酸性气田集输系统紧急关断方案设计———酸性气田集输系统紧急关

［摘要］：针对酸性气田的特殊危险性，通过设置合理的关断方案，确保紧急和事故条件下，安全保护能及时介入，对于保证高危性酸性气田的长期安全平稳运行有着非常重要的意义。为此，设计了国内某酸性气田集输系统紧急事故条件下的紧急关断方案，讨论了关断方案设计原则，对关断信息来源的探测器和消防系统的技术指标进行了分析，提出了基于泄漏、火灾的4级关断系统方案，方案采用分级启动，并将自动启动与高级人工关断相结合，可有效提高事故快速响应和防止后果扩大。同时指出酸性气田集输系统紧急关断设置是一项复杂的系统工程，应在气田工艺设计阶段就提前进行考虑，以减小建设成本、保证关断系统的适用性。［关键词］：酸性气田 气田集输 紧急关断
  在高酸性气田的开发中，作为生产过程最关键、最稳固的最后一道安全防线，紧急关断(ESD)可在发生事故的情况下确保人员和生产设施的安全，防止环境污染，将事故造成的影响减到最小[1]。以图1所示酸性气田集输过程为例，各井场气井产出的高含硫天然气经两级节流和加热后进行适度脱水处理，然后进入生产汇管和计量汇管计量后输送至过站集气管线，远程输送至集气末站，最后去天然气净化厂进行脱硫、脱碳处理。ESD通过对天然气气田集输过程中的关键参数(压力、温度、液位、流量、开关及可燃/有毒气体探测设备)的工作状况进行连续监视，检测其相对于预定安全操作条件的变化。当所检测的过程变量超过其安全限定值时，ESD系统立即对生产设备进行操作[2]，也就是对生产设备实施自动关断，力争将生产过程设置成安全的状态，使发生恶性事故的可能性降到最低。为此，对高含硫气田集输ESD系统及其联锁提出了安全控制技术要求及分级方案。
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  1 紧急关断ESD总体方案
1.1 酸性气田集输系统关断方案设计原则
1.1.1 分级关断
    根据国外酸性气田安全控制实践与经验，结合国内酸性气田实际情况，ESD紧急关断系统可分为4个等级：0级、1级、2级、3级关断。气体紧急关断应遵从分级启动原则，同时，当启动高级关断时，应按预置的时间顺序自动启动低级关断(启动1级关断，则2、3级关断自动启动)。
1.1.2 ESD系统设计成故障安全、容错型自动化系统
    安全控制系统本身必须是故障安全型的(Fail to Safe)[3～4]，控制器要求采用3重冗余结构。紧急关断系统的设计原则应确保：某一级别的关断指令不会引起较高级别的关断，只能引起本级及所有较低级别的关断。对于系统的所有关断，只有手动复位后方可恢复生产。
1.1.3 ESD与DCS独立设置
    DCS只控制装置的生产过程，其通讯系统复杂、扫描速率低、故障概率高[5]。因此不宜采用DCS作为装置紧急停车的关断工具，ESD和DCS应该分开、独立设置，即ESD的检测元件、变送器、执行机构等应独立设置，关键部位的温度、压力、流量、液位等检测仪表不宜采用机械式仪表。变送器宜采用模拟信号，当采用智能变送器时，在操作站上应设置修改现场仪表有关参数的加密技术。ESD系统检测仪表及执行机构的设置要根据安全联锁系统可靠性、可用性和可维护性的总体要求来配置。
1.1.4 系统设计应保证事故应急关断高度可靠，但要尽量降低不必要的噪扰导致关断的可能性
    鉴于酸性气田集输系统的危险特性，建议每个系统配置2个PLC系统，每个都有独立的电源、中央处理器和输入输出模块。切换开关可以指定其中1个为主PLC，另1个为副PLC，2套PLC有相同的执行程序、输入和输出，工作独立、同步运行。PLC执行诊断程序监测运行是否正常。2个PLC由通讯模块连接，当1个失效后，另1个可顺利接替。
    只要涉及I/O系统，应考虑下列措施：
    1) 每个输入应连接到2个PLC的输入模块。
    2) 输出负载(继电器或电磁线圈)连接2个互补类型(真高或真低)的输出模块。1个联到PLC1，另1个联到PLC2，2个模块在正常条件下都是“开”状态。
    定期对输出模块进行自动检测，防止事故状态下模块发生故障[6]。
    每个控制器通过对比和逻辑检查产生1个关断。单个错误的输入/输出模块或处理器不能导致关断。当仅有1个控制器要求关断时，可启动2选1的表决系统进行判断，或使用4选3的表决系统进行判断，都可以有效降低错误关断动作概率。
    当检测到任何失效时应如下操作：
    1) 运行低压的自由接触点，允许外部监测和报警。
    2) 使故障单元自动与系统切断，防止危害系统。
1.2 火灾、气体探测器及消防系统技术要求
    火灾及气体探测器是启动紧急关断的信息来源，针对酸性气田特点，其主要技术要求如下：
1.2.1 安装位置
    气体探测器应安装在集气站场内所有可能的泄漏源附近及站场(阀室)操作室等处。应结合气体探测器的性能要求合理规划探测器位置及分布密度。考虑到酸性气田特点，重点在易泄漏部位即低洼积聚处布置探测器。
1.2.2 探测器及消防响应技术要求
    1) 单一H2S、CH4气体探测传感器可用于发现轻微泄漏气体，发出警报。
    2) 可探测2种气体的复合探测传感器发出气体监测报警和远程报警信号，开启电动(柴油)水泵，也可在适当时开动水喷淋系统。
    3) 单一的烟雾、火焰(热辐射)探测信号发出火灾报警及远程报警信号。
    4) 复合烟雾、火焰(热辐射)探测器发出火灾报警或远程信号，启动相关设备，开启电动(柴油)水泵，关闭防火阀，启动水喷淋系统。
    5) 易碎球热量探测器发出火灾报警，运行相关水喷淋系统，电动(柴油)泵启动，启动2级关断。
    6) 人工启动或自动启动水喷淋系统时，启动消防泵，并发出远程信号。
    7) 电动(柴油)泵必须有热备用(1台故障，另1台马上启动)，启动时可以就地或远程控制启动，但是关闭时应只能采用就地关闭方式。
2 3级关断(ESD-3)
    3级关断(ESD-3)为局部工艺流程和设备的最低级关断，关断由工艺流程系统局部故障或生产系统的重要装置故障引起，根据有关参数监测报警信号进行判断。此级关断仅关断故障部位，不会影响其他设备的正常操作。3级关断为不泄压关断，只包括简单的过程工艺(如果管道超压可能破裂，就应当关闭该管线上的阀门)。关断不由关断PLC系统执行，而由设备程序器PLC控制。
3 2级关断(ESD-2)
    2级关断(ESD-2)为集气站内高含硫天然气泄漏或其他事故激发的站级关断，可触发2、3级关断。关断由站内局部发生的气体监测事故引起，根据有关的监测信号和数据通讯信号报警进行判断[7]。2级关断为站场内局部工艺关断(但仪表系统不关断)，可以手动或自动激发启动可能受影响的工艺装置区域进行完全关断，该级关断仅控制分离装置和附属设备，包括分离器组和气体处理装置，通常对受影响部分装置的工艺不产生降压。
    如在集气站内局部发生泄漏监测报警，因酸性气田气体富含H2S，2级关断方案要求启动工艺设备关断[8]，同时，在站内可能发生泄漏的地点布置气体探测器(如条件允许同1位置可布置2种不同监测原理的传感器，逻辑信号为2选1)，当相邻2处气体监测器检测到现场天然气浓度达到其爆炸下限的20%或60%时，在站场控制室和气田控制中心的应急监控操作面板处都会发出声光报警，启动相应安全设备的2级关断操作(3级关断由设备自动保护联锁系统自动启动)。
    气体处理装置的2级关断能动作所有气体和冷却压缩机，并从附属设施和分离器上关闭干线的截止阀。另外，只有在气体处理装置2级关断后，操作人员才能手动对气体处理装置进行降压。
    应注意的是，完成2级关断的时间应迅速，以尽量控制气体泄漏、火灾的发生。如果关断目标没有完成，应有报警信号。
4 1级关断(ESD-1)
4.1 1级关断(ESD-1)的引发条件
    1级关断(ESD-1)为集气站场工艺装置区域内多个站场同时启动的高级关断。在公共安全设施和生命保障系统支持下关闭集气站场内天然气处理工艺系统。酸性气田集输系统1级关断(ESD-1)可由下列条件引发：
    1) 火灾和气体探测系统报警信号。
    2) 如果在密闭控制室内探测到可燃气体。
    3) 相应控制室或气田控制中心(FCC)内的人工启动按钮启动。
4.2 1级关断(ESD-1)的关断动作
    1级关断导致完全的工艺降压。可能的关断动作有：
    1) 关闭相关工艺的隔离阀。
    2) 开启放空阀。
    3) 切断工艺设备电源。
    4) 开启电动或柴油消防泵。
    5) 气体探测、消防系统、安全照明、应急指示等辅助设施进入自动激发的开启状态。
4.3 1级关断(ESD-1)联锁组态
    1级关断主要为发生泄漏、火灾及爆炸等危险条件下的气体集输系统部分关断。考虑到各外来站场集气管线过站可能造成的影响，联锁组态应考虑以下几点：
    1) 大规模泄漏条件下很难立即确定泄漏准确位置，并实行精确关断时，关断应防止高含硫气体持续泄漏。
    2) 发生火灾、爆炸情况时，可能造成严重的连锁反应。站内工艺虽被关闭，但上游气体过站仍可能持续提供可燃物质，故上游相关工艺应予以关断。
    3) 其他集气站气体在站内汇合过站，进行关断后，上游井口、工艺为防止憋压的发生应予以关断。
    4) 因为气体在下游集气站站内过站会合，由清管三通调节会合后，分成3条管线输往集气末站，所以当集气站发生大规模泄漏、火灾、爆炸事故时，为防止上游各站气体持续进站、集输系统憋压，应实行大规模紧急关断。
5 0级关断(ESD-0)
    0级关断(ESD-O)为整个气田的最高级应急降压关断，即除应急支持系统(延时关断)外，关断整个气田所有的有效设备。
    0级关断(ESD-O)只能由位于气田控制中心的按钮进行人工启动。当酸性气田集输系统发生可能影响采气集输系统、下游净化系统的重大泄漏、火灾爆炸事故时，就应启动ESD-0。
    因为酸性气田集输管线在集气末站汇集，所以集气末站是造成0级关断的重要场所：
    1) 来自上游集气站的高含硫天然气在集气末站内经集气汇管后，由计量分离器计量输至天然气净化厂，故集气末站发生火灾或爆炸事故时可能导致末站的紧急切断阀检测及执行功能失效，使事故后果扩大。此时应执行ESD-1关断，以保障高含硫天然气在事故发生后，不为泄漏、火灾、爆炸事故提供反应原料。
    2) 有的工艺设计考虑到生产汇管、外输汇管可能发生超压，为提高可靠性都并联设计了同型安全阀。建议采用不同形式安全阀，以提高泄压可靠性。为提高安全性，可设置压力高高报警联锁，当安全阀不能泄压时对进站管线予以关闭，同时，为提高集输系统安全性，防止全线憋压(汇管前止逆阀)，应执行ESD-1关断。
    3) 由于2条外输线上有两止逆阀(防止天然气互串、倒流)，尽管有压力调节阀小范围调节，但有可能发生超压，导致全集输系统天然气在此处外泄。建议增加压力高高报警联锁和泄压安全阀。当压力值增加超过安全阀设定值以上时，压力高高报警，启动ESD-1关断。
    4) 当天然气净化厂发生火灾、爆炸或大规模泄漏事故时，为避免上游高含硫天然气持续输入或发生事故多米诺效应，应启动0级关断(ESD-0)。
    5) 鉴于酸性气田的高危险性，当发生非工艺故障、但仍可能对生产造成危害的紧急情况时，工艺操作人员可以按紧急停车按钮停车。
6 结论
    考虑到酸性气田的特殊危险性，集输系统紧急关断设置是一项复杂的系统工程，应在气田工艺设计阶段就提前进行考虑，以减小建设成本，并保证关断系统的适用性，通过设置合理的关断方案，确保紧急和事故条件下，安全保护能及时介入，以保证酸性气田长期安全平稳运行。
参考文献
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