天然氣壓縮機設備關斷閥部分行程測試研究

李治貴，高帥，宋振壘，孟繁城

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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天然氣壓縮機設備關斷閥部分行程測試研究

李治貴，高帥，宋振壘，孟繁城

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

為保護海洋平臺上天然氣壓縮機設備，在橇塊天然氣入口處設置緊急切斷閥ESV(emergency shutdown valve)，當接收到緊急關斷系統ESD(emergency shutdown device)關斷信號時，ESV執行機構帶動閥體動作，關閉閥門，切斷上游氣源，以達到保護橇內設施、維護安全生產的作用。現階段，石油天然氣需求呈上升趨勢，油氣產能壓力很大，為提高海洋油氣生產能力，增加經濟效益，實現利潤最大化，天然氣壓縮機設備連續運轉的周期加長，這導致ESV長期處于“休眠”狀態。由于天然氣處理系統往往具有耐高溫、腐蝕、振動、黏性等特點，且閥體處于海洋環境下，使得ESV有可能產生“黏住”的故障，不能及時響應來自ESD系統的信號，在需要執行安全保護動作時產生“拒動”現象。這種情況下，將導致ESD系統失效，使孤立處于海洋腹地的石油平臺面臨重大安全威脅，這將是無法承受的災難事故。

為解決ESV拒動問題，根據IEC 61508，IEC 61511，ISA 84.01等標準，要求對整個安全儀表系統(SIS)，其中包括最終執行元件ESV，進行定期地檢驗測試，以便發現未表現的故障，提升安全回路中所有元件設備的安全性和可靠性。

ESV的測試分為離線測試和在線測試。離線測試可檢測出大部分閥門故障原因，但是海洋平臺必須全面停產，因而人們又開發出手動和自動在線測試。手動在線監測需安裝支路，監測時介質從支路通過，閥門則可以在線完成全行程測試，但這會增加管道、閥門成本，而且存在人為因素影響和安全聯鎖回路暫時失效的風險。鑒于此，自動在線測試在實際生產中占據越來越重要的地位。部分行程測試(PST)是自動在線測試的一種，閥門在平臺進行正常生產時發生局部行程動作(例如從100%全開狀態關到85%，然后回到100%全開)，以便檢查閥桿移動情況，對閥門進行功能測試。

筆者將從安全完整性分析計算的角度切入，結合部分行程測試的概念、原理，并根據海洋平臺壓縮機設備的應用實例，介紹部分行程測試的具體內容。

1部分行程測試對平均失效率PFDavg的影響

根據安全完整性理論，安全完整性等級(SIL)與平均失效概率PFDavg存在線性關系。PFDavg可通過下列公式進行計算：

PFDavg=λD×TI/2

(1)

式中：λD——危險失效概率；TI——測試間隔。

式(1)計算的是假定沒有冗余和自診斷要求時的PFDavg。隨著檢測周期的加長，設備自身的工作性能將有所下降，因而需要對ESV進行功能測試。測試方法有全行程測試和部分行程測試。與全行程測試相比，采用局部行程的方法，即將閥門轉動15%的小范圍(該范圍可以判斷閥門故障比例)，可減小全行程的頻率。但需要說明的是，部分行程測試不能檢測出SIS終端ESV的全部故障，因而PST無法代替全行程測試FST(full stoke testing)，PST和FST可以檢測的故障類型也不同。

假設PST測試可以檢測出70%的故障，用FST可能檢測出其余30%的故障，則：

PFDavg=(0.7λD·TIPS+0.31λD·TIFS)/2

(2)

式中：TIPS——局部行程周期間隔；TIFS——全行程周期間隔。

從式(2)可以看出： 在安全完整性等級不改變的情況下，如果縮短PST的測試間隔時間，則可以延長FST的測試時間間隔。這一結論在實際應用中好處很多，海洋平臺的生產可以延長大修周期，ESV的FST周期也隨之延長，這時可通過增加PST的測試頻率，縮短測試間隔來保證ESV的SIL等級保持原有水平不降低。為此筆者舉例說明。

全行程測試間隔為1a(8760h)，不做部分行程測試，此時：

PFDavg=λD·TIFS/2=4380λD

(3)

若將檢驗測試方案改為每年6次部分行程測試，每3年1次全行程測試，則： 部分行程測試覆蓋率為70%，測試間隔為2個月(1460h)，測試頻率為6次/a；全行程測試間隔為3a(26280h)，測試頻率為1次/a。根據式(2)可得： PFDavg=4453λD。

計算結果表明： 兩種測試結果其PFDavg值幾乎保持一致。可見，在保持ESVPFDavg值不變，即SIL等級不變的情況下，通過執行部分行程測試，使得FST全行程測試時間間隔得以延長，從而適應了平臺采油工藝運行周期加長的事實，為保證ESV可靠動作提供了依據，并降低了生產成本，增加了效益[1-3]。

2部分行程測試的實施方案

海洋平臺油氣生產中，為保證ESV的安全性，HAZOP分析提出ESV需要有部分行程測試功能，目前根據對市場各大閥門廠家的調研，部分行程測試一般有三種實現方式。

2.1采用機械擋板實現PST功能

圖1　機械擋板PST測試原理示意

采用機械擋板方式進行部分行程測試的原理如圖1所示。采用此方式，需現場操作人員將鑰匙插入測試孔，將擋板撥動到相應位置，然后從中心控制室發出關閥信號，當閥門關閉到相應的位置時，擋板阻止閥門的進一步動作，由此完成部分行程測試。完成測試后，需拔出鑰匙，將閥門位置復原。

2.2氣控回路實現方式

氣控回路方式部分行程測試如圖2所示[4]，由于該系統為簡單獨特的機械系統，控制部件全部是故障安全型的，整個系統可達到SIL3等級。在進行PST測試的時候，不會影響ESD系統緊急切斷指令的執行。

圖2　TYCO KTM關斷閥氣控回路PST方式原理示意

圖2中，當ESV收到ESD系統的關斷信號時，電磁閥1失電，氣源經由過濾減壓閥、氣控閥1至執行機構氣缸的氣路被阻斷，氣缸內的儀表氣由電磁閥放掉，氣缸失氣，彈簧推動活塞動作，帶動閥桿使閥門關閉，完成閥門的切斷功能。

當執行部分行程測試功能時，操作人員按下ESV現場控制盤上的測試按鈕，向電磁閥2輸出得電信號，電磁閥2開啟，氣源通過電磁閥2向氣控閥1輸出氣信號，氣控閥1關閉，切斷經由氣控閥1通向氣缸的氣源，同時氣缸中的部分氣體由氣控閥2排出，彈簧推動活塞向左移動，聯動閥桿開始關閥動作；當移動到限位開關的位置時，限位開關向現場控制盤輸入信號，使電磁閥2再次失電，氣控閥2關閉，停止氣缸排氣，同時氣控閥1打開，經由過濾減壓閥、氣控閥1至執行機構氣缸的氣路被聯通，ESV重新開啟，完成部分行程測試過程。

以氣控回路方式實現部分行程測試功能，現場控制盤只需一路總電源，由操作人員在現場將現場控制盒上的按鈕撥到PST檔位，按下部分行程測試按鈕即可進行測試，不需與中心控制室進行其他信號交換，現場即可接收到位置反饋的信號，簡單方便，可靠性高，缺點是部分行程測試的測試點一經確定不能更改。

2.3采用閥門定位器實現PST功能

以上兩種方式只是對閥桿進行一定位置的移動測試，僅是電磁閥動作和閥位開關回饋信號，可以監測到閥門動作，并沒有更多的信息供系統分析。隨著數字式閥門定位器的推出和閥門診斷技術的發展，用于SIS/ESD系統中的終端控制元件，不論是開關動作的ESV，還是調節流體量的控制閥，數字解決方案是業內共識，PST功能由集成到數字化的終端控制元件進行，監測診斷信息通信到ESD系統。

眾多控制閥制造廠家先后推出了具有PST功能的數字式ESD閥門定位器，包含了ESD功能和PST功能，采用模塊化的設計、RISC結構，內部集成多種傳感器，其中包含多個壓力傳感器。通過PST功能測試，可以檢測閥門摩擦力并計算具體數值，如膜頭壓力、壓力差、彈簧范圍和響應時間。通過軟件，可以看到閥門PST測試的閥位-壓力變化趨勢圖。上述數據通過HART通信傳到SIS中進行進一步的分析和診斷。工作原理如圖3所示。

圖3　閥門定位器PST方式原理示意

采用閥門定位器實現部分行程測試，可從DCS上啟動PST測試，其結果可視化。可從中心控制室設置PST測試的范圍和速度，執行PST測試時，可對ESV開度和驅動的壓力進行在線監測，在檢測到異常時，可中止測試，并發出緊急信號，并保存PST測試結果。利用智能定位器上位軟件可以自動進行診斷測試而無需人工干預。在軟件中可以設置進行PST測試的周期，軟件會自動定時進行測試，并保存結果；如果測試失敗，軟件會自動停止測試并向系統發出閥門粘住的警告。

3部分行程測試優缺點分析

上述幾種部分行程測試的方式各有優缺點。從安全性角度分析，機械擋板式安全性較低，沒有相應的SIL認證，多用于小尺寸閥門上；氣控回路式和閥門定位器式均可取得較高的SIL等級認證，更加安全可靠。從操作便利性角度分析，機械擋板式需要中心控制室和現場均配置操作人員，且由于過程中人員參與較多，如果做完測試后忘記將擋板撥回，則會出現應該緊急關斷的時候不能關斷的現象；采用氣控回路式和閥門定位器式，均操作簡便易行。投資成本方面，機械擋板式價格低廉，氣控回路式次之，閥門定位器成本最高，且需要中控系統也增加相應的模塊配置，施工工作量大，調試工作復雜。

綜上所述，考慮安全性、便利性、可靠性及經濟性，某天然氣壓縮機項目天然氣入口關斷閥采用氣控回路式局部行程測試方式。

4結束語

在海洋平臺天然氣壓縮機設備上，ESV作為保障安全生產的一道重要屏障，緊急聯鎖時能夠響應動作至關重要。ESV部分行程測試功能能夠延長全行程測試的間隔時間而不降低整個閥門的SIL等級，有效地降低了測試風險和測試失效的可能性。在實際設計中，應該根據對工藝流程的安全分析及項目投資狀況，確定閥門的部分行程測試方式，并在確定SIL等級的基礎上，合理確定局部行程的測試周期，保證閥門的安全完整性等級。

參考文獻：

[1]International Electrotechnical Commission.IEC 61511-1： 2003 Functional Safety — Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector [S]. IEC， 2003.

[2]International Electrotechnical Commission. IEC 61508-6： 2000 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related System [S]. IEC, 2000.

[3]郭海濤，陽憲惠.安全系統的安全完整性水平及其選擇[J].化工自動化及儀表，2006，33(02)： 71-75.

[4]方來華，吳宗之，劉驥，等.基于可靠性框圖法的安全功能失效概率定量分析[J].化工自動化及儀表，2008，35(02)： 32-35.

[5]黃步余，王建民，王玉華.SH/T 3018—2003石油化工安全儀表系統設計規范[S].北京： 中國石化出版社，2004.

[6]王朔.FPSO安全儀表系統(SIS)中閥門部分行程測試(PTS)的研究[J].高端裝備制造，2013(08)： 46-47.

[7]王秋紅.安全儀表系統切斷閥在線行程測試[J].石油化工自動化，2009，45(03)： 75-76.

定華23周年感謝有你

23年星移斗轉，23年滄海桑田。光陰荏苒，2015年8月，定華將迎來她的23周歲。23年，從小到大，由弱到強，她的成長令人欣慰，她的發展得到了用戶、設計院、以及社會各界朋友大力支持，每一位感知定華、了解定華以及與定華有過接觸的人，都是她真實的見證者。您的心中，一定有一個鮮明的定華形象，也許是一幅畫，也許是一首歌，也許是……

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外部作者： 您和定華之間難忘的故事和情緣；您對定華的印象，您我攜手合作、友誼的記憶；您對定華產品、技術、服務等的評價；您認識或感知的定華人以及團隊；您對于定華成長的點滴感觸；您對定華的期許和建議……

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征文時間： 即日起至2015年10月底止。

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其他：稿件一經采納，獎品從優。(西安定華電子有限公司)

《石油化工自動化》榮獲第八屆全國石油和化工行業

優秀報刊評選“二等獎”

第八屆全國石油和化工行業優秀報刊評選表彰大會暨中國化工情報信息協會五屆二次理事會議于2015年7月26日在江西景德鎮隆重舉行。由中國化工情報信息協會、中國石化聯合會信息與市場部共同舉辦的此次會議，在總結本屆評選、表彰獲獎單位、交流先進經驗的同時，深入研討了報刊改革與發展問題。本屆報刊評選的參評單位代表、中國化工情報信息協會理事、理事單位代表130多人出席了本次大會。

在與會代表的熱切關注下，大會公布了中國石化聯合會《關于表彰第八屆全國石油和化工行業優秀報刊的決定》，其中，《石油化工自動化》獲得了石油和化工行業優秀報刊“二等獎”。(《石油化工自動化》編輯部)

摘要：從油氣生產實際需求及安全儀表系統理論角度出發，介紹了關斷閥部分行程測試的概念、原理。為保證海洋平臺上天然氣壓縮機設備的安全等級，采用部分行程測試的方式來實現對關斷閥功能安全的提升。同時，針對市場上多種部分行程測試方式進行了分析，總結了各種實現方式的優缺點，并結合海洋工況特點及設備實際需求，推薦采用氣控回路方式實現天然氣壓縮機設備關斷閥部分行程測試，解決了工藝系統的關斷安全問題。

關鍵詞：緊急切斷閥部分行程測試安全完整性等級

Study on Partial Stroke Test for Natural Gas Compressor Emergency Shutdown ValveLi Zhigui, Gao Shuai, Song Zhenlei, Meng Fancheng

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin, 300451, China)

Abstracts： The concept and principle of partial stroke test for emergency shutdown valve are described from the perspective of actual oil and gas production demand and safety instrument system theory. Partial stroke test is used to promote safety function of shutdown valve in order to ensure safety level of natural gas compressor on offshore platform. Various kinds of partial stroke test methods available in market are analyzed. Advantages and disadvantages of test methods are summarized. Combing with offshore working condition and equipment actual requirements, pneumatic control circle mode is recommended to achieve partial stroke test of natural gas compressor. The shutdown safety problem of process system is solved.

Key words：emergency shutdown valve; partial stroke test; safty integrity level

中圖分類號：U463.5

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7324(2015)04-0019-04

作者簡介：李治貴，男，畢業于大連理工大學機械設計及理論專業，獲碩士學位，現從事海洋石油平臺天然氣壓縮機設計工作。

稿件收到日期： 2015-03-19，修改稿收到日期： 2015-06-18。