川渝地区输气站场ESD系统执行元件应用优化探讨

徐婧源　罗 敏　毛彦恒　陈颖杰　廖 欣　别 沁

1.中国石油西南油气田公司输气管理处　2.中国石油西南油气田公司勘探事业部　3.中国石油西南油气田公司规划计划处

川渝地区输气站场ESD系统执行元件应用优化探讨

徐婧源1罗 敏1毛彦恒1陈颖杰2廖 欣3别 沁1

1.中国石油西南油气田公司输气管理处2.中国石油西南油气田公司勘探事业部3.中国石油西南油气田公司规划计划处

摘要气液联动干线球阀作为川渝地区输气站场ESD系统的主要执行元件之一，是ESD系统的重要组成部分。球阀执行机构的合理设置不仅对气液联动干线球阀发挥干线切断功能起重要作用，还对保证ESD系统的安全功能具有重要影响。为此，通过分析川渝地区输气站场ESD系统中气液联动干线球阀执行机构存在的问题，提出了两种优化方案。结果表明，优化后的ESD系统满足独立设置原则和故障安全型原则。现场应用结果显示：①ESD系统工作正常，能够发挥要求的安全功能；②ESD系统误动作率大大降低，起到了对输气站场的安全保护作用。

关键词输气站场ESD系统执行元件气液联动干线球阀逻辑控制优化

1ESD系统概述

ESD(Emergency Shutdown Device)系统是紧急停车系统，如图1所示，ESD系统通常由检测元件、逻辑控制器、执行元件、软件及配套附件(包括电源、输入/输出接口、浪涌保护器等)组成。为保障输气站场安全生产、降低生产过程风险，ESD系统所要求实现的安全功能就是当站场发生泄漏、火灾等事故时，ESD系统能迅速启动，切断气源，控制和避免事态扩大[1-3]。

ESD系统设计遵循四项原则[4]，即：独立设置原则、中间环节最少原则、故障安全型原则和冗余容错原则。合理的系统设计不仅能降低生产过程恶性事件发生概率、避免对人身和设备安全造成重大伤害，同时还有利于减少过度安全保障带来的人、财、物力的浪费。

2川渝地区输气站场ESD系统

随着石化企业向集中化、精细化和自动化方向发展，ESD系统在输气站场的应用日益广泛。目前，川渝天然气骨干管网中共有24座输气站场建设了ESD系统，针对输气站场ESD系统应用中存在的问题，结合国内外标准规范要求[5-11]，提出了优化方案。

2.1ESD系统结构

川渝地区输气站场ESD系统主要由检测元件、控制元件、执行元件三部分构成。当检测到非安全因素时，检测元件将检测到的非安全因素转换成电信号，传递给控制元件，控制元件按照事先设定的程序进行逻辑运算后，将控制指令下达到执行元件，指挥执行元件动作。

2.1.1检测元件

2.1.2控制元件

逻辑控制器和软件共同组成了ESD系统控制元件，主要功能是对输入的ESD电信号进行逻辑运算并输出运算结果，指挥执行元件动作。川渝地区输气站场逻辑控制器分为继电器逻辑控制器和PLC逻辑控制器两类。

2.1.3执行元件

川渝地区输气站场采用带ESD功能的阀门(指阀门的执行机构具备ESD功能)作为执行元件，包括干线气液联动球阀和电动/气动放空球阀，用于最终实现ESD系统安全保护动作。

2.1.4配套附件

ESD系统附件包括ESD系统电源、输入/输出接口、浪涌保护器、卡套等。作为ESD系统的配套部分，附件的作用包括保证ESD系统供电安全、保持ESD系统功能安全，合理的附件配置对确保ESD系统发挥安全功能具有重要的作用。

2.2ESD系统逻辑控制

为了说明输气站场ESD系统逻辑控制过程，图2给出了A输气站场ESD系统控制逻辑图。该输气站场采用ESD触发按钮作为ESD系统检测元件，在值班室和工艺区共设置有4个按钮。其中HS_1001、HS_1002和HS_1003为紧急放空按钮，HS_1004为紧急停车按钮；控制元件采用PLC逻辑控制器，执行元件包括干线气液联动球阀和气动放空球阀。以输气站场ESD紧急放空按钮(HS_1001)发出ESD指令为例，当站场员工按下ESD紧急放空按钮，HS_1001控制电路接通；控制元件接到电信号并进行逻辑运算后，一方面对声光报警器下达启动指令，启动声光报警器YA_1001和YA_1002，实现声光报警。另一方面对干线气液联动球阀下达关阀指令，指挥ESDV_1101、ESDV_1201和ESDV_1301关闭，实现干线进、出站气源切断；与此同时，控制元件监控球阀运动情况，当接收到关阀到位反馈信号后，控制元件对气动放空球阀下达开阀指令，指挥ESDV_2501开启，实现站内天然气放空。

2001-2012年海南省国际旅游外汇收入除2003年和2009年下降外，总体呈波动上升趋势。期间，2003年受亚洲“非典”公共危机事件影响，2008-2009年受全球金融危机影响出现下滑。其国际旅游外汇收入从2001年的1.06亿美元上升到2012年的3.48亿美元。12年间的平均国际旅游外汇收入为2.21亿美元，约占全国的0.65%，排名在二十一位名上下波动。2001-2012年海南省国际旅游外汇收入一直低于全国平均值，差距越来越大。

2.3ESD系统存在的问题

图3所示为A输气站场ESD系统中气液联动干线球阀执行机构原理控制图。从图3中可以看出，气液联动干线球阀执行机构共有3个电磁阀，分别是远程开电磁阀PO、远程关电磁阀PC和破管检测系统电磁阀670。3个电磁阀控制阀门动作原理相同。以远程关电磁阀控制阀门动作为例，正常情况下，电磁阀PC处于失电状态，电磁阀PC、两位三通阀DC进气口与排气口连通。当远程关阀信号发出后，电磁阀PC得电，电磁阀PC进气口与出气口导通，先导气推动梭阀F运动，导通两位三通阀DC的进气口和出气口，先导气经两位三通阀DC到达关阀气液罐，在气压的作用下推动拨叉运动，实现阀门关闭。

由此可见，川渝地区输气站场ESD系统执行元件气液联动干线球阀执行机构存在三方面的问题：①气液联动球阀执行机构无独立的ESD系统电磁阀，不仅导致ESD系统易受其他关联故障或误操作的影响而触发，也不符合ESD系统独立设置原则；②气液联动球阀执行机构逻辑关系为得电动作，若简单将ESD系统电信号线接入远程关电磁阀，将不利于事故发生时保护生产过程转入预定的安全状态，同时也不符合ESD系统故障安全型原则；③若将ESD电信号线系统接入远程关电磁阀，由于远程关电磁阀前面无两位三通手动控制阀，易导致站场日常维护时ESD系统误动作。

3ESD系统优化方案

为确保输气站场ESD系统满足独立设置原则和故障安全型原则，同时避免维护操作期间ESD系统误动作。针对气液联动干线球阀执行机构存在的三方面问题，提出了以下两种优化方案。

3.1优化方案一

如图4红色线框所示，优化方案一包括3部分：①增加独立的ESD系统电磁阀669和两位三通手动气控阀700，使干线球阀不仅具备ESD功能，能接收远程控制ESD信号，也确保站场日常维护期间，实现ESD系统屏蔽，防止ESD系统误动作；②电控箱增加ESD系统电路绝缘装置；③接线盒增加ESD系统电信号线。

按方案一优化后，气液联动球阀执行机构原有远程开、关和破管检测功能全部保留，同时新增了ESD功能，新增的ESD系统能实现触发和屏蔽操作。

(1) ESD系统触发：正常情况下，ESD系统电磁阀669处于得电状态，电磁阀669进气口与排气口连通，两位三通手动气控阀700处于进气口与出气口连通状态。当事故发生时，电磁阀669失电使得其进气口与出气口导通，先导气经两位三通手动气控阀700、电磁阀669、梭阀A和两位三通阀E后，推动梭阀F运动，导通两位三通阀DC的进气口和出气口，先导气再经两位三通阀DC到达关阀气液罐，在气压的作用下推动拨叉运动，实现阀门关闭。

(2) ESD屏蔽：正常情况下，两位三通手动气控阀700进气口和出气口连通。当站场日常维护需要屏蔽ESD系统时，手动断开两位三通手动气控阀700进气口和出气口，使进气口和排气口连通，先导气将无法流过两位三通手动气控阀700，从而避免了ESD系统误动作。

3.2优化方案二

如图5红色线框所示，优化方案二包括两部分：①对调破管检测电磁阀670的出气口和排气口，将破管检测电磁阀670作为独立的ESD系统电磁阀，使干线球阀具备ESD功能，能接收远程控制ESD信号；②增加两位三通手动气控阀700，确保站场日常维护期间，实现ESD系统屏蔽，防止ESD系统误动作。

按方案二优化后，气液联动球阀执行机构保留了原有远程开、关功能，去掉了原破管检测功能，增加了ESD功能，增加的ESD系统能实现触发和屏蔽操作。

(1) ESD系统触发：正常情况下，ESD系统电磁阀670处于得电状态，电磁阀670进气口与排气口连通，两位三通手动气控阀700处于进气口与出气口连通状态。当事故发生时，电磁阀670失电使得其进气口与出气口导通，先导气经两位三通手动气控阀700、电磁阀670、梭阀A和两位三通阀E后，推动梭阀F运动，导通两位三通阀DC的进气口和出气口，先导气再经两位三通阀DC到达关阀气液罐，在气压的作用下推动拨叉运动，实现阀门关闭。

(2) ESD屏蔽：正常情况下，两位三通手动气控阀700进气口和出气口连通。当站场日常维护需要屏蔽ESD系统时，手动断开两位三通手动气控阀700进气口和出气口，使进气口和排气口连通，先导气将无法流过两位三通手动气控阀700，从而避免了ESD系统误动作。

4ESD系统优化后应用情况

为了控制ESD系统改造成本，A输气站场采用方案二对ESD系统进行了优化。优化后，A站ESD系统设计满足了独立设置原则和故障安全型原则。对ESD系统现场测试的结果显示，测试过程中ESD系统能够按照既定逻辑完成紧急停车和紧急停车、放空动作，能够发挥要求的安全功能，测试合格。目前，A站ESD系统投用近一年，投用期间，ESD系统工作正常，运行情况良好，未发生过因系统自身故障而误动作的情况。

5结 论

(1) 通过对川渝地区输气站场ESD系统气液联动干线球阀执行机构原理控制图进行分析，明确了气液联动球阀执行机构存在三方面的问题：①气液联动干线球阀执行机构无独立的ESD系统电磁阀；②气液联动干线球阀执行机构逻辑关系为得电动作；③ESD 系统不具备屏蔽功能，易导致站场日常维护时ESD系统误动作。

(2) 以输气站场ESD系统设计标准为依据，针对气液联动球阀执行机构存在的问题，提出了两种优化方案：①保留气液联动球阀执行机构原有全部功能，增设独立的ESD系统电磁阀，同时增加ESD系统屏蔽功能；②取消气液联动球阀执行机构原有破管检测功能，将破管检测控制电磁阀出气口和排气口调换，更改为独立的ESD系统电磁阀，同时增加ESD系统屏蔽功能。

(3) 优化后，ESD系统满足独立设置原则和故障安全型原则。现场应用结果显示，①ESD系统工作正常，能够发挥要求的安全功能；②ESD系统误动作率大大降低，起到了对输气站场的安全保护作用。

参 考 文 献

[1] 高进, 蒲浩, 刘富权, 等. ESD在天然气净化厂的安全等级探析[J]. 石油与天然气化工, 2012, 41(2): 239-242.

[2] 吴庆伦, 李捷. 高酸性气田井口安全控制系统设计分析[J]. 石油与天然气化工, 2010, 39(5): 457-458.

[3] 乔蓓. 作业条件危险性评价法在天然气净化厂辅助生产设施安全评价中的应用[J]. 石油与天然气化工, 2007, 36(5): 432-434.

[4] 中国石油化工集团公司自动控制设计技术中心站. SHB-Z06-1999 石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则[S]. 北京: 中国石油化工集团公司自动控制设计技术中心站, 1999.

[5] IEC 61508 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems [S].

[6] IEC 61511 Functional safety-Safety instrumented systems for the process industry sector [S].

[7] 中国机械工业联合会. GB/T 20438-2006 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全[S]. 北京: 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2006.

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[9] ANSI/ISA-S84.01-1996 各产业中安全仪表系统的应用[S]. 1996.

[10] 海洋石油工程专业标准化技术委员会. SY/T 10045-2003 工业生产过程中安全仪表系统的应用[S]. 北京: 国家经济贸易委员会, 2003.

[11] 中国石化工程建设公司. SH 3018-2003 石油化工安全仪表系统设计规范[S]. 北京: 中华人民共和国国家发展和改革委员会, 2003.

Optimization of ESD system actuate element in Sichuan-Chongqing gas transmission station

Xu Jingyuan1， Luo Min1， Mao Yanheng1， Chen Yingjie2， Liao Xin3， Bie Qin1

(1.GasManagementOffice,PetroChinaSouthwestOil&Gasfield,Chengdu610213,China)

(2.ExplorationBusinessDivision,PetroChinaSouthwestOil&Gasfield,Chengdu610041,China)

(3.PlanningSection,PetroChinaSouthwestOil&Gasfield,Chengdu610051,China)

Abstract:Pneumatic hydraulic ball valve, as an actuate element, is one of the main parts of ESD system in Sichuan-Chongqing gas transmission station. Reasonable set of pneumatic hydraulic ball valve as actuator not only plays an important role for cutting off gas supply, but also has an important influence on ensuring the safety function of ESD system. For these purpose, the existing problems of pneumatic hydraulic ball valve actuator in Sichuan-Chongqing gas transmission station were analyzed. And two optimization plans were put forward. The results show that ESD system can meet the principle of independent setting and security after optimization improvement. Field applications show that: ESD system can work properly and play the required safety function; and the misoperation rate of ESD system reduces greatly and protect the safety of the gas station.

Key words:gas transmission station, ESD system, actuate element, pneumatic hydraulic ball valve, logic control, optimization

收稿日期：2014-06-13；修回日期：2014-10-13；编辑：钟国利

中图分类号：TE642

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.027

作者简介：徐婧源(1987-)，女，工程师，2012年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，工学硕士学历(工学硕士)，现任职于西南油气田公司输气管理处，主要从事天然气工艺技术研究工作。E-mail：xujingyuan@petrochina.com.cn