王建国（1970－）

男，河南卫辉人，工程师，现任中海广东天然气有限责任公司生产技术部副经理，从事天然气管道运行管理和技术管理工作。





1 引言

    天然气的特性之一是易燃易爆。随着天然气应用的突飞猛进，天然气输气管道遍布城乡，在给广大人民群众带来方便、清洁能源的同时，安全隐患也一并带来，ESD系统在天然气管道的应用就显得十分重要了。

2 ESD（紧急停车系统）系统

2.1 定义

    ESD是英文Emergency Shutdown Device紧急停车系统的缩写。这是一种经过专门机构认证，具有一定安全等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。ESD系统不仅能够响应生产过程因超过安全极限带来的风险，而且能够监测和处理自身的故障，从而按照预定的条件和程序，使生产过程处于安全状态，确保人员、设备和周边环境的安全。从20世纪90年代发展以来，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评。

    ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于SCADA系统，其安全级别高于SCADA系统。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

2.2 ESD系统的结构组成

    随着控制技术、通信技术和计算机技术的发展，系统集成度不断提高，ESD系统的设备组成也经历了一个有低到高，由简单到复杂的演变过程。但基本结构不变，依然是由检测单元、控制单元和执行单元组成[2]，如图1所示。

     

                                  图1   ESD系统组成图

2.2.1 检测单元

    采用多台仪表和系统，将控制功能和安全连锁功能隔离，使ESD系统和过程控制系统实现物理隔离。

2.2.2 控制单元

    包括输入模块、逻辑运算模块和输出模块三部分，根据输入模块输入的信息自动进行周期性故障诊断。基于自诊断测试的ESD仪表系统，一般具有特殊的硬件配置，用过安全性诊断测试技术来保证其安全性。

2.2.3 执行单元

    属于ESD系统中危险性最高的设备，一般为阀门或机构。由于ESD系统工作正常时执行单元为静态。只要ESD系统中输出不变，则执行单元将一直保持在原有状态不变。因此，执行单元的可靠性则对ESD系统的可靠性带来极大的影响。

2.3 ESD系统的设计原则

2.3.1 ESD 系统的设计应遵循以下原则

   (1) 一般要独立于过程控制，单独设置；
   (2) 减少中间环节，较少响应时间；
   (3) 采用故障安全型；
   (4) 采用冗余容错结构。

2.3.2 ESD系统的故障安全原则

    故障安全原则是指当内部或外部原因使ESD系统紧急停车失效时，被保护的对象应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态。

2.3.3 ESD系统的冗余容错

    冗余是指为实现同一功能，使多个相同功能的模块或部件相并联，可以自动监测设备故障，自动切换到后备设备上。
容错是指功能模块在出现错误和故障时，可以继续执行特定功能的能力。通俗讲是指对失效的控制系统元件进行识别和补偿，并更够在继续完成指定的任务、不中断过程控制的情况下进行修复的能力。容错一般通过冗余和故障屏蔽来实现。
容错系统一定是冗余系统，而冗余系统则不一定是容错系统。

2.3.4 ESD系统的安全完整性(Safety integrity)

    安全完整性是指在规定的条件下、规定的时间内，安全系统成功实现所要求的安全功能的概率。这一定义着重于安全系统执行安全功能的可靠性。在确定安全完整性过程中，应包括所有导致非安全状态的因素，如随机的硬件失效，软件导致的失效以及由电气干扰引起的失效，这些失效的类型，尤其是硬件失效可用测量方法来定量，如在危险模式中的失效和系统失效率，或按规定操作的安全防护系统失效的概率。

    安全完整性等级（SIL 1、2、3和4）提供了系统性能的衡量方式：等级越高，安全性能越好，也就是说所要求的出现错误的可能性就越小。 
   
    一般情况下，许多最终用户指定使用达到SIL3等级的冗余逻辑解算器。目前，有多家厂商的安全可编程逻辑控制器经认证达到SIL3等级。然而，仅用这些安全可编程逻辑控制器是无法建立一个SIL3系统的。

    表1为关于现场设备硬件故障容差需要的安全完整性水平统计表中，从中可以看出：将实现冗余的逻辑解算器与非冗余的现场设备一起使用，其结果可能只达到了SIL1系统，因为一根链条的强度取决于它最薄弱环节的强度。

                表1   现场设备硬件故障容差需要的安全完整性水平统计表

     

    一个真正的SIL3系统通常要求有三重变送器、三重（三选二）或1002D（带自诊断的二选一）的逻辑解算器和系列的三联阀门或是系列的复式双联阀门，增加了SIL-3系统的投资。另外，要考虑到如保险、供应、维护等操作因素，系统全寿命成本会更高。相比较而言，典型的SIL-2系统用不太复杂的逻辑解算器和根据应用类型选择的单独或双重变送器和阀门，比较适合要求不太严格、生产流程比较简单的生产环境。

3 ESD系统的应用

3.1 珠海—中山天然气管道简介

    珠海—中山天然气管道始建于2005年1月，2006年2月12日投产。它的气源是珠江口的番禺、惠州海上气田。整个管道工程包括一条干线和两条支线，将天然气输送到珠海、中山两市，向电厂和两个城市用户提供天然气，设计输气量19×108标方/a。 全线共有站场5座，阀室5座，调度中心1座，位于南屏分输站内。管网系统图见图2。

     

                                    图2   管网系统图

3.2 珠海—中山天然气管道ESD系统

    通过招标，选定横河公司的Prosafe PLC作为紧急停车系统。横河公司Prosafe PLC主要特点如下：

    ●  故障安全特性和保护输出，支持安全保护功能，防止非法操作；

    ●  卡笼冗余既保证系统的高可用性，又避免了公共部分故障对系统的伤害；

    ●  Prosafe-PLC 系统有两种通讯总线，即MODULBUS 和 IOBUS。MODULBUS用于控制卡件之间的通讯，IOBUS 用于 I/O 卡与 CPU卡以及I/O卡之间的通讯。CPU卡和所有I/O卡件的高深度自检，并都支持带电插拔，在线更换卡件；

    ●  所有卡件都带卡件识别器，防止卡件插错位置；

    另外，横河工业安全系统Prosafe PLC 获得的国际机构认证如下：

    ●  DIN V 19250 class AK 4-6 TV 认证；

    ●  IEC61508 SIL 3级认证；

    ●  FM 、CSA和ABS关于Class 1 Div 2 危险区的认证；

    ●  CE 关于EMC 电磁干扰的认证；  

3.2.1 站场ESD的应用

    现以洪湾分输站PID为例介绍一下输气站场的ESD应用。

    洪湾分输站流程简图见图3，洪湾分输站站控系统结构及组成见图4。
　　
　  　　
　　
                               图3   洪湾分输站流程简图

     

                          图4   洪湾分输站站控系统结构及组成


    洪湾分输站从珠海—中山天然气管道干线接气，设置进站电动球阀（阀1）。天然气首先经过过滤、计量，再经过调压后外输到下游用户（珠海城市燃气），出站设置出站电动球阀（阀7），全站为一级调压。

    站场生产的主要事故隐患为调压橇失效，导致出站压力升高，对站内设备和下游用户造成设备损坏和人身伤害。

    调压装置采用橇装结构，两路配置，一用一备。每路（以A路为例）调压橇有电动球阀（阀A2）、紧急切断阀（阀A3）、监控调压阀（阀A4）、工作调压阀（阀A5）、手动球阀（阀A6）、3台压力变送器（PT A1～A3）及其它附件组成。  
    在调压橇失效时，调压橇后压力升高，一旦压力高于设定压力，3台压力变送器将报警，ESD系统将根据“三取二”的原则进行判定，报警有效时，将通过ESD系统关断进站电动球阀（阀1）、调压橇电动球阀（阀A2、阀B2）和出站电动球阀（阀7），以保证站场和下游用户的安全。

    另外，在站场发生天然气泄漏和火灾时，可燃气体检测仪和火焰报警器将报警通知站场值班人员，值班人员确认后，通过ESD手动柜关断进站电动球阀（阀1）、调压橇电动球阀（阀A2、阀B2）和出站电动球阀（阀7），以保证站场和周边环境的安全。

    另外，为保证安全，ESD系统的执行机构（关断阀门）只能够远程关断而不能够远程开启。

3.2.2  调度中心ESD系统

    调度中心设置ESD手动柜，调度员在发生事故或需要时，启动ESD手动柜上的关断按钮，通过SCADA系统服务器及相应站场的紧急关断（ESD）PLC，对相应站场的相关阀门发出关断指令，关断阀门[3]。

4 结语
 
    天然气输气管道运行的事故隐患主要是压力超高、天然气泄漏及火灾造成的二次事故。相对而言，造成生产运行停车的因素较少，处理方式都是关断ESD阀门，进行站场隔离和放空。因此，ESD系统的控制内容就是确保压力超高时的紧急停车，保护站场和下游用户的人身和财产安全。ESD系统的检测单元为“三选二”，达到了SIL3级的检测水平，执行机构则为顺序单件设置，起到了很好的保护作用。另外，ESD系统的PLC独立于过程控制，与HM界面合二为一的设置，既保证了ESD系统的独立性，又降低了设备投资。在实施时采用ESD手动柜，可以确保外部环境对管道运行带来危害（天然气泄漏和火灾）时，操作人员可以手动操作，确保安全。两年多的应用情况表明：系统工作正常，起到了安全保护的作用，投资省、操作灵活，具有推广价值。

参考文献:

[1] 王霆,范玉佩,江秋林.可编程控制器与紧急停车系统[M]. 北京：化学工业出版社.2006.　

[2] 张德泉．集散控制系统原理及其应用[M]．北京：电子工业出版社．2007.

[3] 于庆广等．可编程控制器原理及系统设计[M]．北京：清华大学出版社．2004.