的，具有相當的安全級別，而一個處理廠的安全防護任務不是單由ESD控制系統來完成的，需要有完善和可靠的傳感系統及執行系統做外圍支持，并有恒定的穩壓電源，可靠的數據傳輸網絡做保障。

2.1 檢測單元

按照ESD系統的安全性要求，其檢測單元需要與DCS系統的傳感單元分離開來，如圖1所示，一個變送器的信號進入DCS系統參與過程回路控制，另一個變送器的信號進入ESD系統參與安全防護。

為防止聯鎖壓變傳回錯誤的數值而導致錯誤的聯鎖，需在以下兩方面進行保障：

（1）處理廠內的濕氣所走的管線，在冬季運行的低溫環境下，可能會產生壓變的導壓管凍堵，造成壓力監測值異常而導致誤聯鎖，故需在濕氣管線的壓變上加裝電伴熱帶，防止凍堵情況的發生。

（2）壓變的配置采用“三選二機制”，即在一個ESD監測點處設置三塊壓力變送器，系統同時監測三塊壓力變送器的反饋信號，當監測到其中兩塊壓力變送器的數據超出設定值后方執行聯鎖動作，這樣避免了單塊壓力變送器出現故障而造成誤聯鎖的可能。

另外，集氣干線上的壓力變送器的安裝位置在進氣緊急截斷閥后，如發生了聯鎖使得緊急截斷閥關斷，則中控無法讀取干線的來氣壓力，會給生產帶來被動。因此，在集氣干線上安裝壓力變送器時的位置選擇須周全考慮。

2.2 控制單元

2.2.1 UPS電源保障 ESD控制系統對工作電源有著較高的要求，而在工業環境下，電網中的電壓不穩，干擾較大，對ESD控制系統的運行存在較大威脅。ESD控制系統失電后，會造成現場閥門動作，恢復初始狀態。因此，需要為ESD控制系統提供穩定的不間斷電源供應。

UPS是能夠實現兩路電源之間不間斷地相互切換的電氣裝置，并將電網上的各種擾動與控制系統隔離開來，給系統持續的供給平穩的工作電壓，保證控制系統的工作所需，并在外電切斷以后，繼續保持蓄電池對外供電一段時間。

為提高負載系統運行的安全可靠性，可采用兩臺UPS并聯運行的方式對外供電，若一臺UPS發生故障，則自動切換到另一臺UPS上，接替負載繼續進行供電。

圖2 UPS工作原理示意圖

2.2.2 控制邏輯的編制 控制邏輯程序，即把緊急停車方案的連鎖要求以ESD系統控制器所能識別的圖形符號以邏輯圖的形式表現出來。

編寫出來的控制邏輯圖應簡潔、明了、完善、執行效率高，作為ESD系統下位機程序，應易于辨識維護，能夠在線檢測到現場的生產數據與反饋狀態。

ESD系統是為處理廠的安全生產防護而服務的，其控制邏輯的編制應依照處理廠生產的工藝流程與控制參數量身打造，使其在處理廠的運行過程中很好的發揮其安全防護功能。

蘇里格氣田的天然氣處理廠由于其工藝流程的相似性，場站建設的標準性，可以制定出一套適用于所有處理廠的標準化停車方案，加快ESD系統的構建速度。

2.3 執行單元

2.3.1 電動閥、氣動閥的選擇

表1 氣動閥與電動閥對照表

氣動閥由儀表風作為動力驅動，只有全開全關兩種狀態，執行開關動作的速度較快，防爆性能良好。根據不同使用位置的工藝需求，可選擇氣開或氣關兩種作用類型。在緊急狀況下，處理廠失去電力供應與儀表風供應，氣動閥可以根據其作用形式自動關閉或者自動開啟，實現故障安全。

氣動閥的正常工作不僅需要供電保障，還需要穩定的儀表風供應，二者有一方面的保障出現問題，閥門即會在正常的生產運行過程中出現意外的動作。

根據兩種類型閥門的特點及現場安裝要求，在處理廠進、出站管路，裝置進出口等位置安裝氣動緊急截斷閥，而在放空管線上使用的閥門為電動閥。

2.3.2 氣動切斷閥單作用、雙作用的選擇 氣動緊急切斷閥根據其氣缸類型分為單作用和雙作用。它們的區別在于：單作用切斷閥為彈簧復位，在開閥過程中，需要氣源供應，進行關閥動作時，氣缸內的儀表風排出，齒輪在氣缸內彈簧的作用下轉動，帶動閥門關閉。若失去儀表風供應，則閥門也會自動關閉；雙作用切斷閥無論是執行開閥命令還是關閥命令，都需要有外部氣源供應，若失去儀表風供應，閥門會保持當前閥位不進行動作。

圖3 氣動閥單作用與雙作用原理示意圖

第一處理廠清管區集氣干線緊急切斷閥原為單作用，在使用過程中，曾出現過由于儀表風供應故障、執行機構氣缸端頭漏氣導致的閥門意外關閉故障，故通過技術改造將執行機構作用方式更改為雙作用，杜絕了由于儀表風的供應問題而造成的閥門誤動作。

然而，單作用氣動緊急切斷閥可以實現場站失電、失氣情況下自動關閉，達到故障安全的功能，改造為雙作用后，即使中斷儀表風供應，閥門依然不會關閉，除非接收到來自中控室的關閥指令。因此，在ESD控制點上究竟采取何種作用類型的切斷閥，需要根據現場實際情況合理的選擇。

2.3.3 電動球閥UPS供電保障 ESD系統放空閥門為電動球閥，其電源由市電供給。而市電供給的不確定性較大，如遇意外情況，市電的供給中斷，超壓放空電動球閥失去電源供應，無法開啟實現場站放空泄壓。

為了保證電動球閥的動力供應，應把電動球閥的電源接入UPS，保證在外電切斷的情況下閥門可控，可以正常的開啟電動放空閥進行場站泄壓。

3 蘇里格天然氣處理廠緊急停車邏輯的設定

ESD系統是服務于生產運行的，其停車方案要依據現場的生產工藝條件與安全防護要求，緊急狀態下的現場應急反應來進行嚴謹的編制。

不合理的邏輯設置會造成兩種情況：現場生產運行已出現嚴重異常，卻仍未能觸發聯鎖，使系統的安全防護功能失去作用；生產運行在人力可控范圍內出現小波動即觸發聯鎖，反倒給生產帶來損失和被動。因此，緊急停車邏輯的編制要依據處理廠的工藝過程“量身打造”一套控制程序，使ESD控制系統在處理廠的安全防護任務中發揮其最大效能。

ESD緊急聯鎖分為全廠級聯鎖、裝置級聯鎖、設備級聯鎖三個層次，下面從這三方面依次探討不同級別的緊急停車邏輯。

3.1 全廠緊急停車邏輯

全廠緊急停車邏輯根據現場的事故狀態分為兩種：帶放空緊急停車與不帶放空緊急停車，二者的區別在于啟動全廠緊急停車動作的時候是否有站內泄壓。該連鎖的觸發方式為手動觸發。

3.1.1 帶放空緊急停車邏輯 其功能目標為實現場站的隔離并進行站內放空泄壓，即關閉處理廠各條進站集氣干線的進口緊急截斷閥，關閉各外輸干線的出口緊急截斷閥實現場站隔離，并打開廠內超壓放空管線電動球閥進行放空，以實現站內安全停產的目的。

全廠的放空閥門一次性全部打開進行泄壓，會給放空系統帶來很大的壓力。為了使場站能安全的放空，在帶壓放空過程中采用時序放空的方式，即按照各裝置流程的壓力等級，逐一進行泄壓。在第一處理廠的放空時序為：增壓站首先放空，10 s以后裝置區與配氣匯管進行放空，再過10 s以后預分離區與燃氣區進行放空，實現處理廠的安全泄壓。

3.1.2 不帶放空緊急停車邏輯 其功能目標是讓處理廠停下來即可，不進行處理廠的放空泄壓。該邏輯用于小范圍的火災或泄漏時，或當放空系統出現緊急情況時使用。

3.2 單元聯鎖關斷

3.2.1 清管區 現場使用邏輯：單條集氣干線的緊急截斷閥與進站壓力進行聯鎖，當干線來氣壓力超低時，關斷進站緊急截斷閥，達到單條干線的安全。

如單條干線壓力超高，在此情況下需要采取措施是降低干線內壓力，故單條干線不設置聯鎖高限，只設置了聯鎖下限。

若干線發生聯鎖，緊急截斷閥關斷，則處理廠內無法監視到集氣干線的壓力，故需要在閥前管線上開孔安裝壓差變送器，以讀取事故狀態下的干線壓力。

建議邏輯：在清管集氣區單條干線上不設置壓力聯鎖邏輯，主要原因是各條干線匯集到集氣干線內，不會出現單條干線的壓力超高或超低，故只需要設置高低壓報警即可，不需要進行聯鎖。

3.2.2 脫油脫水裝置 脫油脫水區域建議不設置單套裝置的緊急聯鎖，因為考慮到每套脫油脫水裝置的進口與出口是分別由匯管連通起來的，單獨的一套裝置不會出現超壓的可能，故對單套脫油脫水裝置只設置了手動緊急停車，即關斷單套裝置的進出口緊急截斷閥，并開啟裝置內超壓放空閥泄壓，停運對應的丙烷壓縮機。

在事故狀態下，手動停運一套裝置，會導致增壓站出口壓力瞬間升高，達到壓縮機停車條件而造成增壓站非正常停車。故在按下單套裝置緊急停車按鈕時，需要中控配合，給兩臺壓縮機發出緊急停車指令，停運兩臺壓縮機。

3.2.3 燃料氣區 燃氣區的重要性在于該區域承擔著給壓縮機供給燃料氣的任務，聯鎖設計不當會使該區域在非人為意愿的情況下切斷，反而給現場的生產帶來不利。

燃料氣區配氣匯管管徑為DN100，且管路較短，很容易出現短時間內的壓力大幅波動，若觸發壓力聯鎖，導致此區域切斷，將會進一步導致處理廠停產。故可在配氣區至燃料氣區的管路上增設調壓閥一臺，實現該燃氣管段的二級調壓，更平穩的調節燃氣壓力，確保該重點區域的平穩運行。

建議邏輯：此區域在確保不出現超壓事故的前提下，盡量減少緊急切斷的次數。故對高低壓燃氣管線設置高壓聯鎖，而低壓燃氣管線設置低報、低低報，并在壓力極低時執行緊急關斷動作。

3.2.4 增壓站 在中控輔助操作臺上設置增壓站停車按鈕，實現增壓站所有壓縮機的緊急停車。另外，在系統操作站的增壓站監控畫面上設置單臺壓縮機組的ESD功能，對單臺壓縮機發出緊急停車命令。

建議邏輯：中控給出增壓站緊急停車指令，在給各臺壓縮機發出緊急停車命令的同時，給運行中的各臺丙烷壓縮機發出緊急停車指令。

3.3 設備級緊急停車

對于天然氣壓縮機組、丙烷壓縮機等設備的ESD設施，由機組配套供貨并應確保機組的安全運行，同時可接收處理廠ESD發出的緊急停車命令。

4 處理廠ESD設計的幾個建議

（1）根據目前處理廠進站壓力一般為2.5 MPa左右，而蘇里格氣田干線選型一般為4 MPa或6.4 MPa，建議取消干線的高低聯鎖設置，僅留高低壓報警。

（2）處理廠的全廠ESD放空時序設置必須根據相關壓力下各緊急切斷閥的動作時間來設置，放空閥的打開須晚于緊急切斷閥關閉時間，否則大量的氣體沖擊管線會帶來嚴重問題。因此，對閥門開關時間測試要做到準確有效，避免在控制事故時發生次生事故。

（3）高壓低燃料氣作為處理廠生產核心區域，應盡力避免更多的聯鎖程序出現，建議對高壓燃氣進行二級調壓，確保燃料氣進行的穩定性，避免聯鎖帶來的停產問題。

（4）放空電動球閥作為安全保護的最后一道防線，應確保其在事故狀態下的可靠性，建議增加UPS電源，保證在故障狀態下閥門能正常執行開關命令。

（5）外輸區建議設置高低壓報警，不再設置單條干線的聯鎖，避免因儀表故障出現閥門關斷的情形。

（6）裝置區進匯管的總閥（電動球閥）作為裝置區向配氣區輸送的關鍵點，沒有進入ESD考慮范圍，建議在設計時，當全廠緊急停車，應關閉該界區閥，將全廠有效的分為清管區、裝置區、外輸區三個部分進行放空。

5 結論

由于蘇里格氣田大部分處理廠采用后增壓處理模式，在ESD邏輯和配套設計上有了統一設計的可行性，文章通過第一天然氣處理廠ESD改造過程中探討或者遇到的問題，進行分析，提出了標準化設計的邏輯建議和配套工程建議，希望能對處理廠ESD緊急停車方案的設計起到拋磚引玉的作用。

[1] 蘇里格第一天然氣處理廠緊急停車方案[G] .

[2] 蘇里格第三天然氣處理廠緊急停車方案[G] .

[3] 蘇里格第四天然氣處理廠緊急停車方案[G] .

[4] 陸德明，等主編.石油化工自動控制設計手冊[M] .北京：化學工業出版社，2000.

[5] 葉明生主編.化工設備安全技術[M] .北京：化學工業出版社，2008.

TE938

A

1673-5285（2012）03-0084-04

2012－01-20