川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)執(zhí)行元件應(yīng)用優(yōu)化探討

徐婧源　羅 敏　毛彥恒　陳穎杰　廖 欣　別 沁

1.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處　2.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部　3.中國石油西南油氣田公司規(guī)劃計(jì)劃處

川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)執(zhí)行元件應(yīng)用優(yōu)化探討

徐婧源1羅 敏1毛彥恒1陳穎杰2廖 欣3別 沁1

1.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處2.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部3.中國石油西南油氣田公司規(guī)劃計(jì)劃處

摘要?dú)庖郝?lián)動干線球閥作為川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件之一，是ESD系統(tǒng)的重要組成部分。球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的合理設(shè)置不僅對氣液聯(lián)動干線球閥發(fā)揮干線切斷功能起重要作用，還對保證ESD系統(tǒng)的安全功能具有重要影響。為此，通過分析川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)中氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在的問題，提出了兩種優(yōu)化方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后的ESD系統(tǒng)滿足獨(dú)立設(shè)置原則和故障安全型原則?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示：①ESD系統(tǒng)工作正常，能夠發(fā)揮要求的安全功能；②ESD系統(tǒng)誤動作率大大降低，起到了對輸氣站場的安全保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞輸氣站場ESD系統(tǒng)執(zhí)行元件氣液聯(lián)動干線球閥邏輯控制優(yōu)化

1ESD系統(tǒng)概述

ESD(Emergency Shutdown Device)系統(tǒng)是緊急停車系統(tǒng)，如圖1所示，ESD系統(tǒng)通常由檢測元件、邏輯控制器、執(zhí)行元件、軟件及配套附件(包括電源、輸入/輸出接口、浪涌保護(hù)器等)組成。為保障輸氣站場安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)過程風(fēng)險(xiǎn)，ESD系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的安全功能就是當(dāng)站場發(fā)生泄漏、火災(zāi)等事故時(shí)，ESD系統(tǒng)能迅速啟動，切斷氣源，控制和避免事態(tài)擴(kuò)大[1-3]。

ESD系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循四項(xiàng)原則[4]，即：獨(dú)立設(shè)置原則、中間環(huán)節(jié)最少原則、故障安全型原則和冗余容錯原則。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能降低生產(chǎn)過程惡性事件發(fā)生概率、避免對人身和設(shè)備安全造成重大傷害，同時(shí)還有利于減少過度安全保障帶來的人、財(cái)、物力的浪費(fèi)。

2川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)

隨著石化企業(yè)向集中化、精細(xì)化和自動化方向發(fā)展，ESD系統(tǒng)在輸氣站場的應(yīng)用日益廣泛。目前，川渝天然氣骨干管網(wǎng)中共有24座輸氣站場建設(shè)了ESD系統(tǒng)，針對輸氣站場ESD系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，結(jié)合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求[5-11]，提出了優(yōu)化方案。

2.1ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)主要由檢測元件、控制元件、執(zhí)行元件三部分構(gòu)成。當(dāng)檢測到非安全因素時(shí)，檢測元件將檢測到的非安全因素轉(zhuǎn)換成電信號，傳遞給控制元件，控制元件按照事先設(shè)定的程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，將控制指令下達(dá)到執(zhí)行元件，指揮執(zhí)行元件動作。

2.1.1檢測元件

2.1.2控制元件

邏輯控制器和軟件共同組成了ESD系統(tǒng)控制元件，主要功能是對輸入的ESD電信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算并輸出運(yùn)算結(jié)果，指揮執(zhí)行元件動作。川渝地區(qū)輸氣站場邏輯控制器分為繼電器邏輯控制器和PLC邏輯控制器兩類。

2.1.3執(zhí)行元件

川渝地區(qū)輸氣站場采用帶ESD功能的閥門(指閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備ESD功能)作為執(zhí)行元件，包括干線氣液聯(lián)動球閥和電動/氣動放空球閥，用于最終實(shí)現(xiàn)ESD系統(tǒng)安全保護(hù)動作。

2.1.4配套附件

ESD系統(tǒng)附件包括ESD系統(tǒng)電源、輸入/輸出接口、浪涌保護(hù)器、卡套等。作為ESD系統(tǒng)的配套部分，附件的作用包括保證ESD系統(tǒng)供電安全、保持ESD系統(tǒng)功能安全，合理的附件配置對確保ESD系統(tǒng)發(fā)揮安全功能具有重要的作用。

2.2ESD系統(tǒng)邏輯控制

為了說明輸氣站場ESD系統(tǒng)邏輯控制過程，圖2給出了A輸氣站場ESD系統(tǒng)控制邏輯圖。該輸氣站場采用ESD觸發(fā)按鈕作為ESD系統(tǒng)檢測元件，在值班室和工藝區(qū)共設(shè)置有4個按鈕。其中HS_1001、HS_1002和HS_1003為緊急放空按鈕，HS_1004為緊急停車按鈕；控制元件采用PLC邏輯控制器，執(zhí)行元件包括干線氣液聯(lián)動球閥和氣動放空球閥。以輸氣站場ESD緊急放空按鈕(HS_1001)發(fā)出ESD指令為例，當(dāng)站場員工按下ESD緊急放空按鈕，HS_1001控制電路接通；控制元件接到電信號并進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，一方面對聲光報(bào)警器下達(dá)啟動指令，啟動聲光報(bào)警器YA_1001和YA_1002，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。另一方面對干線氣液聯(lián)動球閥下達(dá)關(guān)閥指令，指揮ESDV_1101、ESDV_1201和ESDV_1301關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)干線進(jìn)、出站氣源切斷；與此同時(shí)，控制元件監(jiān)控球閥運(yùn)動情況，當(dāng)接收到關(guān)閥到位反饋信號后，控制元件對氣動放空球閥下達(dá)開閥指令，指揮ESDV_2501開啟，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)天然氣放空。

2001-2012年海南省國際旅游外匯收入除2003年和2009年下降外，總體呈波動上升趨勢。期間，2003年受亞洲“非典”公共危機(jī)事件影響，2008-2009年受全球金融危機(jī)影響出現(xiàn)下滑。其國際旅游外匯收入從2001年的1.06億美元上升到2012年的3.48億美元。12年間的平均國際旅游外匯收入為2.21億美元，約占全國的0.65%，排名在二十一位名上下波動。2001-2012年海南省國際旅游外匯收入一直低于全國平均值，差距越來越大。

2.3ESD系統(tǒng)存在的問題

圖3所示為A輸氣站場ESD系統(tǒng)中氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理控制圖。從圖3中可以看出，氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)共有3個電磁閥，分別是遠(yuǎn)程開電磁閥PO、遠(yuǎn)程關(guān)電磁閥PC和破管檢測系統(tǒng)電磁閥670。3個電磁閥控制閥門動作原理相同。以遠(yuǎn)程關(guān)電磁閥控制閥門動作為例，正常情況下，電磁閥PC處于失電狀態(tài)，電磁閥PC、兩位三通閥DC進(jìn)氣口與排氣口連通。當(dāng)遠(yuǎn)程關(guān)閥信號發(fā)出后，電磁閥PC得電，電磁閥PC進(jìn)氣口與出氣口導(dǎo)通，先導(dǎo)氣推動梭閥F運(yùn)動，導(dǎo)通兩位三通閥DC的進(jìn)氣口和出氣口，先導(dǎo)氣經(jīng)兩位三通閥DC到達(dá)關(guān)閥氣液罐，在氣壓的作用下推動撥叉運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉。

由此可見，川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)執(zhí)行元件氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在三方面的問題：①氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)無獨(dú)立的ESD系統(tǒng)電磁閥，不僅導(dǎo)致ESD系統(tǒng)易受其他關(guān)聯(lián)故障或誤操作的影響而觸發(fā)，也不符合ESD系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置原則；②氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯關(guān)系為得電動作，若簡單將ESD系統(tǒng)電信號線接入遠(yuǎn)程關(guān)電磁閥，將不利于事故發(fā)生時(shí)保護(hù)生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)入預(yù)定的安全狀態(tài)，同時(shí)也不符合ESD系統(tǒng)故障安全型原則；③若將ESD電信號線系統(tǒng)接入遠(yuǎn)程關(guān)電磁閥，由于遠(yuǎn)程關(guān)電磁閥前面無兩位三通手動控制閥，易導(dǎo)致站場日常維護(hù)時(shí)ESD系統(tǒng)誤動作。

3ESD系統(tǒng)優(yōu)化方案

為確保輸氣站場ESD系統(tǒng)滿足獨(dú)立設(shè)置原則和故障安全型原則，同時(shí)避免維護(hù)操作期間ESD系統(tǒng)誤動作。針對氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在的三方面問題，提出了以下兩種優(yōu)化方案。

3.1優(yōu)化方案一

如圖4紅色線框所示，優(yōu)化方案一包括3部分：①增加獨(dú)立的ESD系統(tǒng)電磁閥669和兩位三通手動氣控閥700，使干線球閥不僅具備ESD功能，能接收遠(yuǎn)程控制ESD信號，也確保站場日常維護(hù)期間，實(shí)現(xiàn)ESD系統(tǒng)屏蔽，防止ESD系統(tǒng)誤動作；②電控箱增加ESD系統(tǒng)電路絕緣裝置；③接線盒增加ESD系統(tǒng)電信號線。

按方案一優(yōu)化后，氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)原有遠(yuǎn)程開、關(guān)和破管檢測功能全部保留，同時(shí)新增了ESD功能，新增的ESD系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和屏蔽操作。

(1) ESD系統(tǒng)觸發(fā)：正常情況下，ESD系統(tǒng)電磁閥669處于得電狀態(tài)，電磁閥669進(jìn)氣口與排氣口連通，兩位三通手動氣控閥700處于進(jìn)氣口與出氣口連通狀態(tài)。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，電磁閥669失電使得其進(jìn)氣口與出氣口導(dǎo)通，先導(dǎo)氣經(jīng)兩位三通手動氣控閥700、電磁閥669、梭閥A和兩位三通閥E后，推動梭閥F運(yùn)動，導(dǎo)通兩位三通閥DC的進(jìn)氣口和出氣口，先導(dǎo)氣再經(jīng)兩位三通閥DC到達(dá)關(guān)閥氣液罐，在氣壓的作用下推動撥叉運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉。

(2) ESD屏蔽：正常情況下，兩位三通手動氣控閥700進(jìn)氣口和出氣口連通。當(dāng)站場日常維護(hù)需要屏蔽ESD系統(tǒng)時(shí)，手動斷開兩位三通手動氣控閥700進(jìn)氣口和出氣口，使進(jìn)氣口和排氣口連通，先導(dǎo)氣將無法流過兩位三通手動氣控閥700，從而避免了ESD系統(tǒng)誤動作。

3.2優(yōu)化方案二

如圖5紅色線框所示，優(yōu)化方案二包括兩部分：①對調(diào)破管檢測電磁閥670的出氣口和排氣口，將破管檢測電磁閥670作為獨(dú)立的ESD系統(tǒng)電磁閥，使干線球閥具備ESD功能，能接收遠(yuǎn)程控制ESD信號；②增加兩位三通手動氣控閥700，確保站場日常維護(hù)期間，實(shí)現(xiàn)ESD系統(tǒng)屏蔽，防止ESD系統(tǒng)誤動作。

按方案二優(yōu)化后，氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)保留了原有遠(yuǎn)程開、關(guān)功能，去掉了原破管檢測功能，增加了ESD功能，增加的ESD系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和屏蔽操作。

(1) ESD系統(tǒng)觸發(fā)：正常情況下，ESD系統(tǒng)電磁閥670處于得電狀態(tài)，電磁閥670進(jìn)氣口與排氣口連通，兩位三通手動氣控閥700處于進(jìn)氣口與出氣口連通狀態(tài)。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，電磁閥670失電使得其進(jìn)氣口與出氣口導(dǎo)通，先導(dǎo)氣經(jīng)兩位三通手動氣控閥700、電磁閥670、梭閥A和兩位三通閥E后，推動梭閥F運(yùn)動，導(dǎo)通兩位三通閥DC的進(jìn)氣口和出氣口，先導(dǎo)氣再經(jīng)兩位三通閥DC到達(dá)關(guān)閥氣液罐，在氣壓的作用下推動撥叉運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉。

(2) ESD屏蔽：正常情況下，兩位三通手動氣控閥700進(jìn)氣口和出氣口連通。當(dāng)站場日常維護(hù)需要屏蔽ESD系統(tǒng)時(shí)，手動斷開兩位三通手動氣控閥700進(jìn)氣口和出氣口，使進(jìn)氣口和排氣口連通，先導(dǎo)氣將無法流過兩位三通手動氣控閥700，從而避免了ESD系統(tǒng)誤動作。

4ESD系統(tǒng)優(yōu)化后應(yīng)用情況

為了控制ESD系統(tǒng)改造成本，A輸氣站場采用方案二對ESD系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后，A站ESD系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足了獨(dú)立設(shè)置原則和故障安全型原則。對ESD系統(tǒng)現(xiàn)場測試的結(jié)果顯示，測試過程中ESD系統(tǒng)能夠按照既定邏輯完成緊急停車和緊急停車、放空動作，能夠發(fā)揮要求的安全功能，測試合格。目前，A站ESD系統(tǒng)投用近一年，投用期間，ESD系統(tǒng)工作正常，運(yùn)行情況良好，未發(fā)生過因系統(tǒng)自身故障而誤動作的情況。

5結(jié) 論

(1) 通過對川渝地區(qū)輸氣站場ESD系統(tǒng)氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理控制圖進(jìn)行分析，明確了氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在三方面的問題：①氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)無獨(dú)立的ESD系統(tǒng)電磁閥；②氣液聯(lián)動干線球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯關(guān)系為得電動作；③ESD 系統(tǒng)不具備屏蔽功能，易導(dǎo)致站場日常維護(hù)時(shí)ESD系統(tǒng)誤動作。

(2) 以輸氣站場ESD系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，針對氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在的問題，提出了兩種優(yōu)化方案：①保留氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)原有全部功能，增設(shè)獨(dú)立的ESD系統(tǒng)電磁閥，同時(shí)增加ESD系統(tǒng)屏蔽功能；②取消氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)原有破管檢測功能，將破管檢測控制電磁閥出氣口和排氣口調(diào)換，更改為獨(dú)立的ESD系統(tǒng)電磁閥，同時(shí)增加ESD系統(tǒng)屏蔽功能。

(3) 優(yōu)化后，ESD系統(tǒng)滿足獨(dú)立設(shè)置原則和故障安全型原則。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示，①ESD系統(tǒng)工作正常，能夠發(fā)揮要求的安全功能；②ESD系統(tǒng)誤動作率大大降低，起到了對輸氣站場的安全保護(hù)作用。

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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；編輯：鐘國利

中圖分類號：TE642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.027

作者簡介：徐婧源(1987-)，女，工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，工學(xué)碩士學(xué)歷(工學(xué)碩士)，現(xiàn)任職于西南油氣田公司輸氣管理處，主要從事天然氣工藝技術(shù)研究工作。E-mail：xujingyuan@petrochina.com.cn