長輸管道壓氣站安全儀表系統(tǒng)

朱喜平 張來斌 梁 偉

中國石油大學（北京）機械與儲運學院

長輸管道壓氣站安全儀表系統(tǒng)

朱喜平 張來斌 梁 偉

中國石油大學（北京）機械與儲運學院

按照IEC61511中的定義，安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）是由傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行器組成，能夠行使一項或多項安全儀表功能的儀表系統(tǒng)。壓氣站SIS的安全功能主要包括進/出站系統(tǒng)緊急切斷和放空，增壓系統(tǒng)的保護、切斷和放空，以及探測系統(tǒng)等幾部分。壓氣站的ESD控制功能分為四級，包括手動緊急關閉和自動緊急關閉。壓氣站是天然氣輸氣管道的主要組成部分，容易出現(xiàn)壓力超高、天然氣泄漏及火災和爆炸等事故。SIS系統(tǒng)的應用將在短時間內(nèi)將事故區(qū)域進行隔離和放空，有效控制和降低事故造成的影響和損失，目前在壓氣站得到廣泛的應用并取得良好的效果。

壓氣站；安全儀表系統(tǒng)；功能；緊急關斷

1 安全儀表系統(tǒng)

按照IEC61511中的定義，安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）是由傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行器組成，能夠行使一項或多項安全儀表功能的儀表系統(tǒng)。安全儀表系統(tǒng)主要用來監(jiān)視控制系統(tǒng)的狀態(tài)，判斷危險條件，防止危險發(fā)生或者減輕事故造成的影響，在天然氣站場上通常把SIS稱作緊急停車系統(tǒng)（Emergency Shutdown System，ESD）。

1.1 典型的SIS結構

SIS的設備組成隨著控制技術、通信技術和計算機技術的發(fā)展，系統(tǒng)集成度不斷提高，也經(jīng)歷了一個由低到高、由簡單到復雜的演變過程，但其基本結構不變，是由觸發(fā)模塊、邏輯控制模塊和執(zhí)行模塊3個基本部分組成，如圖1所示。

圖1 典型的SIS結構

1.2 觸發(fā)模塊

觸發(fā)模塊由多種傳感器組成，主要是監(jiān)測被測量的信息，并將檢測到的信息按某種方式轉(zhuǎn)換后以電信號或其他所需形式輸出，從而實現(xiàn)信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

2 壓氣站SIS

壓氣站主要包括工藝系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和陰極保護系統(tǒng)等，其中工藝系統(tǒng)又包括分離系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、排污系統(tǒng)和放空系統(tǒng)等；自控系統(tǒng)主要由BPCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)組成。

2.1 SIS和BPCS關系

SIS不同于基本過程控制系統(tǒng)（Basic process control system，BPCS），BPCS執(zhí)行基本過程控制功能，使生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量和液位等工藝參數(shù)維持在規(guī)定的正常范圍之內(nèi)，保證正常的安全生產(chǎn)。BPCS是主動的、動態(tài)的，而SIS是被動的、靜態(tài)的。由于SIS是靜態(tài)的，故要對其進行周期性的診斷和測試。SIS獨立于BPCS，其安全級別高于BPCS。

2.2 壓氣站BPCS

壓氣站BPCS功能主要包括壓氣站啟動控制，壓氣站正常關閉控制，壓縮機組出口流量測量，循環(huán)水控制，自動增壓水箱控制，所有泵的遠程手動啟、停，所有電動閥門的遠程手動開、關，分離器組的切換，壓縮機房通風控制，進風機的遠程手、自動啟、停，儀表風供氣壓力監(jiān)控，空氣壓縮機數(shù)據(jù)采集監(jiān)視和控制，數(shù)據(jù)采集監(jiān)視，壓縮機房可燃氣體/火焰報警系統(tǒng)監(jiān)控，電驅(qū)壓縮機組單機、多機監(jiān)控，火災報警系統(tǒng)的監(jiān)控，上傳DCC數(shù)據(jù)。

2.3 SIS功能

壓氣站SIS的安全功能主要包括進/出站系統(tǒng)緊急切斷和放空，增壓系統(tǒng)的保護、切斷和放空，以及探測系統(tǒng)等幾部分。

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

（1）站緊急關閉。當站場出現(xiàn)緊急事故，上、下游輸氣管道出現(xiàn)緊急事故或站場出現(xiàn)火災等情況下，啟動“全站ESD”。觸發(fā)條件：①調(diào)度控制中心（DCC）發(fā)出“全站ESD”命令；②現(xiàn)場裝置區(qū)附近的“全站ESD”按鈕被按動；③站控ESD機柜前面板上的“全站ESD”按鈕被按動；④控制室內(nèi)墻上的“全站ESD”按鈕被按動。ESD系統(tǒng)接收到“全站ESD”命令后執(zhí)行以下操作指令：同時關閉進站閥和出站閥，壓力監(jiān)控系統(tǒng)中的安全切斷閥、自用氣管路中的切斷閥；同時輸出1個DO信號（加常開接點繼電器，DO輸出時接點閉合），啟動全站ESD報警器，提示現(xiàn)場工作人員，參與ESD的閥門全部關閉后，再打開放空閥進行全站放空。

（2）進、出站爆管檢測。進/出站區(qū)3臺壓力變送器同時檢測管線壓力，當2個及以上變送器檢測到的壓降速率持續(xù)低于設定值一定時間，則實施站關閉，實現(xiàn)爆管檢測控制。

3 壓氣站ESD分級

壓氣站的ESD控制功能分為四級，包括手動緊急關閉和自動緊急關閉。

3.1 一級關斷

全站緊急關閉：同時關閉進出站ESDV閥，切斷站場與管線的聯(lián)通；關閉站內(nèi)所有的動力設備，僅保留安全撤離、消防、安全控制應用電源；所有站ESDV關閉后自動打開站放空閥，將站內(nèi)所有區(qū)域高壓天然氣全部放空。一級關斷適用于壓氣站全站。

3.2 二級關斷

區(qū)域緊急關閉：同時關閉事故區(qū)域進、出口ESDV閥，切斷該區(qū)域與站場或管線的聯(lián)通；關閉事故區(qū)域內(nèi)所有動力設備，僅保留安全撤離、消防、安全控制應用電源；區(qū)域進、出口ESDV閥關閉后自動打開區(qū)域放空閥，將事故區(qū)域內(nèi)所有天然氣全部放空。二級關斷適用于壓縮機廠房。

3.3 三級關斷

局部功能緊急關閉：同時關閉事故區(qū)域進、出口ESDV閥或安全緊急截斷閥（SSV），切斷該區(qū)域與站場或管線的聯(lián)通，必要時放空局部天然氣。三級關斷適用于單臺壓縮機組、分輸用戶調(diào)壓系統(tǒng)、氣體加熱系統(tǒng)等。

3.4 四級關斷

單體設備緊急關閉：緊急關閉事故設備。適用于單體動力設備、單路調(diào)壓系統(tǒng)、單臺氣體加熱設備等。

4 設計、安裝和運行需注意的問題

（1）SIS單獨設置，與基本過程控制系統(tǒng)BPCS隔離，不能通過數(shù)據(jù)通訊方式實現(xiàn)SIS系統(tǒng)安全功能。

（2）對于儀表安全功能，傳感器、邏輯計算器和最終元件應具有最低的硬件故障裕度，使得在1個或幾個硬件危險故障的情況下，仍能保證所要求的儀表安全功能正常。

（3）壓氣站的輸入元件要求產(chǎn)品最低要取得SIL2認證或相當?shù)膶嶒炞C明。

（4）所有安全功能的的輸入點和輸出點都是故障安全型，即在安全功能不動作的正常工作狀態(tài)下是帶電的，斷電的情況下安全儀表動作，將過程帶入安全狀態(tài)。

（5）ESD按鈕應配套診斷電阻，電阻連接方式及電阻值符合相關SIS系統(tǒng)DI模塊回路診斷要求，宜采用按壓動作、壓緊自鎖定、手動旋轉(zhuǎn)復位形式。

（6）直流電源系統(tǒng)SIS和BPCS應分別獨立設置，SIS直流電源要求冗余配置，并提供不少于30min的后備電池。

（7）SIS檢測信號的輸入、觸發(fā)信號輸入、控制信號輸出原則上應采用直接硬接線方式實現(xiàn)。

（8）控制電纜鋪設應滿足防雷電脈沖要求，當SIS電源接地與BPCS要求不一致時，要加裝接地隔離裝置。對于浮空設計的系統(tǒng)，應考慮配置相應的接地故障檢測措施。

（9）各級ESD按鈕，分別直接接入SIS系統(tǒng)，采用常閉觸點。

5 結語

壓氣站是天然氣輸氣管道的主要組成部分，由于壓氣站有工藝復雜、設備眾多和運行壓力高等特點，容易出現(xiàn)壓力超高、天然氣泄漏及火災和爆炸等事故。SIS的應用將在短時間內(nèi)將事故區(qū)域進行隔離和放空，有效控制和降低事故造成的影響和損失，目前在壓氣站得到廣泛的應用并取得良好的效果。隨著SIS應用的不斷深入，壓氣站的安全從技術層面得到越來越多的保障。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.004