陳國(guó)元（1970-）

　　男，遼寧省盤(pán)錦人，畢業(yè)于大慶石油大學(xué)機(jī)械制造自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工程師，長(zhǎng)期從事石油化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。

　　摘要：ESD系統(tǒng)是長(zhǎng)輸管道自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，本文對(duì)大慶－錦西原油管道工程ESD系統(tǒng)、水擊超前保護(hù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

　　關(guān)鍵詞：ESD；PLC；SCADA；RTU；SIL；水擊超前保護(hù)

　　Abstract: The ESD system is very an important part for long distance Pipeline. The article expatiates the ESD system and the protection system for water hammer in long distance Pipeline.

　　Key words: ESD; PLC; SCADA; RTU; SIL; The Protection System for Water Hammer

　　1 概述

　　目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道的緊急停車(chē)（ESD）系統(tǒng)大都依托長(zhǎng)輸管線各站場(chǎng)的站控系統(tǒng)，各站場(chǎng)的緊急關(guān)斷設(shè)備信號(hào)與站場(chǎng)過(guò)程控制檢測(cè)設(shè)備信號(hào)共同接入站控系統(tǒng)，在站控系統(tǒng)的設(shè)置上一般考慮了站控系統(tǒng)PLC的CPU、電源、通訊及部分關(guān)鍵設(shè)備I/0模塊的冗余設(shè)置。各站控系統(tǒng)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)把信號(hào)傳入調(diào)控中心，構(gòu)成整個(gè)管道的SCADA系統(tǒng)。由于各站場(chǎng)沒(méi)有獨(dú)立的ESD系統(tǒng)，事故發(fā)生時(shí)，緊急停車(chē)完全依賴(lài)于站控系統(tǒng)和手動(dòng)執(zhí)行，因此降低了ESD的可用度。根據(jù)對(duì)大慶－錦西輸油管道聯(lián)鎖系統(tǒng)安全完整性水平（Safety Integrity Level, SIL）的評(píng)估，得出的結(jié)論認(rèn)為大慶－錦西輸油管道的各站場(chǎng)及線路應(yīng)屬于可能偶爾發(fā)生事故。如事故發(fā)生，對(duì)裝置和產(chǎn)品有較大的影響，并有可能造成環(huán)境污染和人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失較大。根據(jù)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T-3018-2003的規(guī)定，安全度等級(jí)確定為2級(jí)。根據(jù)規(guī)范要求，安全度2級(jí)應(yīng)設(shè)立設(shè)置ESD系統(tǒng)，而且ESD系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算器應(yīng)與過(guò)程控制系統(tǒng)分開(kāi)，系統(tǒng)的檢測(cè)控制設(shè)備宜與過(guò)長(zhǎng)控制系統(tǒng)分開(kāi)。并結(jié)合目前北京油氣調(diào)控中心的管理模式，在大慶－錦西輸油管道工程自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上確立了一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)模式。各站控系統(tǒng)改為由過(guò)程監(jiān)控、ESD和火&氣三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。過(guò)程監(jiān)控、ESD和火&氣系統(tǒng)采用獨(dú)立的專(zhuān)用PLC，分別用于采集和處理工藝控制信號(hào)，安全保護(hù)儀表信號(hào)和火災(zāi)&可燃?xì)怏w信號(hào)。過(guò)程監(jiān)控單元采用可靠性高，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的可編程序邏輯控制器(PLC)。ESD和火&氣控制單元采用專(zhuān)用PLC控制器，按SIL2 級(jí)設(shè)置。ESD子系統(tǒng)以只讀方式把信號(hào)傳輸給站控系統(tǒng)，站控系統(tǒng)可對(duì)ESD所有信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視，而當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，ESD系統(tǒng)獨(dú)立進(jìn)行控制，這樣就大大提高了系統(tǒng)的可操作性及可用度。

　　由于長(zhǎng)輸管道的工藝特性，各站場(chǎng)的緊急停車(chē)會(huì)給全線的生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的危害，甚至?xí)l(fā)生水擊；同樣，水擊的發(fā)生也需要各站場(chǎng)采取相應(yīng)的措施來(lái)避免危害的發(fā)生和擴(kuò)散。因此，結(jié)合這些特點(diǎn)，在沈陽(yáng)調(diào)控中心單獨(dú)設(shè)置一套專(zhuān)用PLC，通過(guò)單獨(dú)的通訊信道與各站場(chǎng)ESD系統(tǒng)連接，構(gòu)成全線緊急停車(chē)(ESD)及水擊超前保護(hù)系統(tǒng)。

　　2 大慶－錦西原油管道自控系統(tǒng)的組成

　　大慶-錦西原油管道工程包括1條干線管道和1條支線管道。其中干線起自大慶林源經(jīng)鐵嶺止于錦西，線路沿途共經(jīng)過(guò)3省8市，自北向南依次為大慶市、松原市、長(zhǎng)春市、四平市、鐵嶺市、沈陽(yáng)市、錦州市、葫蘆島市。大慶-鐵嶺段設(shè)計(jì)輸量為3000x104t/a，管徑Φ914mm，管道基本沿慶-鐵線并行；鐵嶺-錦西段設(shè)計(jì)輸量為1000x104t/a，管徑Φ610mm，管道基本沿鐵-秦線并行敷設(shè)至葫蘆島末站。干線管道全長(zhǎng)866km、設(shè)計(jì)壓力8.0MPa，共設(shè)7座站場(chǎng)(林源首站、新廟清管站、農(nóng)安泵站、梨樹(shù)清管站、鐵嶺分輸站、黑山泵站、錦西末站),11座遠(yuǎn)控閥室和8座陰極保護(hù)站(除6#、7#陰極保護(hù)站外其它站與站場(chǎng)合建)。支線管道起自干線管道的范家屯分輸站，止于雙陽(yáng)末站。支線設(shè)計(jì)輸量為200x104t/a，線路全長(zhǎng)66km，設(shè)計(jì)壓力6.3MPa，管徑Φ323.9mm，共設(shè)站場(chǎng)2座。

　　管道全線的日常運(yùn)行管理、維護(hù)和搶修由大慶、長(zhǎng)春、沈陽(yáng)和錦州輸油公司負(fù)責(zé)。

　　根據(jù)大慶-錦西原油管道的工藝特點(diǎn)，分別在林源首站、農(nóng)安泵站、范家屯分輸站、鐵嶺站、黑山泵站、錦西末站、雙陽(yáng)熱泵站采用工藝站場(chǎng)控制系統(tǒng)，在各遠(yuǎn)控閥室設(shè)置遠(yuǎn)程終端裝置（RTU）。全線的數(shù)據(jù)將通過(guò)光纜和公網(wǎng)備用信道傳至北京油氣調(diào)控中心和廊坊備用調(diào)控中心，從而構(gòu)成整個(gè)管道的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition System)。各站控系統(tǒng)由過(guò)程監(jiān)控、ESD和火&氣三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。ESD系統(tǒng)和火&氣系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，與過(guò)程控制系統(tǒng)分開(kāi)。各遠(yuǎn)控閥室RTU信號(hào)根據(jù)其管理區(qū)域劃分，傳入就近站場(chǎng)站控系統(tǒng)的ESD子系統(tǒng)中。

表1   各工藝站場(chǎng)設(shè)SCADA系統(tǒng)的站控系統(tǒng)（SCS）

表2   各遠(yuǎn)控閥室設(shè)RTU

　　大慶－錦西原油管道SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3 站控ESD子系統(tǒng)

　　3.1 各站控ESD子系統(tǒng)的設(shè)置原則

　　(1) ESD系統(tǒng)獨(dú)立于過(guò)程控制系統(tǒng)，獨(dú)立完成安全保護(hù)功能。

　　(2) 當(dāng)過(guò)程達(dá)到預(yù)定條件時(shí)，ESD系統(tǒng)動(dòng)作，使被控制過(guò)程轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。

　　(3) 本工程ESD系統(tǒng)的安全度等級(jí)按SIL2級(jí)設(shè)計(jì)。

　　(4) ESD系統(tǒng)具有硬件和軟件診斷和測(cè)試功能。

　　(5) ESD系統(tǒng)的檢測(cè)單元、最終執(zhí)行單元獨(dú)立設(shè)置。

　　(6) ESD系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立于邏輯運(yùn)算器的手動(dòng)設(shè)施，直接操作最終執(zhí)行單元。

　　3.2 各站控ESD子系統(tǒng)的配置

　　ESD系統(tǒng)應(yīng)具有相應(yīng)的安全等級(jí)認(rèn)證(建議優(yōu)先采用TUV認(rèn)證)。ESD系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算器由可編程序控制器(PLC)構(gòu)成，其中央處理單元、電源、通訊系統(tǒng)冗余配置。

　　硬件：主要由處理器CPU、I/O系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、電源、安裝附件等構(gòu)成。

　　軟件：程序編程軟件、用戶(hù)應(yīng)用軟件等。

　　3.3 ESD系統(tǒng)的邏輯說(shuō)明

　　ESD系統(tǒng)的保護(hù)等級(jí)分為全線ESD保護(hù)、單元(站場(chǎng)或遠(yuǎn)控截?cái)嚅y室)ESD保護(hù)和設(shè)備(輸油泵等)ESD保護(hù)。

　　ESD系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作分為手動(dòng)觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)兩種模式。無(wú)論ESD命令從何處下達(dá)及站控系統(tǒng)處于何種操作模式，ESD控制命令具有最高優(yōu)先級(jí)，可直接到達(dá)被控設(shè)備，并按邏輯要求進(jìn)行動(dòng)作。所有設(shè)備執(zhí)行ESD動(dòng)作后，將閉鎖，只能在現(xiàn)場(chǎng)人工復(fù)位后才能再次啟動(dòng)。為了保證設(shè)備檢修等代來(lái)的影響不干擾ESD系統(tǒng)，各ESD系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作具有維護(hù)屏蔽功能。經(jīng)過(guò)不同級(jí)別的授權(quán)后，SCADA系統(tǒng)將傳輸維護(hù)屏蔽信號(hào)(MOS)至站場(chǎng)緊急停車(chē)系統(tǒng)，屏蔽相應(yīng)的設(shè)備。只有站場(chǎng)緊急停車(chē)系統(tǒng)的維護(hù)屏蔽使能開(kāi)關(guān)(MOES)處于觸發(fā)狀態(tài)時(shí)，SCADA系統(tǒng)的MOS才起作用。

　　全線ESD保護(hù)觸發(fā)條件：

　　(1) 全線ESD按鈕動(dòng)作(如發(fā)生火災(zāi)或管道破裂后大量原油泄漏)。

　　(2) 全線ESD系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)(如單元ESD保護(hù)動(dòng)作或遠(yuǎn)控截?cái)嚅y事故關(guān)斷等)。

　　單元ESD保護(hù)觸發(fā)條件：

　　(1) 從全線緊急停車(chē)(ESD)及水擊超前保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出的ESD命令。

　　(2) 單元ESD按鈕動(dòng)作(如：站場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)等)。

　　(3) 單元ESD系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)(如：出站閥事故關(guān)斷等)。

　　設(shè)備ESD保護(hù)觸發(fā)條件：

　　(1) 從全線緊急停車(chē)(ESD)及水擊超前保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出的ESD命令。

　　(2) 單元ESD發(fā)出的ESD命令。

　　(3) 設(shè)備ESD按鈕動(dòng)作。

　　(4) 設(shè)備ESD自動(dòng)觸發(fā)(如輸油泵的溫度、振動(dòng)、軸封泄漏等參數(shù)超限、進(jìn)出站壓力超限等)。

　　4 全線緊急停車(chē)(ESD)及水擊超前保護(hù)系統(tǒng)

　　4.1 全線緊急停車(chē)（ESD）

　　由于整個(gè)管線是一個(gè)有機(jī)的整體，任何一個(gè)控制單元(站場(chǎng)或遠(yuǎn)程截?cái)嚅y室)的緊急停車(chē)會(huì)立刻影響到上下游，發(fā)生水擊，整個(gè)管線的控制單元必須協(xié)調(diào)一致，避免危險(xiǎn)擴(kuò)散，造成巨大的損失。基于這方面的特點(diǎn)，并結(jié)合整個(gè)管道的管理權(quán)限劃分，通過(guò)在沈陽(yáng)調(diào)控中心單獨(dú)設(shè)置一套上位ESD管理系統(tǒng)，通過(guò)單獨(dú)的通訊信道與各站場(chǎng)ESD系統(tǒng)和遠(yuǎn)程截?cái)嚅yRTU連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)全線緊急停車(chē)(ESD)。

　　4.2 水擊超前保護(hù)

　　大慶-錦西原油管道落差較大,采用密閉輸送流程，泵站站距遠(yuǎn)，工況復(fù)雜。根據(jù)工藝專(zhuān)業(yè)對(duì)站場(chǎng)進(jìn)出口、RTU閥誤關(guān)斷，各站場(chǎng)泵機(jī)組非正常停泵，各站場(chǎng)計(jì)劃外停電、各站場(chǎng)著火4 種意外情況的研究結(jié)論，編制出相應(yīng)的措施，通過(guò)沈陽(yáng)調(diào)控中心設(shè)置的上位ESD管理系統(tǒng)，通過(guò)單獨(dú)的通訊信道與各站場(chǎng)ESD系統(tǒng)連接，來(lái)執(zhí)行管線的水擊超前保護(hù)程序，避免水擊的發(fā)生，減少管道全線停輸?shù)目赡苄约氨ＷC全線管道不會(huì)出現(xiàn)超壓破裂的事故。

圖2   全線緊急停車(chē)及水擊超前保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)以上敘述，介紹了大慶－錦西原油管道工程ESD系統(tǒng)的構(gòu)成，通過(guò)各站場(chǎng)ESD子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)及上位ESD管理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成全線ESD及水擊超前保護(hù)系統(tǒng)，保證了ESD系統(tǒng)的可靠性和整個(gè)輸油管道SCADA系統(tǒng)的完整性。

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