在高酸性氣田的開發(fā)中，作為生產(chǎn)過程最關(guān)鍵、最穩(wěn)固的最后一道安全防線，緊急關(guān)斷(ESD)可在發(fā)生事故的情況下確保人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，將事故造成的影響減到最小[1]。以圖1所示酸性氣田集輸過程為例，各井場(chǎng)氣井產(chǎn)出的高含硫天然氣經(jīng)兩級(jí)節(jié)流和加熱后進(jìn)行適度脫水處理，然后進(jìn)入生產(chǎn)匯管和計(jì)量匯管計(jì)量后輸送至過站集氣管線，遠(yuǎn)程輸送至集氣末站，最后去天然氣凈化廠進(jìn)行脫硫、脫碳處理。ESD通過對(duì)天然氣氣田集輸過程中的關(guān)鍵參數(shù)(壓力、溫度、液位、流量、開關(guān)及可燃/有毒氣體探測(cè)設(shè)備)的工作狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，檢測(cè)其相對(duì)于預(yù)定安全操作條件的變化。當(dāng)所檢測(cè)的過程變量超過其安全限定值時(shí)，ESD系統(tǒng)立即對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行操作[2]，也就是對(duì)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施自動(dòng)關(guān)斷，力爭將生產(chǎn)過程設(shè)置成安全的狀態(tài)，使發(fā)生惡性事故的可能性降到最低。為此，對(duì)高含硫氣田集輸ESD系統(tǒng)及其聯(lián)鎖提出了安全控制技術(shù)要求及分級(jí)方案。
X3Z天然氣（煤層氣）與管道網(wǎng)
1 緊急關(guān)斷ESD總體方案
1.1 酸性氣田集輸系統(tǒng)關(guān)斷方案設(shè)計(jì)原則
1.1.1 分級(jí)關(guān)斷
根據(jù)國外酸性氣田安全控制實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)酸性氣田實(shí)際情況，ESD緊急關(guān)斷系統(tǒng)可分為4個(gè)等級(jí)：0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)關(guān)斷。氣體緊急關(guān)斷應(yīng)遵從分級(jí)啟動(dòng)原則，同時(shí)，當(dāng)啟動(dòng)高級(jí)關(guān)斷時(shí)，應(yīng)按預(yù)置的時(shí)間順序自動(dòng)啟動(dòng)低級(jí)關(guān)斷(啟動(dòng)1級(jí)關(guān)斷，則2、3級(jí)關(guān)斷自動(dòng)啟動(dòng))。
1.1.2 ESD系統(tǒng)設(shè)計(jì)成故障安全、容錯(cuò)型自動(dòng)化系統(tǒng)
安全控制系統(tǒng)本身必須是故障安全型的(Fail to Safe)[3～4]，控制器要求采用3重冗余結(jié)構(gòu)。緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則應(yīng)確保：某一級(jí)別的關(guān)斷指令不會(huì)引起較高級(jí)別的關(guān)斷，只能引起本級(jí)及所有較低級(jí)別的關(guān)斷。對(duì)于系統(tǒng)的所有關(guān)斷，只有手動(dòng)復(fù)位后方可恢復(fù)生產(chǎn)。
1.1.3 ESD與DCS獨(dú)立設(shè)置
DCS只控制裝置的生產(chǎn)過程，其通訊系統(tǒng)復(fù)雜、掃描速率低、故障概率高[5]。因此不宜采用DCS作為裝置緊急停車的關(guān)斷工具，ESD和DCS應(yīng)該分開、獨(dú)立設(shè)置，即ESD的檢測(cè)元件、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，關(guān)鍵部位的溫度、壓力、流量、液位等檢測(cè)儀表不宜采用機(jī)械式儀表。變送器宜采用模擬信號(hào)，當(dāng)采用智能變送器時(shí)，在操作站上應(yīng)設(shè)置修改現(xiàn)場(chǎng)儀表有關(guān)參數(shù)的加密技術(shù)。ESD系統(tǒng)檢測(cè)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)置要根據(jù)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性、可用性和可維護(hù)性的總體要求來配置。
1.1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)保證事故應(yīng)急關(guān)斷高度可靠，但要盡量降低不必要的噪擾導(dǎo)致關(guān)斷的可能性
鑒于酸性氣田集輸系統(tǒng)的危險(xiǎn)特性，建議每個(gè)系統(tǒng)配置2個(gè)PLC系統(tǒng)，每個(gè)都有獨(dú)立的電源、中央處理器和輸入輸出模塊。切換開關(guān)可以指定其中1個(gè)為主PLC，另1個(gè)為副PLC，2套PLC有相同的執(zhí)行程序、輸入和輸出，工作獨(dú)立、同步運(yùn)行。PLC執(zhí)行診斷程序監(jiān)測(cè)運(yùn)行是否正常。2個(gè)PLC由通訊模塊連接，當(dāng)1個(gè)失效后，另1個(gè)可順利接替。
只要涉及I/O系統(tǒng)，應(yīng)考慮下列措施：
1) 每個(gè)輸入應(yīng)連接到2個(gè)PLC的輸入模塊。
2) 輸出負(fù)載(繼電器或電磁線圈)連接2個(gè)互補(bǔ)類型(真高或真低)的輸出模塊。1個(gè)聯(lián)到PLC1，另1個(gè)聯(lián)到PLC2，2個(gè)模塊在正常條件下都是“開”狀態(tài)。
定期對(duì)輸出模塊進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，防止事故狀態(tài)下模塊發(fā)生故障[6]。
每個(gè)控制器通過對(duì)比和邏輯檢查產(chǎn)生1個(gè)關(guān)斷。單個(gè)錯(cuò)誤的輸入/輸出模塊或處理器不能導(dǎo)致關(guān)斷。當(dāng)僅有1個(gè)控制器要求關(guān)斷時(shí)，可啟動(dòng)2選1的表決系統(tǒng)進(jìn)行判斷，或使用4選3的表決系統(tǒng)進(jìn)行判斷，都可以有效降低錯(cuò)誤關(guān)斷動(dòng)作概率。
當(dāng)檢測(cè)到任何失效時(shí)應(yīng)如下操作：
1) 運(yùn)行低壓的自由接觸點(diǎn)，允許外部監(jiān)測(cè)和報(bào)警。
2) 使故障單元自動(dòng)與系統(tǒng)切斷，防止危害系統(tǒng)。
1.2 火災(zāi)、氣體探測(cè)器及消防系統(tǒng)技術(shù)要求
火災(zāi)及氣體探測(cè)器是啟動(dòng)緊急關(guān)斷的信息來源，針對(duì)酸性氣田特點(diǎn)，其主要技術(shù)要求如下：
1.2.1 安裝位置
氣體探測(cè)器應(yīng)安裝在集氣站場(chǎng)內(nèi)所有可能的泄漏源附近及站場(chǎng)(閥室)操作室等處。應(yīng)結(jié)合氣體探測(cè)器的性能要求合理規(guī)劃探測(cè)器位置及分布密度。考慮到酸性氣田特點(diǎn)，重點(diǎn)在易泄漏部位即低洼積聚處布置探測(cè)器。
1.2.2 探測(cè)器及消防響應(yīng)技術(shù)要求
1) 單一H2S、CH4氣體探測(cè)傳感器可用于發(fā)現(xiàn)輕微泄漏氣體，發(fā)出警報(bào)。
2) 可探測(cè)2種氣體的復(fù)合探測(cè)傳感器發(fā)出氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)，開啟電動(dòng)(柴油)水泵，也可在適當(dāng)時(shí)開動(dòng)水噴淋系統(tǒng)。
3) 單一的煙霧、火焰(熱輻射)探測(cè)信號(hào)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警及遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)。
4) 復(fù)合煙霧、火焰(熱輻射)探測(cè)器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警或遠(yuǎn)程信號(hào)，啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備，開啟電動(dòng)(柴油)水泵，關(guān)閉防火閥，啟動(dòng)水噴淋系統(tǒng)。
5) 易碎球熱量探測(cè)器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警，運(yùn)行相關(guān)水噴淋系統(tǒng)，電動(dòng)(柴油)泵啟動(dòng)，啟動(dòng)2級(jí)關(guān)斷。
6) 人工啟動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)水噴淋系統(tǒng)時(shí)，啟動(dòng)消防泵，并發(fā)出遠(yuǎn)程信號(hào)。
7) 電動(dòng)(柴油)泵必須有熱備用(1臺(tái)故障，另1臺(tái)馬上啟動(dòng))，啟動(dòng)時(shí)可以就地或遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)，但是關(guān)閉時(shí)應(yīng)只能采用就地關(guān)閉方式。
2 3級(jí)關(guān)斷(ESD-3)
3級(jí)關(guān)斷(ESD-3)為局部工藝流程和設(shè)備的最低級(jí)關(guān)斷，關(guān)斷由工藝流程系統(tǒng)局部故障或生產(chǎn)系統(tǒng)的重要裝置故障引起，根據(jù)有關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行判斷。此級(jí)關(guān)斷僅關(guān)斷故障部位，不會(huì)影響其他設(shè)備的正常操作。3級(jí)關(guān)斷為不泄壓關(guān)斷，只包括簡單的過程工藝(如果管道超壓可能破裂，就應(yīng)當(dāng)關(guān)閉該管線上的閥門)。關(guān)斷不由關(guān)斷PLC系統(tǒng)執(zhí)行，而由設(shè)備程序器PLC控制。
3 2級(jí)關(guān)斷(ESD-2)
2級(jí)關(guān)斷(ESD-2)為集氣站內(nèi)高含硫天然氣泄漏或其他事故激發(fā)的站級(jí)關(guān)斷，可觸發(fā)2、3級(jí)關(guān)斷。關(guān)斷由站內(nèi)局部發(fā)生的氣體監(jiān)測(cè)事故引起，根據(jù)有關(guān)的監(jiān)測(cè)信號(hào)和數(shù)據(jù)通訊信號(hào)報(bào)警進(jìn)行判斷[7]。2級(jí)關(guān)斷為站場(chǎng)內(nèi)局部工藝關(guān)斷(但儀表系統(tǒng)不關(guān)斷)，可以手動(dòng)或自動(dòng)激發(fā)啟動(dòng)可能受影響的工藝裝置區(qū)域進(jìn)行完全關(guān)斷，該級(jí)關(guān)斷僅控制分離裝置和附屬設(shè)備，包括分離器組和氣體處理裝置，通常對(duì)受影響部分裝置的工藝不產(chǎn)生降壓。
如在集氣站內(nèi)局部發(fā)生泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警，因酸性氣田氣體富含H2S，2級(jí)關(guān)斷方案要求啟動(dòng)工藝設(shè)備關(guān)斷[8]，同時(shí)，在站內(nèi)可能發(fā)生泄漏的地點(diǎn)布置氣體探測(cè)器(如條件允許同1位置可布置2種不同監(jiān)測(cè)原理的傳感器，邏輯信號(hào)為2選1)，當(dāng)相鄰2處氣體監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)天然氣濃度達(dá)到其爆炸下限的20%或60%時(shí)，在站場(chǎng)控制室和氣田控制中心的應(yīng)急監(jiān)控操作面板處都會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，啟動(dòng)相應(yīng)安全設(shè)備的2級(jí)關(guān)斷操作(3級(jí)關(guān)斷由設(shè)備自動(dòng)保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng))。
氣體處理裝置的2級(jí)關(guān)斷能動(dòng)作所有氣體和冷卻壓縮機(jī)，并從附屬設(shè)施和分離器上關(guān)閉干線的截止閥。另外，只有在氣體處理裝置2級(jí)關(guān)斷后，操作人員才能手動(dòng)對(duì)氣體處理裝置進(jìn)行降壓。
應(yīng)注意的是，完成2級(jí)關(guān)斷的時(shí)間應(yīng)迅速，以盡量控制氣體泄漏、火災(zāi)的發(fā)生。如果關(guān)斷目標(biāo)沒有完成，應(yīng)有報(bào)警信號(hào)。
4 1級(jí)關(guān)斷(ESD-1)
4.1 1級(jí)關(guān)斷(ESD-1)的引發(fā)條件
1級(jí)關(guān)斷(ESD-1)為集氣站場(chǎng)工藝裝置區(qū)域內(nèi)多個(gè)站場(chǎng)同時(shí)啟動(dòng)的高級(jí)關(guān)斷。在公共安全設(shè)施和生命保障系統(tǒng)支持下關(guān)閉集氣站場(chǎng)內(nèi)天然氣處理工藝系統(tǒng)。酸性氣田集輸系統(tǒng)1級(jí)關(guān)斷(ESD-1)可由下列條件引發(fā)：
1) 火災(zāi)和氣體探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)。
2) 如果在密閉控制室內(nèi)探測(cè)到可燃?xì)怏w。
3) 相應(yīng)控制室或氣田控制中心(FCC)內(nèi)的人工啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)。
4.2 1級(jí)關(guān)斷(ESD-1)的關(guān)斷動(dòng)作
1級(jí)關(guān)斷導(dǎo)致完全的工藝降壓?？赡艿年P(guān)斷動(dòng)作有：
1) 關(guān)閉相關(guān)工藝的隔離閥。
2) 開啟放空閥。
3) 切斷工藝設(shè)備電源。
4) 開啟電動(dòng)或柴油消防泵。
5) 氣體探測(cè)、消防系統(tǒng)、安全照明、應(yīng)急指示等輔助設(shè)施進(jìn)入自動(dòng)激發(fā)的開啟狀態(tài)。
4.3 1級(jí)關(guān)斷(ESD-1)聯(lián)鎖組態(tài)
1級(jí)關(guān)斷主要為發(fā)生泄漏、火災(zāi)及爆炸等危險(xiǎn)條件下的氣體集輸系統(tǒng)部分關(guān)斷?？紤]到各外來站場(chǎng)集氣管線過站可能造成的影響，聯(lián)鎖組態(tài)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
1) 大規(guī)模泄漏條件下很難立即確定泄漏準(zhǔn)確位置，并實(shí)行精確關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷應(yīng)防止高含硫氣體持續(xù)泄漏。
2) 發(fā)生火災(zāi)、爆炸情況時(shí)，可能造成嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)。站內(nèi)工藝雖被關(guān)閉，但上游氣體過站仍可能持續(xù)提供可燃物質(zhì)，故上游相關(guān)工藝應(yīng)予以關(guān)斷。
3) 其他集氣站氣體在站內(nèi)匯合過站，進(jìn)行關(guān)斷后，上游井口、工藝為防止憋壓的發(fā)生應(yīng)予以關(guān)斷。
4) 因?yàn)闅怏w在下游集氣站站內(nèi)過站會(huì)合，由清管三通調(diào)節(jié)會(huì)合后，分成3條管線輸往集氣末站，所以當(dāng)集氣站發(fā)生大規(guī)模泄漏、火災(zāi)、爆炸事故時(shí)，為防止上游各站氣體持續(xù)進(jìn)站、集輸系統(tǒng)憋壓，應(yīng)實(shí)行大規(guī)模緊急關(guān)斷。
5 0級(jí)關(guān)斷(ESD-0)
0級(jí)關(guān)斷(ESD-O)為整個(gè)氣田的最高級(jí)應(yīng)急降壓關(guān)斷，即除應(yīng)急支持系統(tǒng)(延時(shí)關(guān)斷)外，關(guān)斷整個(gè)氣田所有的有效設(shè)備<
