成品油管道站場安全儀表功能分析及改進(jìn)措施

李彥剛，陳井軍

(中國石化銷售股份有限公司華中分公司,湖北武漢 430023)

輸油泵站作為整個成品油管輸系統(tǒng)的樞紐，是保障整個輸油系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵部分。輸油站通常具有正輸、反輸、加壓、分輸?shù)榷鄠€工藝流程，自動化程度高，同時涉及高壓、易燃、易爆油品，一旦輸油站場發(fā)生事故，都將引發(fā)極其嚴(yán)重的后果。輸油站遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作是日常運行中的常見事故，輸油管道干線閥門突然關(guān)閉，上游站場持續(xù)供油，水擊壓力反復(fù)疊加會導(dǎo)致管線破裂。站場安全儀表系統(tǒng)在設(shè)計時要考慮這一點，設(shè)計合理的功能保護(hù)措施。

1 過程控制系統(tǒng)與安全儀表系統(tǒng)

成品油管道工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的兩種系統(tǒng)為過程控制系統(tǒng)(SCADA)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場運行設(shè)備及其工況的監(jiān)督和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、狀態(tài)檢測、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等多項功能；SIS系統(tǒng)主要針對控制系統(tǒng)中報警和聯(lián)鎖部分，對控制系統(tǒng)中的檢測結(jié)果實施報警動作或調(diào)節(jié)或停機控制，是自動控制中的重要組成部分，包括傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件[1]。

SIS系統(tǒng)可以監(jiān)測生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的或者潛伏的危險，發(fā)出報警信息或直接執(zhí)行預(yù)定程序，立即進(jìn)入操作，防止事故的發(fā)生，以降低事故帶來的危害及其影響。成品油管道常用的安全儀表系統(tǒng)有:緊急截斷系統(tǒng)(ESD)、高高液位報警系統(tǒng)、過壓保護(hù)系統(tǒng)、超前水擊保護(hù)系統(tǒng)等。

SCADA系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)都屬于控制系統(tǒng)，控制對象均為生產(chǎn)過程，并且具有相似的物理結(jié)構(gòu)，都是是由傳感器、控制器和執(zhí)行器組成。

SCADA系統(tǒng)主要面向生產(chǎn)過程控制，它的作用是對生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，保障生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行，其本身的安全等級及降低風(fēng)險的能力均較低。SIS系統(tǒng)是保障工藝過程安全的裝置，當(dāng)工藝過程由于一些原因發(fā)生異常，SIS系統(tǒng)按照預(yù)定的控制邏輯發(fā)出控制指令，阻止工藝過程繼續(xù)向危險的趨勢發(fā)展，起到保障安全的作用[2]。SIS系統(tǒng)本身的安全等級要求較高，所采用的設(shè)備均要經(jīng)過SIL(安全完整性等級)認(rèn)證，具有降低高風(fēng)險的能力[3]。

2 SIS系統(tǒng)功能分析

成品油管道SIS系統(tǒng)組成主要有:油氣火災(zāi)報警系統(tǒng)、緊急截斷系統(tǒng)(ESD)、高高液位報警系統(tǒng)、過壓保護(hù)系統(tǒng)、超前水擊保護(hù)系統(tǒng)等。輸油站需要SIS系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作保護(hù)功能主要有兩種邏輯:截斷進(jìn)出站閥并停輸油泵組或調(diào)節(jié)出站調(diào)壓閥及輸油泵組出口閥。

針對輸油管道站間遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作這一輸油站常見事故，對SIS系統(tǒng)安全功能進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該SIS系統(tǒng)的傳感器部分僅包括壓力變送器PT101-PT103，遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作，導(dǎo)致管道產(chǎn)生水擊波，上下游站場的進(jìn)出站的壓力變送器獲取水擊波的信號，壓力變送器將該信號傳送給邏輯控制器。經(jīng)邏輯控制器處理后輸出的信號傳送到出站調(diào)壓閥307，出站調(diào)壓閥307通過改變閥門開度將泵組壓力截在站內(nèi)，同時通過調(diào)節(jié)泵組出口閥403，降低泵組的揚程。這樣將泵組外輸?shù)膲毫刂圃谡緝?nèi)，避免水擊波的疊加，實現(xiàn)水擊保護(hù)。

圖1 遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作水擊保護(hù)

從整個SIS系統(tǒng)的信號流向來看，傳感器、邏輯控制器與執(zhí)行器三部分為串聯(lián)關(guān)系，邏輯控制器輸出信號調(diào)節(jié)調(diào)壓閥及泵組出口閥兩個閥門，任何一個閥門執(zhí)行機構(gòu)故障都會導(dǎo)致安全功能不能完成，所以執(zhí)行器也為串聯(lián)關(guān)系。該邏輯結(jié)構(gòu)采用2∞3的冗余表決結(jié)構(gòu)，3個獨立的傳感器，3個獨立通道構(gòu)成兩兩串聯(lián)的輸出結(jié)構(gòu)。當(dāng)有兩傳感器或通道發(fā)生危險失效時，系統(tǒng)發(fā)生危險失效;當(dāng)有兩傳感器或通道發(fā)生安全失效時，系統(tǒng)發(fā)生安全失效。該結(jié)構(gòu)兼顧了安全性與可用性，適用于兩者都要求較高的情況。

輸油站場安全儀表失效事件中，執(zhí)行器的失效率最高，占了絕大部分，高達(dá)89%，其次是傳感器，邏輯控制器所占比例最小。通過對輸油站場SIS系統(tǒng)進(jìn)行了失效分析，結(jié)果表明:邏輯控制器的可靠性最高，執(zhí)行器的可靠性最低。

3 改進(jìn)措施

成品油長輸管道的遠(yuǎn)控閥室與輸油泵站間一般為光纜通信或租用鏈路，通信保障情況良好。在遠(yuǎn)控閥室電動執(zhí)行機構(gòu)動作的信號可以實時傳輸至輸油泵站SCADA系統(tǒng)，且裝有差壓變送器。在原有邏輯的進(jìn)行修改上，并將遠(yuǎn)控閥室內(nèi)差壓及執(zhí)行機構(gòu)動作信號的納入SIS系統(tǒng)邏輯，遠(yuǎn)控閥室差壓變送器壓力差超過某個數(shù)值時，且在有限的時間段內(nèi)，執(zhí)行機構(gòu)非全開狀態(tài)，此時判斷遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作。此時，遠(yuǎn)控閥室的上下游站場SIS系統(tǒng)保護(hù)邏輯同時觸發(fā)，上站進(jìn)行調(diào)壓及順序停泵，下站進(jìn)行關(guān)閉進(jìn)站執(zhí)行機構(gòu)的邏輯，保障管道內(nèi)壓力，避免形成液柱分離的情況。但考慮通信異常的情況及水吉波傳輸?shù)臅r間，同時為了保證輸油工況的穩(wěn)定，在SIS系統(tǒng)保護(hù)邏輯上做延時，避免湍流狀態(tài)下導(dǎo)致SIS系統(tǒng)保護(hù)邏輯觸發(fā)，經(jīng)水力分析后，對原SIS系統(tǒng)保護(hù)邏輯進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 SIS邏輯改進(jìn)措施

經(jīng)SIS功能及水力分析后，改變原SIS邏輯，分為遠(yuǎn)控閥室通信正常及中斷兩種情況，通信正常情況下，遠(yuǎn)控閥室差壓變送器壓力差持續(xù)2 s超過0.5 MPa，且執(zhí)行機構(gòu)全開狀態(tài)，此時判斷遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 通信正常情況下SIS邏輯

通信中斷情況下，將原有觸發(fā)邏輯增加延時，遠(yuǎn)控閥室上游站場的2∞3的冗余表決結(jié)構(gòu)觸發(fā)邏輯延時5 s關(guān)閉出站執(zhí)行器301，調(diào)小調(diào)壓執(zhí)行器307，并順序停泵，遠(yuǎn)控閥室下游站場進(jìn)站的2∞3的冗余表決結(jié)構(gòu)觸發(fā)邏輯延時5 s關(guān)閉進(jìn)站執(zhí)行器401，如圖3所示。

圖3 通信中斷情況下SIS邏輯

3.2 執(zhí)行器改進(jìn)措施

對SIS系統(tǒng)失效率采用Markov Model(馬爾科夫模型)[4]進(jìn)行平均PFD(危險失效率)與PFS(安全失效率)的計算，已驗證現(xiàn)有配置所能達(dá)到的SIL等級。結(jié)果如表1所示。

從各部分PFD對最終SIL等級的影響看，執(zhí)行器所占比重最大，為95%，可見，執(zhí)行器是對SIL等級影響最大的部分。傳感器在各SIF中的平均比重為3.26%，邏輯控制器在所有SIF中，比重均小于2%，所以邏輯控制器對SIL等級影響最小。從PFD的計算結(jié)果可以看出，執(zhí)行器將對安全生產(chǎn)帶來隱患。針對不能滿足SIF要求的設(shè)備，需要認(rèn)真分析原因，找到影響SIL等級的關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)。主要有3方面的措施：改變功能測試周期、改進(jìn)系統(tǒng)冗余表決結(jié)構(gòu)與提高單個設(shè)備可靠性。改進(jìn)系統(tǒng)冗余表決結(jié)構(gòu)與提高單個設(shè)備可靠性費用較高，一般不采用，本文推薦采用改變功能測試周期的措施，降低執(zhí)行器的失效率。

表1 PFD與PFS計算結(jié)果

經(jīng)過驗證，將執(zhí)行器的功能測試周期由1年縮短為3個月，執(zhí)行器失效率降低至原失效率的20%，可大大提高可靠性。

4 結(jié)論

a) 針對長輸管道輸油泵站SIS系統(tǒng)遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)誤動作的安全儀表系統(tǒng)保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，將遠(yuǎn)控閥室執(zhí)行機構(gòu)及差壓信號引入SIS系統(tǒng)，并做通信是否異常的判斷，進(jìn)一步提升安全儀表系統(tǒng)的可靠性。

b) 對現(xiàn)有配置進(jìn)行SIL等級驗證，找到薄弱環(huán)節(jié)為執(zhí)行器，縮短對執(zhí)行器的功能測試周期，降低執(zhí)行器失效的概率，提高可靠性。