天然氣管道某計(jì)量站ESD系統(tǒng)的技術(shù)改造

邱昌勝

(中國石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100076)

中亞天然氣管道在我國能源戰(zhàn)略發(fā)展的國際通道中占重要地位，起始于土庫曼斯坦與烏茲別克斯坦邊境的格達(dá)伊姆地區(qū)，并穿越烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦境內(nèi)，在新疆維吾爾自治區(qū)霍城縣進(jìn)入中國境內(nèi)，與同期建設(shè)的西氣東輸二線銜接。雙線共設(shè)4座計(jì)量站、8座壓氣站、34座收發(fā)球站、200座閥室，將清潔能源天然氣輸入中國。霍城縣境內(nèi)設(shè)有中亞天然氣管道的末站，負(fù)責(zé)輸氣量的計(jì)量，是中哈兩國海關(guān)關(guān)于中亞天然氣管道天然氣計(jì)量交接的計(jì)量站。該站由兩組共8臺(tái)流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)組成站場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)，站場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)由站控系統(tǒng)(SCS)及緊急停車系統(tǒng)(ESD)等組成，負(fù)責(zé)站點(diǎn)的工藝數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控，SCS負(fù)責(zé)工藝過程控制，ESD負(fù)責(zé)站場(chǎng)裝置的安全保護(hù)控制，是站場(chǎng)安全運(yùn)行的重要保障。

霍縣計(jì)量站的ESD經(jīng)過幾年的生產(chǎn)運(yùn)行，起到了很好的生產(chǎn)保護(hù)作用，但也暴露了一些不足。特別是一次ESD電源故障而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的ESD閥門動(dòng)作，造成了不必要的生產(chǎn)裝置停產(chǎn)。雖然現(xiàn)場(chǎng)采取了應(yīng)急措施，但對(duì)輸氣還是產(chǎn)生了一定的影響，造成了不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失。此次事故也暴露了原ESD是一個(gè)沒有容錯(cuò)能力的系統(tǒng)，是一個(gè)故障安全系統(tǒng)，同時(shí)在SCADA中ESD的模塊運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控特別是電源模塊的狀態(tài)監(jiān)控在HMI中沒有報(bào)警機(jī)制，使生產(chǎn)維護(hù)人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)模塊的故障，而且對(duì)生產(chǎn)事故的查詢分析也造成了困難。ESD所發(fā)生的故障是危險(xiǎn)故障，ESD功能喪失，裝置繼續(xù)運(yùn)行將導(dǎo)致重大損失或?yàn)?zāi)難性事故，需較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)生產(chǎn)，因此提高計(jì)量站ESD的冗余容錯(cuò)能力并提供足夠的部件故障診斷報(bào)警信息的技術(shù)改造勢(shì)在必行。為此在分析其ESD的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，遵循ESD的可靠性原則，從計(jì)量站的應(yīng)用實(shí)際出發(fā)進(jìn)行技術(shù)改造，制定了最優(yōu)化的并切合實(shí)際的技術(shù)改造方案。

ESD系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險(xiǎn)或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置進(jìn)入預(yù)定義的安全停車工況，從而使危險(xiǎn)降低到可接受的最低程度，保證人員、設(shè)備、生產(chǎn)裝置和工廠周邊社區(qū)的安全。ESD系統(tǒng)必須具有以下特點(diǎn)：

a. ESD故障本質(zhì)安全型，即在ESD自身故障時(shí)保證計(jì)量站場(chǎng)生產(chǎn)裝置按已知預(yù)定方式進(jìn)入安全狀態(tài)，避免由于ESD自身故障或因停電、停氣而使生產(chǎn)裝置處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

b. ESD必須是容錯(cuò)系統(tǒng)，即ESD在一個(gè)或多個(gè)元件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行的能力。一個(gè)容錯(cuò)系統(tǒng)首先能夠自己檢測(cè)出發(fā)生故障部件；系統(tǒng)能夠產(chǎn)生這些發(fā)生故障部件的報(bào)警信息；即使系統(tǒng)存在故障，依然能夠持續(xù)正常運(yùn)行。容錯(cuò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定又可由站場(chǎng)所要求的安全性和可用度來決定，可用度是基于導(dǎo)致系統(tǒng)的故障進(jìn)行計(jì)算的，這故障有引起系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)的故障(故障安全故障或顯性故障)和引起系統(tǒng)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)的故障(故障危險(xiǎn)故障或隱性故障)，是系統(tǒng)故障頻度的度量。高可用度的重要性在于系統(tǒng)很少出現(xiàn)進(jìn)入安全狀態(tài)或危險(xiǎn)狀態(tài)的故障。高安全性的目標(biāo)在于避免故障的發(fā)生，即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。一個(gè)理想的ESD應(yīng)兼顧安全性和可用性要求。

c. ESD按照獨(dú)立設(shè)置要求獨(dú)立于其他控制系統(tǒng)，并且安全級(jí)別高于其他控制系統(tǒng)，即ESD中各部分盡量是專用設(shè)備，以避免受其他關(guān)聯(lián)故障或誤操作的影響。一般要求ESD都必須有自己獨(dú)立的電源系統(tǒng)，與其他設(shè)備和系統(tǒng)電源隔開，不受其他設(shè)備和系統(tǒng)電源故障的影響，特別是對(duì)要求連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行的計(jì)量站更有重要的意義。

d. 在ESD中，安全度等級(jí)是ESD基本的設(shè)計(jì)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。在ESD的設(shè)計(jì)過程中，首先要確定生產(chǎn)運(yùn)行中的安全度等級(jí)，依據(jù)此安全度等級(jí)選擇合適的安全系統(tǒng)技術(shù)和配置方式。結(jié)合中亞天然氣管道的生產(chǎn)實(shí)際情況，確定采用ESD的安全等級(jí)要求為SIL3。在正常情況下，ESD系統(tǒng)處于靜態(tài)，不需要人為干預(yù)。作為安全保護(hù)系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過程控制之上，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置的安全性。霍縣天然氣管道計(jì)量站的ESD作為SCADA的重要組成部分，用于聯(lián)鎖保護(hù)和緊急切斷相關(guān)閥門，負(fù)責(zé)在緊急狀態(tài)下保障生產(chǎn)安全和人員安全，最大限度減少故障帶來的損失。ESD的正常運(yùn)行是保障生產(chǎn)運(yùn)行安全的前提條件，ESD的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將是安全隱患。

2 ESD的配置與應(yīng)用

霍縣計(jì)量站的ESD采用Modicon TSX Quantum，該系統(tǒng)已經(jīng)過安全認(rèn)證。為保證計(jì)量站系統(tǒng)的高可靠性，計(jì)量站的ESD模塊采用一定限度的冗余配置。Modicon Quantum 具有先進(jìn)的熱備系統(tǒng)，組態(tài)簡(jiǎn)單，操作也比較簡(jiǎn)便。通過兩套配置完全相同的ESD控制器，成為主備形式，正常情況下主機(jī)負(fù)責(zé)處理邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)采集以及與備機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；備用機(jī)則監(jiān)控主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)主機(jī)不能正常運(yùn)行時(shí)，備機(jī)會(huì)立即切換接替主機(jī)進(jìn)行工作。

其硬件部分主要有PLC控制器、通信模塊、內(nèi)部電源模塊及I/O模板等。其中ESD的供電方式分為系統(tǒng)內(nèi)部供電和系統(tǒng)外部供電。外部供電主要對(duì)主機(jī)電源模塊和I/O模塊的負(fù)載進(jìn)行供電；而內(nèi)部供電方式主要對(duì)機(jī)架模塊實(shí)施供電。ESD的原供電方式為電氣專業(yè)的一組冗余UPS，輸出一路220V交流到ESD機(jī)柜，再由ESD機(jī)柜內(nèi)的兩個(gè)交直流轉(zhuǎn)換模塊輸出兩路24V直流分別給ESD模塊和現(xiàn)場(chǎng)儀器供電，其供電方式如圖1所示。UPS位于低壓配電室內(nèi)，其輸入電源由市電供電，由于目前計(jì)量站的條件限制，沒有其他的外部電源來源。UPS輸出單路不間斷電源，通過一定長(zhǎng)度的動(dòng)力電纜接入ESD機(jī)柜的空氣開關(guān)，在ESD機(jī)柜內(nèi)，再進(jìn)行AC和DC轉(zhuǎn)換，供給ESD所需要電源。電氣UPS通過Modbus通信，給SCADA傳送一些基本信息，但這些信息中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都沒有在SCADA組態(tài)報(bào)警功能。

圖1 ESD原供電方式

霍縣計(jì)量站的ESD觸發(fā)條件是位于現(xiàn)場(chǎng)的兩個(gè)ESD緊急按鈕和SCADA控制室內(nèi)的一個(gè)ESD緊急按鈕被按下。ESD邏輯的執(zhí)行過程是兩個(gè)進(jìn)站ESD閥的電磁閥失電，該閥門關(guān)閉使天然氣不能進(jìn)入計(jì)量站，同時(shí)計(jì)量站出站閥的電磁閥失電，該閥門也關(guān)閉，切斷輸出方向的天然氣，接著緊急放空閥的電磁閥失電，打開該閥門實(shí)現(xiàn)緊急放空，這樣使某計(jì)量站處于全站停運(yùn)狀態(tài)。其中出站和入站閥門其ESD動(dòng)作機(jī)構(gòu)是帶閉鎖性質(zhì)的三位常關(guān)電磁閥，電磁閥的24V電源由ESD機(jī)柜內(nèi)的輸入輸出模塊提供，為確保這些閥門在任何故障狀態(tài)下都處于過程安全位置，其電磁閥設(shè)計(jì)成故障安全型電路，即在正常狀態(tài)下，電磁閥通電，如果生產(chǎn)運(yùn)行有故障則電磁閥斷電觸發(fā)ESD動(dòng)作。因此，如果出站和入站閥的帶閉鎖性質(zhì)的三位常關(guān)電磁閥失電，將導(dǎo)致該閥門自動(dòng)關(guān)斷，同時(shí)緊急放空閥的電磁閥也失電，閥門打開，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)緊急放空，從而某計(jì)量站處于停站狀態(tài)。

3 ESD的技術(shù)改造

依據(jù)ESD的組成和設(shè)計(jì)原則并結(jié)合霍縣計(jì)量站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，特別是結(jié)合此次UPS電源的故障，使ESD電源掉失，導(dǎo)致計(jì)量站停站的事故，在具體分析事故產(chǎn)生的原因并分析了ESD現(xiàn)有的構(gòu)成后，從而制定和實(shí)施了中哈天然氣管道霍縣計(jì)量站ESD的技術(shù)改造。

3.1 系統(tǒng)缺陷分析

上述事故是由于UPS故障所致，因此首先從ESD的電源供電方式進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)其缺點(diǎn)在于未能充分考慮ESD電源模塊的冗余容錯(cuò)本質(zhì)特點(diǎn)，而是將主電源和備用冗余電源合并在一起，沒有互相備用，并且UPS到ESD機(jī)柜之間采用一根較長(zhǎng)的動(dòng)力電纜對(duì)ESD進(jìn)行供電，并且只有此一路電源，如果此一路電源發(fā)生故障，則ESD將處于失電狀態(tài)。因此該方式對(duì)供電回路各環(huán)節(jié)上存在的風(fēng)險(xiǎn)沒有充分的考慮，經(jīng)分析歸納該方式下存在的主要問題和風(fēng)險(xiǎn)是：電氣UPS可能發(fā)生故障，導(dǎo)致無電源輸出，同時(shí)ESD斷電；低壓配電室與ESD控制柜直接的動(dòng)力電纜可能發(fā)生故障，導(dǎo)致ESD系統(tǒng)斷電；ESD控制柜中供電系統(tǒng)的主控開關(guān)故障，導(dǎo)致ESD系統(tǒng)斷電；電源轉(zhuǎn)換器可能發(fā)生故障，在此電源中有兩個(gè)交直流轉(zhuǎn)換器，分別為ESD控制器單元和現(xiàn)場(chǎng)儀表等提供24V(DC)電流，并且這兩個(gè)交直流轉(zhuǎn)換器不能互相切換。

以上供電環(huán)節(jié)中只要有一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障都有可能導(dǎo)致ESD發(fā)生停電故障，致使計(jì)量站停站。在此次事故中，就是因?yàn)閁PS電源在進(jìn)行例行檢修時(shí)的錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致UPS電源輸出中斷。

ESD電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)缺少必要的報(bào)警信息，且已組態(tài)的報(bào)警信息也不能簡(jiǎn)單明確地提醒生產(chǎn)維護(hù)人員。站場(chǎng)原SCADA中，ESD的報(bào)警信息也只是簡(jiǎn)單在人機(jī)界面的報(bào)警欄中顯示，沒有給出重要報(bào)警信息的明確顯示。

3.2 系統(tǒng)改造計(jì)劃

在分析ESD的缺陷和事故原因后，為了保證ESD能夠安全正常地運(yùn)行，ESD的技術(shù)改造就針對(duì)這些因素制定了符合現(xiàn)場(chǎng)情況且易于實(shí)施的改造方案。

3.2.1ESD增加獨(dú)立的UPS電源

在原供電系統(tǒng)中，電氣專業(yè)的UPS通過一根動(dòng)力電纜給ESD的機(jī)柜供220V(AC)電源，在ESD的機(jī)柜內(nèi)有兩套AC/DC轉(zhuǎn)換器輸出為24V(DC)，提供給ESD需要的電源。為使ESD能夠在供電回路的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)都能夠正常工作，將原供電方式更改為如圖2所示的形式。

圖2 ESD改造后的供電方式

圖2中，虛線內(nèi)為供電回路中新增設(shè)備：在原交直流轉(zhuǎn)換器后各增加一臺(tái)24V(DC)UPS和配套電池模塊，同時(shí)將原供電方式改為兩路電源進(jìn)入一塊電源分配板，對(duì)ESD模塊、IO模塊和現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行供電，這樣就解決了原供電方式中可能出現(xiàn)的故障，并實(shí)現(xiàn)了電源冗余。當(dāng)外部電源供電正常時(shí)，24V(DC)UPS可以提供穩(wěn)定的電流輸出，保證ESD工作的穩(wěn)定性。在外部供電長(zhǎng)時(shí)間斷電時(shí)也能夠確保ESD無間斷地持續(xù)工作。因此，即使ESD機(jī)柜外部供電回路中的任何設(shè)備，包括電纜、開關(guān)及電氣UPS等故障，都能保證ESD正常工作，同時(shí)此UPS還實(shí)現(xiàn)了互相備用，當(dāng)有一路發(fā)生故障時(shí)另一路可以繼續(xù)支持ESD正常工作。UPS的工作原理如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)外接電源發(fā)生故障時(shí)電源輸出將會(huì)無擾動(dòng)切換到電池，繼續(xù)給ESD進(jìn)行供電。UPS單元可以輸出本身的工作狀態(tài)，SCADA收集此狀態(tài)數(shù)據(jù)，并給出明確的報(bào)警信息。

圖3 UPS工作原理

3.2.2人機(jī)界面組態(tài)

在上位機(jī)系統(tǒng)中，增加原先電氣UPS的狀態(tài)信息和報(bào)警信息，同時(shí)增加24V(DC)UPS單元的報(bào)警信息，包括充放電信息、電池狀態(tài)和報(bào)警信息。增加單獨(dú)的監(jiān)控和報(bào)警畫面，在此畫面中詳細(xì)地繪制了供電系統(tǒng)的流程圖和運(yùn)行狀態(tài)。報(bào)警信息增加了聲音報(bào)警，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)上位機(jī)畫面自動(dòng)切換到UPS監(jiān)控畫面，對(duì)報(bào)警項(xiàng)以閃爍的紅色警示。

3.3 ESD技改的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)制定的技改方案，擇機(jī)進(jìn)行了ESD的改造。根據(jù)ESD的負(fù)荷及發(fā)熱量等情況，選擇合適Phoenix的QUINT DC UPS 20A型UPS和QUINT-BAT/24VDC.12AH型蓄電池單元，UPS單元和蓄電池單元均采用導(dǎo)軌式安裝在ESD控制機(jī)柜內(nèi)。在改造過程中，制定詳實(shí)的施工方案，遵循安全有效的原則進(jìn)行：首先在改造過程中要確保計(jì)量站正常的供氣和貿(mào)易計(jì)量，ESD不能誤動(dòng)作；系統(tǒng)改造工作中有的詳細(xì)記錄，站場(chǎng)運(yùn)行人員和技術(shù)人員緊密配合，將整改過程中可能引起的誤動(dòng)作原因徹底屏蔽，排除整改過程中存在的隱患；在ESD改造工作中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員要對(duì)ESD的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真檢查，在確保不會(huì)造成誤動(dòng)作的前提下，進(jìn)行整改；對(duì)整改后的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，確保整改后的功能能夠很好的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)操作和維護(hù)人員進(jìn)行技術(shù)交底和培訓(xùn)。

4 結(jié)束語

中亞天然氣管道霍縣計(jì)量站的ESD技術(shù)改造，經(jīng)過了詳實(shí)的設(shè)計(jì)和精心的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，投運(yùn)后的運(yùn)行效果證實(shí)了該方案中UPS不間斷電源配置合理，能夠安全、可靠、高質(zhì)量的向ESD系統(tǒng)供電，解決了由于電源故障而造成的ESD不能穩(wěn)定運(yùn)行的狀況，保證了計(jì)量站的安全平穩(wěn)運(yùn)行。