陳國元（1970-）

　　男，遼寧省盤錦人，畢業(yè)于大慶石油大學機械制造自動化專業(yè)，工程師，長期從事石油化工自動化設計工作。

　　摘要：ESD系統(tǒng)是長輸管道自動化系統(tǒng)的重要組成部分，本文對大慶－錦西原油管道工程ESD系統(tǒng)、水擊超前保護的設計進行了闡述。

　　關(guān)鍵詞：ESD；PLC；SCADA；RTU；SIL；水擊超前保護

　　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

　　目前國內(nèi)長輸管道的緊急停車（ESD）系統(tǒng)大都依托長輸管線各站場的站控系統(tǒng)，各站場的緊急關(guān)斷設備信號與站場過程控制檢測設備信號共同接入站控系統(tǒng)，在站控系統(tǒng)的設置上一般考慮了站控系統(tǒng)PLC的CPU、電源、通訊及部分關(guān)鍵設備I/0模塊的冗余設置。各站控系統(tǒng)通過通訊網(wǎng)絡把信號傳入調(diào)控中心，構(gòu)成整個管道的SCADA系統(tǒng)。由于各站場沒有獨立的ESD系統(tǒng)，事故發(fā)生時，緊急停車完全依賴于站控系統(tǒng)和手動執(zhí)行，因此降低了ESD的可用度。根據(jù)對大慶－錦西輸油管道聯(lián)鎖系統(tǒng)安全完整性水平（Safety Integrity Level, SIL）的評估，得出的結(jié)論認為大慶－錦西輸油管道的各站場及線路應屬于可能偶爾發(fā)生事故。如事故發(fā)生，對裝置和產(chǎn)品有較大的影響，并有可能造成環(huán)境污染和人員傷亡，經(jīng)濟損失較大。根據(jù)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》SH/T-3018-2003的規(guī)定，安全度等級確定為2級。根據(jù)規(guī)范要求，安全度2級應設立設置ESD系統(tǒng)，而且ESD系統(tǒng)的邏輯運算器應與過程控制系統(tǒng)分開，系統(tǒng)的檢測控制設備宜與過長控制系統(tǒng)分開。并結(jié)合目前北京油氣調(diào)控中心的管理模式，在大慶－錦西輸油管道工程自控系統(tǒng)設計上確立了一種獨特的設計模式。各站控系統(tǒng)改為由過程監(jiān)控、ESD和火&氣三個子系統(tǒng)構(gòu)成。過程監(jiān)控、ESD和火&氣系統(tǒng)采用獨立的專用PLC，分別用于采集和處理工藝控制信號，安全保護儀表信號和火災&可燃氣體信號。過程監(jiān)控單元采用可靠性高，適應現(xiàn)場環(huán)境的可編程序邏輯控制器(PLC)。ESD和火&氣控制單元采用專用PLC控制器，按SIL2 級設置。ESD子系統(tǒng)以只讀方式把信號傳輸給站控系統(tǒng)，站控系統(tǒng)可對ESD所有信號進行監(jiān)視，而當事故發(fā)生時，ESD系統(tǒng)獨立進行控制，這樣就大大提高了系統(tǒng)的可操作性及可用度。

　　由于長輸管道的工藝特性，各站場的緊急停車會給全線的生產(chǎn)帶來嚴重的危害，甚至會發(fā)生水擊；同樣，水擊的發(fā)生也需要各站場采取相應的措施來避免危害的發(fā)生和擴散。因此，結(jié)合這些特點，在沈陽調(diào)控中心單獨設置一套專用PLC，通過單獨的通訊信道與各站場ESD系統(tǒng)連接，構(gòu)成全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統(tǒng)。

　　2 大慶－錦西原油管道自控系統(tǒng)的組成

　　大慶-錦西原油管道工程包括1條干線管道和1條支線管道。其中干線起自大慶林源經(jīng)鐵嶺止于錦西，線路沿途共經(jīng)過3省8市，自北向南依次為大慶市、松原市、長春市、四平市、鐵嶺市、沈陽市、錦州市、葫蘆島市。大慶-鐵嶺段設計輸量為3000x104t/a，管徑Φ914mm，管道基本沿慶-鐵線并行；鐵嶺-錦西段設計輸量為1000x104t/a，管徑Φ610mm，管道基本沿鐵-秦線并行敷設至葫蘆島末站。干線管道全長866km、設計壓力8.0MPa，共設7座站場(林源首站、新廟清管站、農(nóng)安泵站、梨樹清管站、鐵嶺分輸站、黑山泵站、錦西末站),11座遠控閥室和8座陰極保護站(除6#、7#陰極保護站外其它站與站場合建)。支線管道起自干線管道的范家屯分輸站，止于雙陽末站。支線設計輸量為200x104t/a，線路全長66km，設計壓力6.3MPa，管徑Φ323.9mm，共設站場2座。

　　管道全線的日常運行管理、維護和搶修由大慶、長春、沈陽和錦州輸油公司負責。

　　根據(jù)大慶-錦西原油管道的工藝特點，分別在林源首站、農(nóng)安泵站、范家屯分輸站、鐵嶺站、黑山泵站、錦西末站、雙陽熱泵站采用工藝站場控制系統(tǒng)，在各遠控閥室設置遠程終端裝置（RTU）。全線的數(shù)據(jù)將通過光纜和公網(wǎng)備用信道傳至北京油氣調(diào)控中心和廊坊備用調(diào)控中心，從而構(gòu)成整個管道的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition System)。各站控系統(tǒng)由過程監(jiān)控、ESD和火&氣三個子系統(tǒng)構(gòu)成。ESD系統(tǒng)和火&氣系統(tǒng)是相對獨立的控制系統(tǒng)，與過程控制系統(tǒng)分開。各遠控閥室RTU信號根據(jù)其管理區(qū)域劃分，傳入就近站場站控系統(tǒng)的ESD子系統(tǒng)中。

表1   各工藝站場設SCADA系統(tǒng)的站控系統(tǒng)（SCS）

表2   各遠控閥室設RTU

　　大慶－錦西原油管道SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3 站控ESD子系統(tǒng)

　　3.1 各站控ESD子系統(tǒng)的設置原則

　　(1) ESD系統(tǒng)獨立于過程控制系統(tǒng)，獨立完成安全保護功能。

　　(2) 當過程達到預定條件時，ESD系統(tǒng)動作，使被控制過程轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。

　　(3) 本工程ESD系統(tǒng)的安全度等級按SIL2級設計。

　　(4) ESD系統(tǒng)具有硬件和軟件診斷和測試功能。

　　(5) ESD系統(tǒng)的檢測單元、最終執(zhí)行單元獨立設置。

　　(6) ESD系統(tǒng)設置獨立于邏輯運算器的手動設施，直接操作最終執(zhí)行單元。

　　3.2 各站控ESD子系統(tǒng)的配置

　　ESD系統(tǒng)應具有相應的安全等級認證(建議優(yōu)先采用TUV認證)。ESD系統(tǒng)的邏輯運算器由可編程序控制器(PLC)構(gòu)成，其中央處理單元、電源、通訊系統(tǒng)冗余配置。

　　硬件：主要由處理器CPU、I/O系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、電源、安裝附件等構(gòu)成。

　　軟件：程序編程軟件、用戶應用軟件等。

　　3.3 ESD系統(tǒng)的邏輯說明

　　ESD系統(tǒng)的保護等級分為全線ESD保護、單元(站場或遠控截斷閥室)ESD保護和設備(輸油泵等)ESD保護。

　　ESD系統(tǒng)的保護動作分為手動觸發(fā)和自動觸發(fā)兩種模式。無論ESD命令從何處下達及站控系統(tǒng)處于何種操作模式，ESD控制命令具有最高優(yōu)先級，可直接到達被控設備，并按邏輯要求進行動作。所有設備執(zhí)行ESD動作后，將閉鎖，只能在現(xiàn)場人工復位后才能再次啟動。為了保證設備檢修等代來的影響不干擾ESD系統(tǒng)，各ESD系統(tǒng)的保護動作具有維護屏蔽功能。經(jīng)過不同級別的授權(quán)后，SCADA系統(tǒng)將傳輸維護屏蔽信號(MOS)至站場緊急停車系統(tǒng)，屏蔽相應的設備。只有站場緊急停車系統(tǒng)的維護屏蔽使能開關(guān)(MOES)處于觸發(fā)狀態(tài)時，SCADA系統(tǒng)的MOS才起作用。

　　全線ESD保護觸發(fā)條件：

　　(1) 全線ESD按鈕動作(如發(fā)生火災或管道破裂后大量原油泄漏)。

　　(2) 全線ESD系統(tǒng)自動觸發(fā)(如單元ESD保護動作或遠控截斷閥事故關(guān)斷等)。

　　單元ESD保護觸發(fā)條件：

　　(1) 從全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統(tǒng)發(fā)出的ESD命令。

　　(2) 單元ESD按鈕動作(如：站場發(fā)生火災等)。

　　(3) 單元ESD系統(tǒng)自動觸發(fā)(如：出站閥事故關(guān)斷等)。

　　設備ESD保護觸發(fā)條件：

　　(1) 從全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統(tǒng)發(fā)出的ESD命令。

　　(2) 單元ESD發(fā)出的ESD命令。

　　(3) 設備ESD按鈕動作。

　　(4) 設備ESD自動觸發(fā)(如輸油泵的溫度、振動、軸封泄漏等參數(shù)超限、進出站壓力超限等)。

　　4 全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統(tǒng)

　　4.1 全線緊急停車（ESD）

　　由于整個管線是一個有機的整體，任何一個控制單元(站場或遠程截斷閥室)的緊急停車會立刻影響到上下游，發(fā)生水擊，整個管線的控制單元必須協(xié)調(diào)一致，避免危險擴散，造成巨大的損失。基于這方面的特點，并結(jié)合整個管道的管理權(quán)限劃分，通過在沈陽調(diào)控中心單獨設置一套上位ESD管理系統(tǒng)，通過單獨的通訊信道與各站場ESD系統(tǒng)和遠程截斷閥RTU連接，來實現(xiàn)全線緊急停車(ESD)。

　　4.2 水擊超前保護

　　大慶-錦西原油管道落差較大,采用密閉輸送流程，泵站站距遠，工況復雜。根據(jù)工藝專業(yè)對站場進出口、RTU閥誤關(guān)斷，各站場泵機組非正常停泵，各站場計劃外停電、各站場著火4 種意外情況的研究結(jié)論，編制出相應的措施，通過沈陽調(diào)控中心設置的上位ESD管理系統(tǒng)，通過單獨的通訊信道與各站場ESD系統(tǒng)連接，來執(zhí)行管線的水擊超前保護程序，避免水擊的發(fā)生，減少管道全線停輸?shù)目赡苄约氨ＷC全線管道不會出現(xiàn)超壓破裂的事故。

圖2   全線緊急停車及水擊超前保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　5 結(jié)束語

　　通過以上敘述，介紹了大慶－錦西原油管道工程ESD系統(tǒng)的構(gòu)成，通過各站場ESD子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡及上位ESD管理系統(tǒng)來構(gòu)成全線ESD及水擊超前保護系統(tǒng)，保證了ESD系統(tǒng)的可靠性和整個輸油管道SCADA系統(tǒng)的完整性。

　　參考文獻

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