王建國（1970－）

男，河南衛(wèi)輝人，工程師，現(xiàn)任中海廣東天然氣有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部副經(jīng)理，從事天然氣管道運行管理和技術(shù)管理工作。





1 引言

    天然氣的特性之一是易燃易爆。隨著天然氣應(yīng)用的突飛猛進(jìn)，天然氣輸氣管道遍布城鄉(xiāng)，在給廣大人民群眾帶來方便、清潔能源的同時，安全隱患也一并帶來，ESD系統(tǒng)在天然氣管道的應(yīng)用就顯得十分重要了。

2 ESD（緊急停車系統(tǒng)）系統(tǒng)

2.1 定義

    ESD是英文Emergency Shutdown Device緊急停車系統(tǒng)的縮寫。這是一種經(jīng)過專門機構(gòu)認(rèn)證，具有一定安全等級，用于降低生產(chǎn)過程風(fēng)險的安全保護系統(tǒng)。ESD系統(tǒng)不僅能夠響應(yīng)生產(chǎn)過程因超過安全極限帶來的風(fēng)險，而且能夠監(jiān)測和處理自身的故障，從而按照預(yù)定的條件和程序，使生產(chǎn)過程處于安全狀態(tài)，確保人員、設(shè)備和周邊環(huán)境的安全。從20世紀(jì)90年代發(fā)展以來，以它的高可靠性和靈活性而受到一致好評。

    ESD緊急停車系統(tǒng)按照安全獨立原則要求，獨立于SCADA系統(tǒng)，其安全級別高于SCADA系統(tǒng)。在正常情況下，ESD系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)。作為安全保護系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過程控制之上，實時在線監(jiān)測裝置的安全性。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，直接由ESD發(fā)出保護聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。

2.2 ESD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

    隨著控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)集成度不斷提高，ESD系統(tǒng)的設(shè)備組成也經(jīng)歷了一個有低到高，由簡單到復(fù)雜的演變過程。但基本結(jié)構(gòu)不變，依然是由檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元組成[2]，如圖1所示。

     

                                  圖1   ESD系統(tǒng)組成圖

2.2.1 檢測單元

    采用多臺儀表和系統(tǒng)，將控制功能和安全連鎖功能隔離，使ESD系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)物理隔離。

2.2.2 控制單元

    包括輸入模塊、邏輯運算模塊和輸出模塊三部分，根據(jù)輸入模塊輸入的信息自動進(jìn)行周期性故障診斷。基于自診斷測試的ESD儀表系統(tǒng)，一般具有特殊的硬件配置，用過安全性診斷測試技術(shù)來保證其安全性。

2.2.3 執(zhí)行單元

    屬于ESD系統(tǒng)中危險性最高的設(shè)備，一般為閥門或機構(gòu)。由于ESD系統(tǒng)工作正常時執(zhí)行單元為靜態(tài)。只要ESD系統(tǒng)中輸出不變，則執(zhí)行單元將一直保持在原有狀態(tài)不變。因此，執(zhí)行單元的可靠性則對ESD系統(tǒng)的可靠性帶來極大的影響。

2.3 ESD系統(tǒng)的設(shè)計原則

2.3.1 ESD 系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則

   (1) 一般要獨立于過程控制，單獨設(shè)置；
   (2) 減少中間環(huán)節(jié)，較少響應(yīng)時間；
   (3) 采用故障安全型；
   (4) 采用冗余容錯結(jié)構(gòu)。

2.3.2 ESD系統(tǒng)的故障安全原則

    故障安全原則是指當(dāng)內(nèi)部或外部原因使ESD系統(tǒng)緊急停車失效時，被保護的對象應(yīng)按預(yù)定的順序安全停車，自動轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。

2.3.3 ESD系統(tǒng)的冗余容錯

    冗余是指為實現(xiàn)同一功能，使多個相同功能的模塊或部件相并聯(lián)，可以自動監(jiān)測設(shè)備故障，自動切換到后備設(shè)備上。
容錯是指功能模塊在出現(xiàn)錯誤和故障時，可以繼續(xù)執(zhí)行特定功能的能力。通俗講是指對失效的控制系統(tǒng)元件進(jìn)行識別和補償，并更夠在繼續(xù)完成指定的任務(wù)、不中斷過程控制的情況下進(jìn)行修復(fù)的能力。容錯一般通過冗余和故障屏蔽來實現(xiàn)。
容錯系統(tǒng)一定是冗余系統(tǒng)，而冗余系統(tǒng)則不一定是容錯系統(tǒng)。

2.3.4 ESD系統(tǒng)的安全完整性(Safety integrity)

    安全完整性是指在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)，安全系統(tǒng)成功實現(xiàn)所要求的安全功能的概率。這一定義著重于安全系統(tǒng)執(zhí)行安全功能的可靠性。在確定安全完整性過程中，應(yīng)包括所有導(dǎo)致非安全狀態(tài)的因素，如隨機的硬件失效，軟件導(dǎo)致的失效以及由電氣干擾引起的失效，這些失效的類型，尤其是硬件失效可用測量方法來定量，如在危險模式中的失效和系統(tǒng)失效率，或按規(guī)定操作的安全防護系統(tǒng)失效的概率。

    安全完整性等級（SIL 1、2、3和4）提供了系統(tǒng)性能的衡量方式：等級越高，安全性能越好，也就是說所要求的出現(xiàn)錯誤的可能性就越小。 
   
    一般情況下，許多最終用戶指定使用達(dá)到SIL3等級的冗余邏輯解算器。目前，有多家廠商的安全可編程邏輯控制器經(jīng)認(rèn)證達(dá)到SIL3等級。然而，僅用這些安全可編程邏輯控制器是無法建立一個SIL3系統(tǒng)的。

    表1為關(guān)于現(xiàn)場設(shè)備硬件故障容差需要的安全完整性水平統(tǒng)計表中，從中可以看出：將實現(xiàn)冗余的邏輯解算器與非冗余的現(xiàn)場設(shè)備一起使用，其結(jié)果可能只達(dá)到了SIL1系統(tǒng)，因為一根鏈條的強度取決于它最薄弱環(huán)節(jié)的強度。

                表1   現(xiàn)場設(shè)備硬件故障容差需要的安全完整性水平統(tǒng)計表

     

    一個真正的SIL3系統(tǒng)通常要求有三重變送器、三重（三選二）或1002D（帶自診斷的二選一）的邏輯解算器和系列的三聯(lián)閥門或是系列的復(fù)式雙聯(lián)閥門，增加了SIL-3系統(tǒng)的投資。另外，要考慮到如保險、供應(yīng)、維護等操作因素，系統(tǒng)全壽命成本會更高。相比較而言，典型的SIL-2系統(tǒng)用不太復(fù)雜的邏輯解算器和根據(jù)應(yīng)用類型選擇的單獨或雙重變送器和閥門，比較適合要求不太嚴(yán)格、生產(chǎn)流程比較簡單的生產(chǎn)環(huán)境。

3 ESD系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 珠海—中山天然氣管道簡介

    珠海—中山天然氣管道始建于2005年1月，2006年2月12日投產(chǎn)。它的氣源是珠江口的番禺、惠州海上氣田。整個管道工程包括一條干線和兩條支線，將天然氣輸送到珠海、中山兩市，向電廠和兩個城市用戶提供天然氣，設(shè)計輸氣量19×108標(biāo)方/a。 全線共有站場5座，閥室5座，調(diào)度中心1座，位于南屏分輸站內(nèi)。管網(wǎng)系統(tǒng)圖見圖2。

     

                                    圖2   管網(wǎng)系統(tǒng)圖

3.2 珠海—中山天然氣管道ESD系統(tǒng)

    通過招標(biāo)，選定橫河公司的Prosafe PLC作為緊急停車系統(tǒng)。橫河公司Prosafe PLC主要特點如下：

    ●  故障安全特性和保護輸出，支持安全保護功能，防止非法操作；

    ●  卡籠冗余既保證系統(tǒng)的高可用性，又避免了公共部分故障對系統(tǒng)的傷害；

    ●  Prosafe-PLC 系統(tǒng)有兩種通訊總線，即MODULBUS 和 IOBUS。MODULBUS用于控制卡件之間的通訊，IOBUS 用于 I/O 卡與 CPU卡以及I/O卡之間的通訊。CPU卡和所有I/O卡件的高深度自檢，并都支持帶電插拔，在線更換卡件；

    ●  所有卡件都帶卡件識別器，防止卡件插錯位置；

    另外，橫河工業(yè)安全系統(tǒng)Prosafe PLC 獲得的國際機構(gòu)認(rèn)證如下：

    ●  DIN V 19250 class AK 4-6 TV 認(rèn)證；

    ●  IEC61508 SIL 3級認(rèn)證；

    ●  FM 、CSA和ABS關(guān)于Class 1 Div 2 危險區(qū)的認(rèn)證；

    ●  CE 關(guān)于EMC 電磁干擾的認(rèn)證；  

3.2.1 站場ESD的應(yīng)用

    現(xiàn)以洪灣分輸站PID為例介紹一下輸氣站場的ESD應(yīng)用。

    洪灣分輸站流程簡圖見圖3，洪灣分輸站站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成見圖4。
　　
　  　　
　　
                               圖3   洪灣分輸站流程簡圖

     

                          圖4   洪灣分輸站站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成


    洪灣分輸站從珠海—中山天然氣管道干線接氣，設(shè)置進(jìn)站電動球閥（閥1）。天然氣首先經(jīng)過過濾、計量，再經(jīng)過調(diào)壓后外輸?shù)较掠斡脩簦ㄖ楹３鞘腥細(xì)猓稣驹O(shè)置出站電動球閥（閥7），全站為一級調(diào)壓。

    站場生產(chǎn)的主要事故隱患為調(diào)壓橇失效，導(dǎo)致出站壓力升高，對站內(nèi)設(shè)備和下游用戶造成設(shè)備損壞和人身傷害。

    調(diào)壓裝置采用橇裝結(jié)構(gòu)，兩路配置，一用一備。每路（以A路為例）調(diào)壓橇有電動球閥（閥A2）、緊急切斷閥（閥A3）、監(jiān)控調(diào)壓閥（閥A4）、工作調(diào)壓閥（閥A5）、手動球閥（閥A6）、3臺壓力變送器（PT A1～A3）及其它附件組成。  
    在調(diào)壓橇失效時，調(diào)壓橇后壓力升高，一旦壓力高于設(shè)定壓力，3臺壓力變送器將報警，ESD系統(tǒng)將根據(jù)“三取二”的原則進(jìn)行判定，報警有效時，將通過ESD系統(tǒng)關(guān)斷進(jìn)站電動球閥（閥1）、調(diào)壓橇電動球閥（閥A2、閥B2）和出站電動球閥（閥7），以保證站場和下游用戶的安全。

    另外，在站場發(fā)生天然氣泄漏和火災(zāi)時，可燃?xì)怏w檢測儀和火焰報警器將報警通知站場值班人員，值班人員確認(rèn)后，通過ESD手動柜關(guān)斷進(jìn)站電動球閥（閥1）、調(diào)壓橇電動球閥（閥A2、閥B2）和出站電動球閥（閥7），以保證站場和周邊環(huán)境的安全。

    另外，為保證安全，ESD系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)（關(guān)斷閥門）只能夠遠(yuǎn)程關(guān)斷而不能夠遠(yuǎn)程開啟。

3.2.2  調(diào)度中心ESD系統(tǒng)

    調(diào)度中心設(shè)置ESD手動柜，調(diào)度員在發(fā)生事故或需要時，啟動ESD手動柜上的關(guān)斷按鈕，通過SCADA系統(tǒng)服務(wù)器及相應(yīng)站場的緊急關(guān)斷（ESD）PLC，對相應(yīng)站場的相關(guān)閥門發(fā)出關(guān)斷指令，關(guān)斷閥門[3]。

4 結(jié)語
 
    天然氣輸氣管道運行的事故隱患主要是壓力超高、天然氣泄漏及火災(zāi)造成的二次事故。相對而言，造成生產(chǎn)運行停車的因素較少，處理方式都是關(guān)斷ESD閥門，進(jìn)行站場隔離和放空。因此，ESD系統(tǒng)的控制內(nèi)容就是確保壓力超高時的緊急停車，保護站場和下游用戶的人身和財產(chǎn)安全。ESD系統(tǒng)的檢測單元為“三選二”，達(dá)到了SIL3級的檢測水平，執(zhí)行機構(gòu)則為順序單件設(shè)置，起到了很好的保護作用。另外，ESD系統(tǒng)的PLC獨立于過程控制，與HM界面合二為一的設(shè)置，既保證了ESD系統(tǒng)的獨立性，又降低了設(shè)備投資。在實施時采用ESD手動柜，可以確保外部環(huán)境對管道運行帶來危害（天然氣泄漏和火災(zāi)）時，操作人員可以手動操作，確保安全。兩年多的應(yīng)用情況表明：系統(tǒng)工作正常，起到了安全保護的作用，投資省、操作靈活，具有推廣價值。

參考文獻(xiàn):

[1] 王霆,范玉佩,江秋林.可編程控制器與緊急停車系統(tǒng)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.　

[2] 張德泉．集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社．2007.

[3] 于慶廣等．可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：清華大學(xué)出版社．2004.