天然氣凈化廠安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜小蕓

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，東營 257026）

天然氣處理裝置具有高溫、高壓、易燃、易爆、工藝復(fù)雜而連續(xù)性強(qiáng)、安全要求高等特點(diǎn)，為了最大限度地降低裝置惡性事故發(fā)生的概率，減少計(jì)劃外停車，設(shè)計(jì)一套安全可靠、動(dòng)作及時(shí)的安全保護(hù)系統(tǒng)十分必要。當(dāng)裝置本身處于危險(xiǎn)情況，或者無措施裝置的危險(xiǎn)性加劇時(shí)，系統(tǒng)對(duì)裝置作出相應(yīng)的反應(yīng)，可以使其進(jìn)入安全狀態(tài)來確保裝置或單元具有一定的安全性。延長氣田凈化廠已于2014年12月投產(chǎn)，本文以該凈化廠為例，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，討論安全儀表系統(tǒng)的具體設(shè)置。

1 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 可靠性原則

對(duì)于安全儀表系統(tǒng)，可靠性有2個(gè)定義：安全儀表系統(tǒng)本身的工作可靠性；安全儀表系統(tǒng)對(duì)工藝過程認(rèn)知和聯(lián)鎖保護(hù)的可靠性及對(duì)工藝過程測(cè)量、判斷和聯(lián)鎖執(zhí)行的高可靠性。安全完整性等級(jí)與最小抑制風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別AK對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 安全完整性等級(jí)與最小抑制風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別AK對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding connection of the safety integrity level and minimum control

為了保證工藝裝置的生產(chǎn)安全，安全儀表系統(tǒng)必須具備與工藝過程相適應(yīng)的安全完整性等級(jí)。安全完整性等級(jí)按其從高到低依次分為1～4級(jí)，在石化行業(yè)一般涉及到的只有1、2、3級(jí)。

1.2 可用性原則

安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具有硬件和軟件自診斷和測(cè)試功能，應(yīng)為每個(gè)輸入工藝聯(lián)鎖信號(hào)設(shè)置維護(hù)旁路開關(guān)，方便進(jìn)行在線測(cè)試和維護(hù)時(shí)減少因安全儀表系統(tǒng)維護(hù)造成的停車。嚴(yán)禁對(duì)安全儀表系統(tǒng)輸出信號(hào)設(shè)置旁路開關(guān)，以防止誤操作導(dǎo)致事故發(fā)生[1]。

1.3 獨(dú)立性原則

安全儀表系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)，獨(dú)立完成安全保護(hù)功能。系統(tǒng)的檢測(cè)元件、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)單獨(dú)設(shè)置。如需要，系統(tǒng)應(yīng)能通過數(shù)據(jù)通信連接以只讀方式與站控系統(tǒng)通信，但禁止站控系統(tǒng)通過通信連接向安全儀表系統(tǒng)寫信息。

1.4 故障安全原則

當(dāng)安全儀表系統(tǒng)的元件、設(shè)備、環(huán)節(jié)或能源發(fā)生故障或者失效時(shí)，安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)使工藝過程能夠趨向于安全運(yùn)行或者安全狀態(tài)[2]。

2 天然氣凈化廠安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

延長氣田天然氣凈化廠安全儀表系統(tǒng)由緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣監(jiān)控系統(tǒng)（FGS）組成，兩者共用一套中央處理器，但I(xiàn)/O模板和機(jī)架完全獨(dú)立。該工程采用三重化冗余處理器的故障容錯(cuò)系統(tǒng)，安全等級(jí)SIL3（AK6級(jí)），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天然氣凈化廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure drawing of natural gas disposal station

2.1 緊急關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，緊急關(guān)斷系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)實(shí)體分離，該工程在MDEA脫碳單元，需要根據(jù)MDEA吸收塔液位調(diào)節(jié)MDEA富液出口管線調(diào)節(jié)閥，同時(shí)，MDEA吸收塔的低低液位需要聯(lián)鎖關(guān)斷MDEA富液出口管線緊急關(guān)斷閥。MDEA吸收塔底設(shè)2個(gè)液位檢測(cè)，分別傳至站控系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)，控制液位調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖關(guān)斷。

2.1.2 執(zhí)行元件設(shè)計(jì)

該工程中，在天然氣進(jìn)站、MDEA吸收塔富液出口管線、三甘醇吸收塔三甘醇富液入口管線、三甘醇再生塔底重沸器天然氣入口管線、干凈化氣外輸管線設(shè)緊急關(guān)斷閥，干凈化氣外輸設(shè)緊急泄放閥，關(guān)斷和泄放閥是主要的執(zhí)行元件。選用氣動(dòng)球閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用單作用彈簧復(fù)位型，電磁閥選用兩位三通電磁閥，24 VDC長期勵(lì)磁型，緊急關(guān)斷閥是失電關(guān)，緊急泄放閥是失電開。

2.1.3 緊急關(guān)斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該工程緊急關(guān)斷系統(tǒng)采用三重化冗余控制器，雙電源冗余結(jié)構(gòu)，互為熱備。ESD功能回路遵循故障安全原則，即“1”正常（normal），“0”關(guān)斷（shutdown），緊急關(guān)斷系統(tǒng)的停車動(dòng)作僅由停車邏輯控制，所有主流程的緊急關(guān)斷閥和泄放閥必須就地復(fù)位，確保安全生產(chǎn)。在緊急關(guān)斷系統(tǒng)上還設(shè)置旁路功能，以便于系統(tǒng)啟動(dòng)、操作、維修[3]。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)分為3級(jí)，關(guān)斷級(jí)別如表2所示。

表2 緊急關(guān)斷級(jí)別Tab.2 Emergency shutdown level

ESD-1、ESD-2、ESD-3級(jí)按鈕設(shè)有明顯的標(biāo)志及警告牌，并有保護(hù)裝置防止誤操作。某低級(jí)別的關(guān)斷指令均不引起較高級(jí)別的關(guān)斷，只能引起本級(jí)別及所有相關(guān)的較低級(jí)別的關(guān)斷。

操作臺(tái)設(shè)置硬手操盤，由鑰匙開關(guān)、保護(hù)按鈕、指示燈等組成，完成最基本的緊急關(guān)斷操作。硬手操盤需設(shè)置測(cè)試按鈕，用于測(cè)試所有指示燈。

安全儀表系統(tǒng)采集來自安全儀表系統(tǒng) PLC的SOE（sequence of event）事件順序記錄信息并統(tǒng)一管理。每一關(guān)斷原因都需要在安全儀表系統(tǒng)PLC上打精確的發(fā)生時(shí)間標(biāo)簽，分辯率≤10 ms。SOE可根據(jù)關(guān)斷事件發(fā)生的先后順序進(jìn)行排序，突出顯示首報(bào)警可方便操作員知道故障發(fā)生的首要原因。

2.2 火氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火氣監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場探測(cè)設(shè)備和控制室氣體報(bào)警盤、安全監(jiān)控盤組成?，F(xiàn)場火氣探測(cè)設(shè)備探測(cè)到可燃?xì)怏w泄漏或火災(zāi)時(shí)，發(fā)出信號(hào)給安全監(jiān)控系統(tǒng)，以聲光形式報(bào)警，提示操作人員確認(rèn)火情，啟動(dòng)全廠報(bào)警和消防系統(tǒng)，完成有關(guān)的緊急關(guān)斷?；饸馓綔y(cè)設(shè)備包括氣體探測(cè)器、火焰探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警站等。

有別于緊急關(guān)斷邏輯的失電停車，火氣監(jiān)控系統(tǒng)是加電消防輸出，平時(shí)火氣輸出回路是失電狀態(tài)，需要消防滅火操作時(shí)再帶電輸出。這與緊急關(guān)斷系統(tǒng)失電停車正好相反。

2.3 安全儀表系統(tǒng)因果圖設(shè)計(jì)

延長氣田凈化廠安全儀表系統(tǒng)因果表見表3。

表3 延長氣田凈化廠安全儀表系統(tǒng)因果表（部分）Tab.3 Cause-effect table of safety instrument system in natural gas disposal station of Yanchang gas field

除硬手操盤的緊急關(guān)斷/過程關(guān)斷按鈕外，所有停車輸入都需要維護(hù)超馳，其作用是用正常值取代實(shí)際輸入值，暫時(shí)拆除異常或不符合啟動(dòng)條件的停車輸入，短時(shí)間令指定的停車輸入不參與邏輯（但可以正常報(bào)警），待工藝條件具備或維護(hù)結(jié)束后，再恢復(fù)正常，由操作人員手動(dòng)解除超馳。ESD-1級(jí)關(guān)斷必須由操作人員判斷，人工確認(rèn)后手動(dòng)啟動(dòng)。ESD-2級(jí)關(guān)斷可由操作人員手動(dòng)啟動(dòng)（手操盤），也可自動(dòng)啟動(dòng)（工藝參數(shù)觸發(fā)），除能執(zhí)行本級(jí)關(guān)斷功能外，ESD-2級(jí)關(guān)斷將能觸發(fā)ESD-3級(jí)關(guān)斷。

3 結(jié)語

安全儀表系統(tǒng)是石化裝置降低風(fēng)險(xiǎn)最為有效的保護(hù)措施，是裝置運(yùn)行最重要的保護(hù)層。因此，在設(shè)計(jì)、選型、配置安全儀表系統(tǒng)時(shí)應(yīng)以可靠性、可用性、獨(dú)立性及故障安全為原則，選取合適的安全儀表系統(tǒng)，結(jié)合具體工程，設(shè)計(jì)合適的關(guān)斷因果邏輯，對(duì)控制裝置風(fēng)險(xiǎn)，降低非計(jì)劃停車有重大意義。

[1]GB/T 50770-2013.石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2013：9-14.

[2]劉瞻.石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013（3）：11-14.

[3]GB/T 50823-2013.油氣田及管道工程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2013：15-17.