长输管道压气站安全仪表系统

朱喜平 张来斌 梁 伟

中国石油大学（北京）机械与储运学院

长输管道压气站安全仪表系统

朱喜平 张来斌 梁 伟

中国石油大学（北京）机械与储运学院

按照IEC61511中的定义，安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）是由传感器、逻辑控制器和执行器组成，能够行使一项或多项安全仪表功能的仪表系统。压气站SIS的安全功能主要包括进/出站系统紧急切断和放空，增压系统的保护、切断和放空，以及探测系统等几部分。压气站的ESD控制功能分为四级，包括手动紧急关闭和自动紧急关闭。压气站是天然气输气管道的主要组成部分，容易出现压力超高、天然气泄漏及火灾和爆炸等事故。SIS系统的应用将在短时间内将事故区域进行隔离和放空，有效控制和降低事故造成的影响和损失，目前在压气站得到广泛的应用并取得良好的效果。

压气站；安全仪表系统；功能；紧急关断

1 安全仪表系统

按照IEC61511中的定义，安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）是由传感器、逻辑控制器和执行器组成，能够行使一项或多项安全仪表功能的仪表系统。安全仪表系统主要用来监视控制系统的状态，判断危险条件，防止危险发生或者减轻事故造成的影响，在天然气站场上通常把SIS称作紧急停车系统（Emergency Shutdown System，ESD）。

1.1 典型的SIS结构

SIS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，但其基本结构不变，是由触发模块、逻辑控制模块和执行模块3个基本部分组成，如图1所示。

图1 典型的SIS结构

1.2 触发模块

触发模块由多种传感器组成，主要是监测被测量的信息，并将检测到的信息按某种方式转换后以电信号或其他所需形式输出，从而实现信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

2 压气站SIS

压气站主要包括工艺系统、自控系统、电气系统、通讯系统和阴极保护系统等，其中工艺系统又包括分离系统、调压系统、计量系统、排污系统和放空系统等；自控系统主要由BPCS系统和SIS系统组成。

2.1 SIS和BPCS关系

SIS不同于基本过程控制系统（Basic process control system，BPCS），BPCS执行基本过程控制功能，使生产过程中的温度、压力、流量和液位等工艺参数维持在规定的正常范围之内，保证正常的安全生产。BPCS是主动的、动态的，而SIS是被动的、静态的。由于SIS是静态的，故要对其进行周期性的诊断和测试。SIS独立于BPCS，其安全级别高于BPCS。

2.2 压气站BPCS

压气站BPCS功能主要包括压气站启动控制，压气站正常关闭控制，压缩机组出口流量测量，循环水控制，自动增压水箱控制，所有泵的远程手动启、停，所有电动阀门的远程手动开、关，分离器组的切换，压缩机房通风控制，进风机的远程手、自动启、停，仪表风供气压力监控，空气压缩机数据采集监视和控制，数据采集监视，压缩机房可燃气体/火焰报警系统监控，电驱压缩机组单机、多机监控，火灾报警系统的监控，上传DCC数据。

2.3 SIS功能

压气站SIS的安全功能主要包括进/出站系统紧急切断和放空，增压系统的保护、切断和放空，以及探测系统等几部分。

SHEN Hua, XI Wang, WANG Qing, GAO Yang, LI Miao-ling, WANG Zhi-nong

（1）站紧急关闭。当站场出现紧急事故，上、下游输气管道出现紧急事故或站场出现火灾等情况下，启动“全站ESD”。触发条件：①调度控制中心（DCC）发出“全站ESD”命令；②现场装置区附近的“全站ESD”按钮被按动；③站控ESD机柜前面板上的“全站ESD”按钮被按动；④控制室内墙上的“全站ESD”按钮被按动。ESD系统接收到“全站ESD”命令后执行以下操作指令：同时关闭进站阀和出站阀，压力监控系统中的安全切断阀、自用气管路中的切断阀；同时输出1个DO信号（加常开接点继电器，DO输出时接点闭合），启动全站ESD报警器，提示现场工作人员，参与ESD的阀门全部关闭后，再打开放空阀进行全站放空。

（2）进、出站爆管检测。进/出站区3台压力变送器同时检测管线压力，当2个及以上变送器检测到的压降速率持续低于设定值一定时间，则实施站关闭，实现爆管检测控制。

3 压气站ESD分级

压气站的ESD控制功能分为四级，包括手动紧急关闭和自动紧急关闭。

3.1 一级关断

全站紧急关闭：同时关闭进出站ESDV阀，切断站场与管线的联通；关闭站内所有的动力设备，仅保留安全撤离、消防、安全控制应用电源；所有站ESDV关闭后自动打开站放空阀，将站内所有区域高压天然气全部放空。一级关断适用于压气站全站。

3.2 二级关断

区域紧急关闭：同时关闭事故区域进、出口ESDV阀，切断该区域与站场或管线的联通；关闭事故区域内所有动力设备，仅保留安全撤离、消防、安全控制应用电源；区域进、出口ESDV阀关闭后自动打开区域放空阀，将事故区域内所有天然气全部放空。二级关断适用于压缩机厂房。

3.3 三级关断

局部功能紧急关闭：同时关闭事故区域进、出口ESDV阀或安全紧急截断阀（SSV），切断该区域与站场或管线的联通，必要时放空局部天然气。三级关断适用于单台压缩机组、分输用户调压系统、气体加热系统等。

3.4 四级关断

单体设备紧急关闭：紧急关闭事故设备。适用于单体动力设备、单路调压系统、单台气体加热设备等。

4 设计、安装和运行需注意的问题

（1）SIS单独设置，与基本过程控制系统BPCS隔离，不能通过数据通讯方式实现SIS系统安全功能。

（2）对于仪表安全功能，传感器、逻辑计算器和最终元件应具有最低的硬件故障裕度，使得在1个或几个硬件危险故障的情况下，仍能保证所要求的仪表安全功能正常。

（3）压气站的输入元件要求产品最低要取得SIL2认证或相当的实验证明。

（4）所有安全功能的的输入点和输出点都是故障安全型，即在安全功能不动作的正常工作状态下是带电的，断电的情况下安全仪表动作，将过程带入安全状态。

（5）ESD按钮应配套诊断电阻，电阻连接方式及电阻值符合相关SIS系统DI模块回路诊断要求，宜采用按压动作、压紧自锁定、手动旋转复位形式。

（6）直流电源系统SIS和BPCS应分别独立设置，SIS直流电源要求冗余配置，并提供不少于30min的后备电池。

（7）SIS检测信号的输入、触发信号输入、控制信号输出原则上应采用直接硬接线方式实现。

（8）控制电缆铺设应满足防雷电脉冲要求，当SIS电源接地与BPCS要求不一致时，要加装接地隔离装置。对于浮空设计的系统，应考虑配置相应的接地故障检测措施。

（9）各级ESD按钮，分别直接接入SIS系统，采用常闭触点。

5 结语

压气站是天然气输气管道的主要组成部分，由于压气站有工艺复杂、设备众多和运行压力高等特点，容易出现压力超高、天然气泄漏及火灾和爆炸等事故。SIS的应用将在短时间内将事故区域进行隔离和放空，有效控制和降低事故造成的影响和损失，目前在压气站得到广泛的应用并取得良好的效果。随着SIS应用的不断深入，压气站的安全从技术层面得到越来越多的保障。

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.004