天然氣凈化廠聯鎖停車等級設置探討

高進，楊廷加，范方真，劉波

(1． 中國石油西南油氣田公司 天然氣凈化總廠，重慶 401147；2． 中國石油西南油氣田公司 川東北作業分公司，四川 成都 610051)

天然氣凈化廠是對天然氣進行脫硫(碳)、脫水并對酸氣進行處理的工廠[1]。天然氣凈化廠通常按其所屬工藝分為主體裝置、生產輔助裝置和公用工程裝置，其中主體裝置包括脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理裝置；生產輔助裝置包括硫磺成型裝置、火炬及放空系統；公用工程裝置包括污水處理裝置，循環冷卻水、蒸汽及凝結水、燃料氣、儀表風氮氣、消防、供水等系統[2]。其中，主體裝置多數為脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理裝置一一對應布置，且按列分布，也存在其中的某個或某幾個裝置多列對單列的布置，如脫硫、脫水裝置各2列共用1套硫磺回收、尾氣處理裝置；生產輔助裝置和公用工程裝置按裝置單元分布。天然氣凈化廠裝置常規布置如圖1所示。

天然氣凈化廠工藝過程具有高溫、高壓、有毒、有害等特性，屬于高危連續生產的化工企業[3]，設置有大量的聯鎖回路來實現生產裝置運行過程中異常情況下的安全緊急停車，確保人員、設備安全，避免危險擴散造成更大的損失，是天然氣凈化裝置安全運行的保護屏障[4]。聯鎖回路是安全儀表系統的安全儀表功能單元，執行單一的安全功能并實現某個特定的安全保護或控制作用[5]，其由傳感器、邏輯解算器和最終元件組成。

圖1 天然氣凈化廠裝置常規布置示意

聯鎖停車等級是指某個聯鎖回路在聯鎖條件觸發后，為了實現其安全功能而產生的聯鎖停車動作，聯鎖停車動作影響范圍稱之為聯鎖停車等級。聯鎖回路的聯鎖停車動作結果是固定不變的，因此其對應的聯鎖停車等級也是固定不變的。

不同的聯鎖停車等級是不同保護層安全功能分配的體現，保護層安全功能分配包括分配預防、控制或減緩過程危險的保護層安全功能。在石油化工工廠或裝置中通常采用多個保護層，因此當某一個保護層失效時不會產生或導致嚴重后果[6]。

1 聯鎖停車等級設置現狀

某公司天然氣凈化總廠(以下簡稱凈化總廠)，是國內最早從事天然氣凈化的專業化公司，現有凈化裝置20套，處理原料天然氣能力2.4×1010m3/a，是綜合配套齊全、技術先進的大型天然氣凈化廠[7]。各分廠工藝裝置配置情況見表1所列。

表1 凈化總廠各分廠工藝裝置配置情況1)

凈化總廠各分廠均設置有安全完整性等級為SIL3的SIS[8]，通常將聯鎖回路的聯鎖停車等級分為四級： 設備級聯鎖、裝置級聯鎖、工廠級聯鎖、氣藏級聯鎖，不同聯鎖停車等級實現不同保護層的安全功能，如圖2所示。各分廠聯鎖回路的聯鎖停車等級設置情況見表2所列，通過分析研究凈化總廠現有聯鎖回路停車等級設置現狀，發現存在以下問題。

圖2 不同聯鎖停車等級的聯鎖回路保護層級示意

表2 各分廠聯鎖回路的停車等級設置情況

1.1 聯鎖停車等級定級錯誤

聯鎖停車等級定級錯誤主要體現在三個方面： 一是聯鎖回路命名不規范，導致同一聯鎖回路的名稱在各分廠不一致，如設備級的脫硫吸收塔低液位聯鎖回路，有低液位、低低液位、超低液位聯鎖回路等，易導致聯鎖回路定級錯誤；二是設備級聯鎖誤定義為裝置級聯鎖，尤其是執行器安裝在兩個或多個工藝流程點上的設備級聯鎖回路，如原料天然氣超壓聯鎖回路為設備級聯鎖，其聯鎖動作為關閉進脫硫裝置進口閥和打開原料天然氣放空切斷閥，在聯鎖停車等級的定級中常被誤定義為裝置級聯鎖回路；三是同一聯鎖條件參數在不同的聯鎖設定值觸發時產生的聯鎖動作結果是不一致的，其不同聯鎖設定值的聯鎖回路應被定義為不同的聯鎖回路，在實際應用中常被認為是同一聯鎖回路，因此其對應的聯鎖停車等級也常被誤認為同一聯鎖停車等級。如脫硫吸收塔低液位聯鎖回路觸發時應為設備級聯鎖停車，僅關閉脫硫吸收塔富液出口切斷閥及控制閥，而其低低液位聯鎖回路觸發時應為脫硫裝置聯鎖停車。在實際應用中常有脫硫吸收塔低低液位聯鎖回路被誤定級為設備級聯鎖，也有將脫硫吸收塔低液位聯鎖回路誤定級為裝置級聯鎖。

1.2 工廠級聯鎖定級范圍模糊

工廠級聯鎖定級范圍模糊主要體現在： 一是工廠級聯鎖動作范圍不一致，有的將導致全廠裝置都聯鎖停車的聯鎖回路定義為工廠級聯鎖，有的將導致主體裝置都聯鎖停車的聯鎖回路定義為工廠級聯鎖；二是有多列主體裝置的天然氣凈化廠，存在將單列主體裝置聯鎖停車的聯鎖回路定級為設備級聯鎖和工廠級聯鎖的情況，同時也存在將兩列或多列主體裝置聯鎖停車的聯鎖回路定級為設備級聯鎖和工廠級聯鎖的情況。

1.3 串級聯鎖停車管理問題

串級聯鎖停車是指由一個聯鎖停車結果觸發另一聯鎖停車[9]。串級聯鎖停車的類型有： 一是設備級的聯鎖停車結果觸發另一設備級的聯鎖停車動作或是觸發另一裝置級的聯鎖停車動作；二是裝置級的聯鎖停車結果觸發另一裝置級的聯鎖停車動作或是觸發多個另一裝置級的聯鎖停車動作。該類型串級聯鎖停車的聯鎖等級如何定義目前還未有明確的規定，有的分廠按同一等級管理，有的分廠按高一等級管理，還有的分廠未對串級聯鎖停車進行管理。

1.4 氣藏級聯鎖設置問題

氣藏級聯鎖設置存在問題主要有： 一是氣藏級聯鎖的概念近幾年才出現，到目前為止還沒有明確的定義；二是在凈化總廠7個分廠中，僅有2個新建分廠設置有氣藏級聯鎖，其余5個分廠均未設置，且已設置氣藏級聯鎖也未投用；三是氣藏級聯鎖的說法不準確，從已設置氣藏級聯鎖回路的聯鎖動作結果查看，其主要功能是凈化廠裝置運行異常或故障停車時自動觸發上游集輸站、閥室、井站和下游集輸站的聯動；四是該公司所處區域原料天然氣、產品天然氣的集輸管道已各自形成環網，可根據需要實現管網內的跨區域調配，超越了氣藏級的區域范圍。

1.5 各等級聯鎖回路數量分布不合理

從表1可知，各等級聯鎖回路數量分布不合理方面主要有： 一是設備級和裝置級聯鎖回路分布不合理，如三分廠、四分廠、六分廠、七分廠設備級聯鎖回路的數量遠低于裝置級的數量，五分廠設備級聯鎖回路的數量僅比裝置級的數量多3個；二是三分廠和六分廠未設置工廠級聯鎖；三是僅一分廠和二分廠設置有氣藏級聯鎖，其余分廠均未設置；四是橫向對比各分廠裝置數量與各等級聯鎖回路的數量，其各個分廠每個等級的聯鎖回路設置數量是各異的。

2 原因分析

針對上述存在問題，通過對凈化總廠聯鎖回路的設計、操作、管理、運維進行全流程分析研究和歸納總結，得出以下結論：

2.1 現有規范不滿足聯鎖停車等級設置相關要求

研究SY/T 7351—2016《油氣田工程安全儀表系統設計規范》對緊急停車的相關規定，緊急停車分為棄廠、泄壓停車、過程停車、單元停車4個級別[9]，適用于天然氣凈化廠緊急停車按鈕的設置，不適用于聯鎖停車分級。其原因為緊急停車分級是按事故或故障影響范圍劃分的，而聯鎖停車分級是按聯鎖動作范圍劃分的。現有規范無聯鎖停車等級分級要求，也就沒有設備級聯鎖、裝置級聯鎖、工廠級聯鎖、氣藏級聯鎖的定義、功能及動作范圍等內容，因此其無法滿足天然氣凈化廠聯鎖回路聯鎖停車等級的設置要求。

2.2 未對聯鎖停車等級進行規范管理

各分廠現有聯鎖回路停車等級未進行總廠級的統一管理，也未有規章制度和管理文件對其進行明確定義，由各分廠按字面意思自行定義。其與操作習慣、管理方式、技術人員的工作經驗和能力水平有很大的關聯，但隨著近年來安全環保質量要求的提高，聯鎖回路的數量及聯鎖范圍擴大，同時隨著單個天然氣凈化廠裝置規模和裝置數量的增多，導致在實際應用中對聯鎖停車等級劃分錯誤的情況越來越多。

工藝參數在DCS中可設置一般、低級、高級、緊急四個報警級別。在聯鎖回路中作為聯鎖條件的工藝參數，其設置的聯鎖值可能對應DCS中低級、高級、緊急三個報警級別中的一個或兩個報警值，對應關系使聯鎖回路命名混亂，導致同一聯鎖回路出現高(低)、高高(低低)、超高(低)、極高(低)等含有不同聯鎖停車等級的聯鎖回路名稱，嚴重影響了聯鎖停車等級的規范管理。

2.3 對不同聯鎖停車等級的功能和作用缺乏整體認識

當裝置發生事故或異常時，聯鎖回路首先依據條件觸發設備級聯鎖，關閉單個或部分設備，將危險控制在單個工藝裝置的局部范圍內；當設備級聯鎖保護動作失效后，裝置級聯鎖再依據條件動作，關停單個或多個工藝裝置；若裝置級聯鎖保護動作失效后，工廠級聯鎖再依據條件動作，關停單列或多列裝置，直至整個工廠停車；當工廠級聯鎖保護動作后，氣藏級聯鎖動作，減少或關斷上下游的天然氣流量，實現上下游聯動保護。因此，從不同聯鎖停車等級的保護層級來看，設備級聯鎖到氣藏級聯鎖，其聯鎖動作范圍是逐漸擴大的；從不同聯鎖停車等級的動作優先級來看，設備級聯鎖最先動作、裝置級聯鎖次之、氣藏級聯鎖最后；從不同聯鎖停車等級的作用來看，其對應聯鎖回路的數量應按金字塔結構按遞減趨勢分布。

2.4 聯鎖回路設置存在區域性

凈化總廠從2005年開始獨立設置SIS以來，其聯鎖回路設置僅限于脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理等天然氣凈化主體裝置，大多數天然氣凈化廠未考慮和覆蓋輔助生產裝置和公用工程裝置，即使有考慮也僅限于少數幾個工藝聯鎖回路，如燃料氣系統的壓力高聯鎖、儀表風系統的壓力低聯鎖等，未設置聯鎖回路的區域或裝置其聯鎖功能由DCS或PLC實現，聯鎖回路的設置存在區域性導致了工廠級聯鎖和裝置級聯鎖的混淆。同時隨著裝置規模的擴大以及多列主體裝置分廠的出現，天然氣凈化廠不再是單列裝置，聯鎖回路的設置存在區域性也加劇了工廠級聯鎖和裝置級聯鎖的混淆。

2.5 未與上下游聯動管理

當天然氣凈化廠生產異常時，通常需將裝置內的天然氣泄放至放空火炬系統燃燒以確保裝置、人員安全。若設置氣藏級聯鎖，當發生故障時，可通過氣藏級聯鎖回路發出關閉上游井站或原料氣天然氣輸氣管線的命令，減少或關閉來料天然氣，避免天然氣凈化廠的放空燃燒，具有明顯的經濟效益和環保效益。僅2020年該廠放空燃燒天然氣約3.297×106m3，造成能源浪費。

天然氣凈化廠屬于含硫天然氣開發不可缺少的中間環節，受制于上下游[10]。該公司各分廠與上游的采輸氣、下游的集配氣分屬于不同的二級單位管理，即使少數分廠與上游采輸氣屬同一二級單位管理，但由于分屬不同的三級單位管理，氣藏級聯鎖回路的投用會因天然氣凈化廠的故障或事故導致上游采輸氣井站等聯鎖停車，增加了工作量和安全風險，因此導致早期建設的天然氣凈化廠未設置氣藏級聯鎖，同時也是新建天然氣凈化廠氣藏級聯鎖未投運的原因。

3 改進建議

綜上所述，以下將從聯鎖停車等級的設置、定義、聯鎖動作、管理四個方面提出改進建議。不同聯鎖停車等級的聯鎖動作范圍界定如圖3所示。

圖3 不同聯鎖停車等級的聯鎖動作范圍示意

3.1 聯鎖停車等級設置

聯鎖停車等級設置改進建議如下：

1)根據氣藏級聯鎖設置現狀以及凈化總廠各分廠上下游現狀，并考慮該等級停車聯鎖的功能和作用，將氣藏級聯鎖更名為上下游聯動聯鎖。

2)上下游聯動聯鎖動作設置。為了減少天然氣放空燃燒量和聯鎖動作帶來的影響，考慮到天然氣凈化廠上下游各自的特點，下游聯鎖停車后需聯鎖停車上游，但上游聯鎖停車后不必聯鎖停車下游。如某分廠聯鎖停車后，需要聯鎖停車上游井站，而上游井站的聯鎖停車則不能聯鎖停車該分廠。

3)裝置級聯鎖停車動作設置。天然氣凈化主體裝置的工藝流程順序為脫硫裝置、脫水裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置，考慮到廢氣排放、燃料氣放空燃燒以及裝置間的關聯性等，脫硫裝置、脫水裝置中任一裝置聯鎖停車，不能聯鎖停車其他裝置；若硫磺回收裝置、尾氣處理裝置中任一裝置聯鎖停車，可聯鎖停車其他裝置。如脫硫裝置聯鎖停車后，不會聯鎖停車脫水裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置。

4)設備級聯鎖、裝置級聯鎖、工廠級聯鎖不同聯鎖停車等級的聯鎖回路數量應按金字塔結構呈遞減趨勢分布。

3.2 聯鎖停車等級重新定義

不同聯鎖停車等級的定義應按照其聯鎖動作結果或動作影響的范圍進行定義，建議如下：

1)上下游聯動聯鎖。天然氣凈化裝置在生產過程中因工藝參數變化或設備故障等原因需要對天然氣凈化廠上下游場站或設備進行聯鎖，或者上下游場站或設備在生產過程中因工藝參數變化或設備故障等原因需要對天然氣凈化裝置進行聯鎖。

2)工廠級聯鎖。天然氣凈化裝置在生產過程中因工藝參數變化或設備故障等原因需要對天然氣凈化廠進行聯鎖停車，若天然氣凈化廠由多列裝置組成，工廠級聯鎖包括對某一列裝置或多列裝置或全部裝置聯鎖停車。

3)裝置級聯鎖。天然氣凈化裝置在生產過程中因工藝參數變化或設備故障等原因需要對天然氣凈化廠某列裝置內的某個單元級工藝裝置進行聯鎖停車。

4)設備級聯鎖。天然氣凈化裝置在生產過程中因工藝參數變化或設備故障等原因需要對天然氣凈化廠某個單元級工藝裝置內的某臺設備或某幾臺設備進行聯鎖。

3.3 聯鎖停車等級的聯鎖動作

不同聯鎖停車等級動作優先級次序為設備級聯鎖、裝置級聯鎖、工廠級聯鎖、上下游聯動聯鎖。當裝置發生異常時，設備級聯鎖動作首先觸發，當其保護失效時觸發裝置級聯鎖，依次逐級觸發，直至上下游聯動聯鎖，如圖3所示。

3.4 聯鎖停車等級新管理模式

聯鎖停車等級新管理模式如下：

1)制定天然氣凈化廠聯鎖回路聯鎖停車等級規定相關的制度、文件以及規范。目前，凈化總廠正在制定企業級規范《天然氣凈化裝置聯鎖回路設置規范》，預計2022年發布。

2)結合該公司目前大力推進的數字化轉型、智能化建設契機，借助“油公司改革模式”導致生產管理模式、組織方式、管理制度等變化，轉變觀念，提高管理層對天然氣凈化廠上下游聯動管理的認識和作用，加快已有上下游聯動聯鎖的實施應用與優化，從而促進天然氣凈化廠上下游聯動從人工管理到生產裝置的自動聯鎖，提升上下游聯動管理的水平和質量。同時設置上下游聯動聯鎖動作確認按鈕，規避上下游聯動聯鎖因果分屬不同單位帶來的管理責任劃分問題。

4 結束語

聯鎖停車等級是對不同聯鎖回路實施保護層安全功能分配的重要依據，其合理設置能有效預防、控制和減緩過程危險，降低風險目標，從而實現人員、設備安全。通過對現有聯鎖回路停車等級設置現狀進行調查研究，并針對存在的問題從聯鎖停車等級的設置、定義、聯鎖、管理4個方面提出整改建議，指導新建和已建凈化廠聯鎖回路合理設置，從而實現不同聯鎖回路聯鎖停車等級的規范管理。