苏里格气田天然气处理厂ESD系统标准化方案探究

2012-11-14王顺喜

石油化工应用 2012年3期

关键词：里格干线变送器

杨斌，李锐，侯山，王顺喜

（中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗 017300）

苏里格气田天然气处理厂ESD系统标准化方案探究

杨斌，李锐，侯山，王顺喜

（中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗 017300）

通过苏里格气田处理厂ESD设计及配套分析，结合第一处理厂ESD改造成果，通过对仪表、电气以及ESD联锁逻辑方案的探讨，对苏里格气田处理厂ESD工艺及逻辑设计提出了改进的建议和意见。

ESD；检测单元；执行单元；可靠性；联锁逻辑

1 ESD系统

1.1 系统介绍

ESD是紧急停车系统英文Emergency Shutdown Device的缩写，是一种经过专业机构认证，具有一定安全等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。

ESD紧急停车系统按照安全独立原则的要求，独立于SCADA系统，其安全级别高于SCADA系统。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上。当生产装置出现紧急情况时，直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

图1 ESD系统组成示意图

1.2 系统组成

ESD系统的设备组成随着控制技术、通信技术和计算机技术的发展，系统集成度不断提高，也经历了一个由低到高，由简单到复杂的演变过程。但基本结构不变，始终是由检测单元、控制单元和执行单元三个基本部分组成。

1.2.1 检测单元采用多台仪表和系统，将控制功能和安全连锁功能隔离，使ESD系统和过程控制系统实现物理隔离。本厂ESD系统的检测单元使用的是罗斯蒙特压力变送器。

1.2.2 控制单元包括输入模块、逻辑运算模块和输出模块三部分，根据输入模块输入的信息自动进行周期性故障诊断。基于自诊断测试的ESD仪表系统，一般具有特殊的硬件配置，用安全性诊断测试技术来保证其安全性。

1.2.3 执行单元属于ESD系统中危险性最高的设备，一般为阀门或机构。由于ESD系统工作正常时执行单元为静态。只要ESD系统中输出不变，则执行单元将一直保持在原有状态不变。因此，执行单元的可靠性则对ESD系统的可靠性带来极大的影响。

2 处理厂设置ESD系统的保障

根据ESD系统的结构构成可知，ESD控制系统本身所有组成部件与模块都是经过专业机构与组织认证的，具有相当的安全级别，而一个处理厂的安全防护任务不是单由ESD控制系统来完成的，需要有完善和可靠的传感系统及执行系统做外围支持，并有恒定的稳压电源，可靠的数据传输网络做保障。

2.1 检测单元

按照ESD系统的安全性要求，其检测单元需要与DCS系统的传感单元分离开来，如图1所示，一个变送器的信号进入DCS系统参与过程回路控制，另一个变送器的信号进入ESD系统参与安全防护。

为防止联锁压变传回错误的数值而导致错误的联锁，需在以下两方面进行保障：

（1）处理厂内的湿气所走的管线，在冬季运行的低温环境下，可能会产生压变的导压管冻堵，造成压力监测值异常而导致误联锁，故需在湿气管线的压变上加装电伴热带，防止冻堵情况的发生。

（2）压变的配置采用“三选二机制”，即在一个ESD监测点处设置三块压力变送器，系统同时监测三块压力变送器的反馈信号，当监测到其中两块压力变送器的数据超出设定值后方执行联锁动作，这样避免了单块压力变送器出现故障而造成误联锁的可能。

另外，集气干线上的压力变送器的安装位置在进气紧急截断阀后，如发生了联锁使得紧急截断阀关断，则中控无法读取干线的来气压力，会给生产带来被动。因此，在集气干线上安装压力变送器时的位置选择须周全考虑。

2.2 控制单元

2.2.1 UPS电源保障 ESD控制系统对工作电源有着较高的要求，而在工业环境下，电网中的电压不稳，干扰较大，对ESD控制系统的运行存在较大威胁。ESD控制系统失电后，会造成现场阀门动作，恢复初始状态。因此，需要为ESD控制系统提供稳定的不间断电源供应。

UPS是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置，并将电网上的各种扰动与控制系统隔离开来，给系统持续的供给平稳的工作电压，保证控制系统的工作所需，并在外电切断以后，继续保持蓄电池对外供电一段时间。

为提高负载系统运行的安全可靠性，可采用两台UPS并联运行的方式对外供电，若一台UPS发生故障，则自动切换到另一台UPS上，接替负载继续进行供电。

图2 UPS工作原理示意图

2.2.2 控制逻辑的编制控制逻辑程序，即把紧急停车方案的连锁要求以ESD系统控制器所能识别的图形符号以逻辑图的形式表现出来。

编写出来的控制逻辑图应简洁、明了、完善、执行效率高，作为ESD系统下位机程序，应易于辨识维护，能够在线检测到现场的生产数据与反馈状态。

ESD系统是为处理厂的安全生产防护而服务的，其控制逻辑的编制应依照处理厂生产的工艺流程与控制参数量身打造，使其在处理厂的运行过程中很好的发挥其安全防护功能。

苏里格气田的天然气处理厂由于其工艺流程的相似性，场站建设的标准性，可以制定出一套适用于所有处理厂的标准化停车方案，加快ESD系统的构建速度。

2.3 执行单元

2.3.1 电动阀、气动阀的选择

表1 气动阀与电动阀对照表

气动阀由仪表风作为动力驱动，只有全开全关两种状态，执行开关动作的速度较快，防爆性能良好。根据不同使用位置的工艺需求，可选择气开或气关两种作用类型。在紧急状况下，处理厂失去电力供应与仪表风供应，气动阀可以根据其作用形式自动关闭或者自动开启，实现故障安全。

气动阀的正常工作不仅需要供电保障，还需要稳定的仪表风供应，二者有一方面的保障出现问题，阀门即会在正常的生产运行过程中出现意外的动作。

根据两种类型阀门的特点及现场安装要求，在处理厂进、出站管路，装置进出口等位置安装气动紧急截断阀，而在放空管线上使用的阀门为电动阀。

2.3.2 气动切断阀单作用、双作用的选择气动紧急切断阀根据其气缸类型分为单作用和双作用。它们的区别在于：单作用切断阀为弹簧复位，在开阀过程中，需要气源供应，进行关阀动作时，气缸内的仪表风排出，齿轮在气缸内弹簧的作用下转动，带动阀门关闭。若失去仪表风供应，则阀门也会自动关闭；双作用切断阀无论是执行开阀命令还是关阀命令，都需要有外部气源供应，若失去仪表风供应，阀门会保持当前阀位不进行动作。

图3 气动阀单作用与双作用原理示意图

第一处理厂清管区集气干线紧急切断阀原为单作用，在使用过程中，曾出现过由于仪表风供应故障、执行机构气缸端头漏气导致的阀门意外关闭故障，故通过技术改造将执行机构作用方式更改为双作用，杜绝了由于仪表风的供应问题而造成的阀门误动作。

然而，单作用气动紧急切断阀可以实现场站失电、失气情况下自动关闭，达到故障安全的功能，改造为双作用后，即使中断仪表风供应，阀门依然不会关闭，除非接收到来自中控室的关阀指令。因此，在ESD控制点上究竟采取何种作用类型的切断阀，需要根据现场实际情况合理的选择。

2.3.3 电动球阀UPS供电保障 ESD系统放空阀门为电动球阀，其电源由市电供给。而市电供给的不确定性较大，如遇意外情况，市电的供给中断，超压放空电动球阀失去电源供应，无法开启实现场站放空泄压。

为了保证电动球阀的动力供应，应把电动球阀的电源接入UPS，保证在外电切断的情况下阀门可控，可以正常的开启电动放空阀进行场站泄压。

3 苏里格天然气处理厂紧急停车逻辑的设定

ESD系统是服务于生产运行的，其停车方案要依据现场的生产工艺条件与安全防护要求，紧急状态下的现场应急反应来进行严谨的编制。

不合理的逻辑设置会造成两种情况：现场生产运行已出现严重异常，却仍未能触发联锁，使系统的安全防护功能失去作用；生产运行在人力可控范围内出现小波动即触发联锁，反倒给生产带来损失和被动。因此，紧急停车逻辑的编制要依据处理厂的工艺过程“量身打造”一套控制程序，使ESD控制系统在处理厂的安全防护任务中发挥其最大效能。

ESD紧急联锁分为全厂级联锁、装置级联锁、设备级联锁三个层次，下面从这三方面依次探讨不同级别的紧急停车逻辑。

3.1 全厂紧急停车逻辑

全厂紧急停车逻辑根据现场的事故状态分为两种：带放空紧急停车与不带放空紧急停车，二者的区别在于启动全厂紧急停车动作的时候是否有站内泄压。该连锁的触发方式为手动触发。

3.1.1 带放空紧急停车逻辑其功能目标为实现场站的隔离并进行站内放空泄压，即关闭处理厂各条进站集气干线的进口紧急截断阀，关闭各外输干线的出口紧急截断阀实现场站隔离，并打开厂内超压放空管线电动球阀进行放空，以实现站内安全停产的目的。

全厂的放空阀门一次性全部打开进行泄压，会给放空系统带来很大的压力。为了使场站能安全的放空，在带压放空过程中采用时序放空的方式，即按照各装置流程的压力等级，逐一进行泄压。在第一处理厂的放空时序为：增压站首先放空，10 s以后装置区与配气汇管进行放空，再过10 s以后预分离区与燃气区进行放空，实现处理厂的安全泄压。

3.1.2 不带放空紧急停车逻辑其功能目标是让处理厂停下来即可，不进行处理厂的放空泄压。该逻辑用于小范围的火灾或泄漏时，或当放空系统出现紧急情况时使用。