ESD系統在天然氣輸氣管道的應用探討

高英田

摘 要：天然氣在輸送的過程中，因其易燃易爆的特性，容易發生爆炸的危險，因此，對輸送管道進行安全管理以及實時監測，對防止安全隱患的發生具有重要的作用。本文將對ESD系統在西氣東輸天然氣輸氣管道中的應用進行介紹，通過對運行情況、性能的可靠性等的分析，確定其應用價值，為其大范圍的推廣使用提供參考依據。

關鍵詞：ESD系統；天然氣；輸氣管道；應用

一、ESD系統簡介

ESD系統在設計和制造階段就已經達到了很高的安全等級，其可靠性體現在安全和可用兩個方面。安全性和可用性在某種程度上是一對矛盾體，安全性強調系統的動作可靠，可用性則著重于系統的容錯能力，一味強調安全性會使系統的可用性降低，維護性能變差，設備投資增加，而過于強調可用性則會給系統的安全帶來風險。如何平衡安全性和可用性，則是系統集成過程中需主要解決的問題。對于如何提高ESD系統的可靠性，不應狹隘地局限在主控制室的幾個機柜中，而應綜合考慮ESD系統、機組、現場儀表、配電、操作人員的日常操作以及維護人員的維護等因素。由于ESD系統主要承擔大型機組和關鍵流程的緊急停車。正常情況下ESD系統是處于靜態的，不需要人為干預，但作為安全保護系統，凌駕于生產過程控制之上，實時在線監測裝置的安全性。對其要求必須做到該動則必須動，不該動則不動。總之，ESD系統的特點有：

（一）系統響應速度快，有利于保護大型設備，避免事故擴大，有利于分辨事故原因；

（二）ESD是靜態的，不需要人為干預，可以避免人為誤動作；

（三）ESD掃描周期可以達到毫秒級，系統可以做到三重化容錯，降低控制功能和安全功能同時失效的概率。

二、ESD系統的結構組成

（一）檢測單元

利用儀表和系統將控制功能及安全連鎖功能分開，切斷了ESD系統和過程控制系統的聯系，經過物理隔離之后的ESD系統能夠單獨地實施安全監控和隱患處理，從而保證生產過程安全。

（二）控制單元

由三個部分組成，即輸入模塊、邏輯運算模塊和輸出模塊，在信息自動傳導到輸入模塊之后，經過運算之后就可確定運行過程中是否有故障生成。一般情況下，ESD系統會有一個特殊的硬件配置，用以確保運行系統安全。

（三）執行單元

在ESD系統中，執行單元的危險系數最高，通常為閥門或機構。在ESD系統正常工作的情況下，執行單元處于靜止狀態，這一狀態直至持續到ESD系統運行狀況不良好時才會改變。執行單元的可靠性對ESD系統的安全性具有重要的影響。

三、ESD系統的設計原則

為了達到及時檢測和處理危險的目的，系統設計要盡量減少中間環節，以縮短系統感受危險的時間。同時，為了保障系統的可靠性和靈活性，在設計上應采用故障安全型以及冗余容錯結構。

（一）ESD系統故障安全原則

故障安全原則指ESD系統受到外界干預而使系統安全保障功能失效時，受保護對象能夠按照預定的運轉程序進入安全停車狀態。

（二）ESD系統的冗余容錯

冗余是將具有相同功能的模塊或部件進行聯系以后，能夠對系統故障進行自動檢測，并自動轉入后備設備中。容錯是在功能模塊無法發揮功能性作用的情況下，能夠替代失效模塊繼續發揮特定的功能。兩者存在辨證統一的關系。

（三）ESD系統的安全完整性

在安全系統當中，系統完整性對于安全效率的發揮具有重要的作用。在確定ESD系統安全完整性的過程中，需要對破壞安全性的因素進行研究，進而提出安全保障措施。安全完整性等級為系統的性能提供了衡量標準，一般等級越高，安全性能越好，出現錯誤的幾率也就越小。

四、ESD系統在天然氣輸氣管道中的應用

西氣東輸站場ESD系統設計研究。西氣東輸天然氣管道的建立對于我國能源戰略的實施具有重要的作用。管道始于中亞土庫曼斯坦與烏茲別克斯坦邊境的格達伊姆地區，經過烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦境內，進入到我國新疆維吾爾地區的霍城縣。西一線到達上海，西二線到達廣州、香港地區，沿線設置了一定數量的閥室、站場，保障了能源運輸的暢通。

廣州分輸壓氣站的ESD系統采用了經安全檢驗合格后的霍尼韋爾SafetyBuilder。為了保證計量系統的可靠性，ESD模塊一般采用限度一定的冗余裝置。通過兩套完全相同的ESD控制器，以主機和備用機的形式進行工作運行轉換。計量站ESD系統采用系統內部供電和系統外部供電兩種供電方式，以避免上述問題的出現。外部供電主要向主機以及I/O模塊的負載進行供電，而內部供電主要向機架模塊供電。

站場ESD系統，是在原有控制系統基礎中，增加一套EmergencyShutdownDevice（簡稱ESD）緊急停車系統，當站內發生事故時，可通過ESD系統進行緊急關閉，并切斷站場內與上游及下游管道的聯系，同時通過緊急放空閥自動打開，將站內天然氣放空，可以保護站場的安全并減少事故狀態下天然氣的損失。

所以，首先在站場裝設一套安全儀表系統，通過對會引發站場事故的重要事故源如可燃氣體（CH4、火焰等進行檢測，待檢測到這些現場事故源超出正常范圍時，通過傳感器，傳遞至控制系統，待控制系統經過邏輯運算，最終給現場控制元件給出指令，實現連鎖開關狀態。即進行及時響應并觸發緊急停運機制，作出關閉進、出站閥門、停運壓縮機組、開啟越站流程和放空閥門、觸發報警等一系列動作。

五、結語

天然氣輸氣管道運行事故的發生將造成重大的人員傷害和生產損失，因此，對于處理可引發安全事故發生，降低安全隱患的ESD系統，其安全運行情況將直接關系到檢測結果的好壞，要給予高度的重視。對于ESD系統檢測單元，要達到一定的等級，為保護系統的運行安全創造條件。

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