大庆－锦西输油管道工程ESD系统的设计----The Design of ESD System for Daqing-jingxi Petroleum Pipeline--控制网



大庆－锦西输油管道工程ESD系统的设计----The Design of ESD System for Daqing-jingxi Petroleum Pipeline
企业：控制网 日期：2009-02-16
领域：人机界面 点击数：3389
　　陈国元（1970-）

　　男，辽宁省盘锦人，毕业于大庆石油大学机械制造自动化专业，工程师，长期从事石油化工自动化设计工作。

　　摘要：ESD系统是长输管道自动化系统的重要组成部分，本文对大庆－锦西原油管道工程ESD系统、水击超前保护的设计进行了阐述。

　　关键词：ESD；PLC；SCADA；RTU；SIL；水击超前保护

　　Abstract: The ESD system is very an important part for long distance Pipeline. The article expatiates the ESD system and the protection system for water hammer in long distance Pipeline.

　　Key words: ESD; PLC; SCADA; RTU; SIL; The Protection System for Water Hammer

　　1 概述

　　目前国内长输管道的紧急停车（ESD）系统大都依托长输管线各站场的站控系统，各站场的紧急关断设备信号与站场过程控制检测设备信号共同接入站控系统，在站控系统的设置上一般考虑了站控系统PLC的CPU、电源、通讯及部分关键设备I/0模块的冗余设置。各站控系统通过通讯网络把信号传入调控中心，构成整个管道的SCADA系统。由于各站场没有独立的ESD系统，事故发生时，紧急停车完全依赖于站控系统和手动执行，因此降低了ESD的可用度。根据对大庆－锦西输油管道联锁系统安全完整性水平（Safety Integrity Level, SIL）的评估，得出的结论认为大庆－锦西输油管道的各站场及线路应属于可能偶尔发生事故。如事故发生，对装置和产品有较大的影响，并有可能造成环境污染和人员伤亡，经济损失较大。根据《石油化工安全仪表系统设计规范》SH/T-3018-2003的规定，安全度等级确定为2级。根据规范要求，安全度2级应设立设置ESD系统，而且ESD系统的逻辑运算器应与过程控制系统分开，系统的检测控制设备宜与过长控制系统分开。并结合目前北京油气调控中心的管理模式，在大庆－锦西输油管道工程自控系统设计上确立了一种独特的设计模式。各站控系统改为由过程监控、ESD和火&气三个子系统构成。过程监控、ESD和火&气系统采用独立的专用PLC，分别用于采集和处理工艺控制信号，安全保护仪表信号和火灾&可燃气体信号。过程监控单元采用可靠性高，适应现场环境的可编程序逻辑控制器(PLC)。ESD和火&气控制单元采用专用PLC控制器，按SIL2 级设置。ESD子系统以只读方式把信号传输给站控系统，站控系统可对ESD所有信号进行监视，而当事故发生时，ESD系统独立进行控制，这样就大大提高了系统的可操作性及可用度。

　　由于长输管道的工艺特性，各站场的紧急停车会给全线的生产带来严重的危害，甚至会发生水击；同样，水击的发生也需要各站场采取相应的措施来避免危害的发生和扩散。因此，结合这些特点，在沈阳调控中心单独设置一套专用PLC，通过单独的通讯信道与各站场ESD系统连接，构成全线紧急停车(ESD)及水击超前保护系统。

　　2 大庆－锦西原油管道自控系统的组成

　　大庆-锦西原油管道工程包括1条干线管道和1条支线管道。其中干线起自大庆林源经铁岭止于锦西，线路沿途共经过3省8市，自北向南依次为大庆市、松原市、长春市、四平市、铁岭市、沈阳市、锦州市、葫芦岛市。大庆-铁岭段设计输量为3000x104t/a，管径Φ914mm，管道基本沿庆-铁线并行；铁岭-锦西段设计输量为1000x104t/a，管径Φ610mm，管道基本沿铁-秦线并行敷设至葫芦岛末站。干线管道全长866km、设计压力8.0MPa，共设7座站场(林源首站、新庙清管站、农安泵站、梨树清管站、铁岭分输站、黑山泵站、锦西末站),11座远控阀室和8座阴极保护站(除6#、7#阴极保护站外其它站与站场合建)。支线管道起自干线管道的范家屯分输站，止于双阳末站。支线设计输量为200x104t/a，线路全长66km，设计压力6.3MPa，管径Φ323.9mm，共设站场2座。

　　管道全线的日常运行管理、维护和抢修由大庆、长春、沈阳和锦州输油公司负责。

　　根据大庆-锦西原油管道的工艺特点，分别在林源首站、农安泵站、范家屯分输站、铁岭站、黑山泵站、锦西末站、双阳热泵站采用工艺站场控制系统，在各远控阀室设置远程终端装置（RTU）。全线的数据将通过光缆和公网备用信道传至北京油气调控中心和廊坊备用调控中心，从而构成整个管道的监控与数据采集系统 (SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition System)。各站控系统由过程监控、ESD和火&气三个子系统构成。ESD系统和火&气系统是相对独立的控制系统，与过程控制系统分开。各远控阀室RTU信号根据其管理区域划分，传入就近站场站控系统的ESD子系统中。



表1   各工艺站场设SCADA系统的站控系统（SCS）



表2   各远控阀室设RTU

　　大庆－锦西原油管道SCADA 系统结构如图1所示。



图1 SCADA 系统结构图


　　3 站控ESD子系统

　　3.1 各站控ESD子系统的设置原则

　　(1) ESD系统独立于过程控制系统，独立完成安全保护功能。

　　(2) 当过程达到预定条件时，ESD系统动作，使被控制过程转入安全状态。

　　(3) 本工程ESD系统的安全度等级按SIL2级设计。

　　(4) ESD系统具有硬件和软件诊断和测试功能。

　　(5) ESD系统的检测单元、最终执行单元独立设置。

　　(6) ESD系统设置独立于逻辑运算器的手动设施，直接操作最终执行单元。

　　3.2 各站控ESD子系统的配置

　　ESD系统应具有相应的安全等级认证(建议优先采用TUV认证)。ESD系统的逻辑运算器由可编程序控制器(PLC)构成，其中央处理单元、电源、通讯系统冗余配置。

　　硬件：主要由处理器CPU、I/O系统、网络通信系统、电源、安装附件等构成。

　　软件：程序编程软件、用户应用软件等。

　　3.3 ESD系统的逻辑说明

　　ESD系统的保护等级分为全线ESD保护、单元(站场或远控截断阀室)ESD保护和设备(输油泵等)ESD保护。

　　ESD系统的保护动作分为手动触发和自动触发两种模式。无论ESD命令从何处下达及站控系统处于何种操作模式，ESD控制命令具有最高优先级，可直接到达被控设备，并按逻辑要求进行动作。所有设备执行ESD动作后，将闭锁，只能在现场人工复位后才能再次启动。为了保证设备检修等代来的影响不干扰ESD系统，各ESD系统的保护动作具有维护屏蔽功能。经过不同级别的授权后，SCADA系统将传输维护屏蔽信号(MOS)至站场紧急停车系统，屏蔽相应的设备。只有站场紧急停车系统的维护屏蔽使能开关(MOES)处于触发状态时，SCADA系统的MOS才起作用。

　　全线ESD保护触发条件：

　　(1) 全线ESD按钮动作(如发生火灾或管道破裂后大量原油泄漏)。

　　(2) 全线ESD系统自动触发(如单元ESD保护动作或远控截断阀事故关断等)。

　　单元ESD保护触发条件：

　　(1) 从全线紧急停车(ESD)及水击超前保护系统发出的ESD命令。

　　(2) 单元ESD按钮动作(如：站场发生火灾等)。

　　(3) 单元ESD系统自动触发(如：出站阀事故关断等)。

　　设备ESD保护触发条件：

　　(1) 从全线紧急停车(ESD)及水击超前保护系统发出的ESD命令。

　　(2) 单元ESD发出的ESD命令。

　　(3) 设备ESD按钮动作。

　　(4) 设备ESD自动触发(如输油泵的温度、振动、轴封泄漏等参数超限、进出站压力超限等)。

　　4 全线紧急停车(ESD)及水击超前保护系统

　　4.1 全线紧急停车（ESD）

　　由于整个管线是一个有机的整体，任何一个控制单元(站场或远程截断阀室)的紧急停车会立刻影响到上下游，发生水击，整个管线的控制单元必须协调一致，避免危险扩散，造成巨大的损失。基于这方面的特点，并结合整个管道的管理权限划分，通过在沈阳调控中心单独设置一套上位ESD管理系统，通过单独的通讯信道与各站场ESD系统和远程截断阀RTU连接，来实现全线紧急停车(ESD)。

　　4.2 水击超前保护

　　大庆-锦西原油管道落差较大,采用密闭输送流程，泵站站距远，工况复杂。根据工艺专业对站场进出口、RTU阀误关断，各站场泵机组非正常停泵，各站场计划外停电、各站场着火4 种意外情况的研究结论，编制出相应的措施，通过沈阳调控中心设置的上位ESD管理系统，通过单独的通讯信道与各站场ESD系统连接，来执行管线的水击超前保护程序，避免水击的发生，减少管道全线停输的可能性及保证全线管道不会出现超压破裂的事故。



图2   全线紧急停车及水击超前保护系统结构图


　　5 结束语

　　通过以上叙述，介绍了大庆－锦西原油管道工程ESD系统的构成，通过各站场ESD子系统、通讯网络及上位ESD管理系统来构成全线ESD及水击超前保护系统，保证了ESD系统的可靠性和整个输油管道SCADA系统的完整性。

　　参考文献

　　[1] IEC61508，电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全，国际电工学会[S].

　　[2] GB/T 20438-2006, 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全[S].

　　[3] SH/T 3018-2003 ,石油化工安全仪表系统设计规范[S]
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