摘要：針對酸性氣田的特殊危險性，通過設置合理的關斷方案，確保緊急和事故條件下，安全保護能及時介入，對于保證高危性酸性氣田的長期安全平穩運行有著非常重要的意義。為此，設計了國內某酸性氣田集輸系統緊急事故條件下的緊急關斷方案，討論了關斷方案設計原則，對關斷信息來源的探測器和消防系統的技術指標進行了分析，提出了基于泄漏、火災的4級關斷系統方案，方案采用分級啟動，并將自動啟動與高級人工關斷相結合，可有效提高事故快速響應和防止后果擴大。同時指出酸性氣田集輸系統緊急關斷設置是一項復雜的系統工程，應在氣田工藝設計階段就提前進行考慮，以減小建設成本、保證關斷系統的適用性。

關鍵詞：酸性氣田；氣田集輸；緊急關斷；事故；方案；設計

在高酸性氣田的開發中，作為生產過程最關鍵、最穩固的最后一道安全防線，緊急關斷(ESD)可在發生事故的情況下確保人員和生產設施的安全，防止環境污染，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，各井場氣井產出的高含硫天然氣經兩級節流和加熱后進行適度脫水處理，然后進入生產匯管和計量匯管計量后輸送至過站集氣管線，遠程輸送至集氣末站，最后去天然氣凈化廠進行脫硫、脫碳處理。ESD通過對天然氣氣田集輸過程中的關鍵參數(壓力、溫度、液位、流量、開關及可燃/有毒氣體探測設備)的工作狀況進行連續監視，檢測其相對于預定安全操作條件的變化。當所檢測的過程變量超過其安全限定值時，ESD系統立即對生產設備進行操作^[2]，也就是對生產設備實施自動關斷，力爭將生產過程設置成安全的狀態，使發生惡性事故的可能性降到最低。為此，對高含硫氣田集輸ESD系統及其聯鎖提出了安全控制技術要求及分級方案。

1.1.1 分級關斷

    根據國外酸性氣田安全控制實踐與經驗，結合國內酸性氣田實際情況，ESD緊急關斷系統可分為4個等級：0級、1級、2級、3級關斷。氣體緊急關斷應遵從分級啟動原則，同時，當啟動高級關斷時，應按預置的時間順序自動啟動低級關斷(啟動1級關斷，則2、3級關斷自動啟動)。

1.1.2 ESD系統設計成故障安全、容錯型自動化系統

    安全控制系統本身必須是故障安全型的(Fail to Safe)^[3～4]，控制器要求采用3重冗余結構。緊急關斷系統的設計原則應確保：某一級別的關斷指令不會引起較高級別的關斷，只能引起本級及所有較低級別的關斷。對于系統的所有關斷，只有手動復位后方可恢復生產。

1.1.3 ESD與DCS獨立設置

    DCS只控制裝置的生產過程，其通訊系統復雜、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斷工具，ESD和DCS應該分開、獨立設置，即ESD的檢測元件、變送器、執行機構等應獨立設置，關鍵部位的溫度、壓力、流量、液位等檢測儀表不宜采用機械式儀表。變送器宜采用模擬信號，當采用智能變送器時，在操作站上應設置修改現場儀表有關參數的加密技術。ESD系統檢測儀表及執行機構的設置要根據安全聯鎖系統可靠性、可用性和可維護性的總體要求來配置。

1.1.4 系統設計應保證事故應急關斷高度可靠，但要盡量降低不必要的噪擾導致關斷的可能性

    鑒于酸性氣田集輸系統的危險特性，建議每個系統配置2個PLC系統，每個都有獨立的電源、中央處理器和輸入輸出模塊。切換開關可以指定其中1個為主PLC，另1個為副PLC，2套PLC有相同的執行程序、輸入和輸出，工作獨立、同步運行。PLC執行診斷程序監測運行是否正常。2個PLC由通訊模塊連接，當1個失效后，另1個可順利接替。

    只要涉及I/O系統，應考慮下列措施：

    1) 每個輸入應連接到2個PLC的輸入模塊。

    2) 輸出負載(繼電器或電磁線圈)連接2個互補類型(真高或真低)的輸出模塊。1個聯到PLC1，另1個聯到PLC2，2個模塊在正常條件下都是“開”狀態。

    定期對輸出模塊進行自動檢測，防止事故狀態下模塊發生故障^[6]。

    每個控制器通過對比和邏輯檢查產生1個關斷。單個錯誤的輸入/輸出模塊或處理器不能導致關斷。當僅有1個控制器要求關斷時，可啟動2選1的表決系統進行判斷，或使用4選3的表決系統進行判斷，都可以有效降低錯誤關斷動作概率。

    當檢測到任何失效時應如下操作：

    1) 運行低壓的自由接觸點，允許外部監測和報警。

    2) 使故障單元自動與系統切斷，防止危害系統。

    火災及氣體探測器是啟動緊急關斷的信息來源，針對酸性氣田特點，其主要技術要求如下：

1.2.1 安裝位置

    氣體探測器應安裝在集氣站場內所有可能的泄漏源附近及站場(閥室)操作室等處。應結合氣體探測器的性能要求合理規劃探測器位置及分布密度。考慮到酸性氣田特點，重點在易泄漏部位即低洼積聚處布置探測器。

1.2.2 探測器及消防響應技術要求

    1) 單一H₂S、CH₄氣體探測傳感器可用于發現輕微泄漏氣體，發出警報。

    2) 可探測2種氣體的復合探測傳感器發出氣體監測報警和遠程報警信號，開啟電動(柴油)水泵，也可在適當時開動水噴淋系統。

    3) 單一的煙霧、火焰(熱輻射)探測信號發出火災報警及遠程報警信號。

    4) 復合煙霧、火焰(熱輻射)探測器發出火災報警或遠程信號，啟動相關設備，開啟電動(柴油)水泵，關閉防火閥，啟動水噴淋系統。

    5) 易碎球熱量探測器發出火災報警，運行相關水噴淋系統，電動(柴油)泵啟動，啟動2級關斷。

    6) 人工啟動或自動啟動水噴淋系統時，啟動消防泵，并發出遠程信號。

    7) 電動(柴油)泵必須有熱備用(1臺故障，另1臺馬上啟動)，啟動時可以就地或遠程控制啟動，但是關閉時應只能采用就地關閉方式。

    3級關斷(ESD-3)為局部工藝流程和設備的最低級關斷，關斷由工藝流程系統局部故障或生產系統的重要裝置故障引起，根據有關參數監測報警信號進行判斷。此級關斷僅關斷故障部位，不會影響其他設備的正常操作。3級關斷為不泄壓關斷，只包括簡單的過程工藝(如果管道超壓可能破裂，就應當關閉該管線上的閥門)。關斷不由關斷PLC系統執行，而由設備程序器PLC控制。

    2級關斷(ESD-2)為集氣站內高含硫天然氣泄漏或其他事故激發的站級關斷，可觸發2、3級關斷。關斷由站內局部發生的氣體監測事故引起，根據有關的監測信號和數據通訊信號報警進行判斷^[7]。2級關斷為站場內局部工藝關斷(但儀表系統不關斷)，可以手動或自動激發啟動可能受影響的工藝裝置區域進行完全關斷，該級關斷僅控制分離裝置和附屬設備，包括分離器組和氣體處理裝置，通常對受影響部分裝置的工藝不產生降壓。

    如在集氣站內局部發生泄漏監測報警，因酸性氣田氣體富含H₂S，2級關斷方案要求啟動工藝設備關斷^[8]，同時，在站內可能發生泄漏的地點布置氣體探測器(如條件允許同1位置可布置2種不同監測原理的傳感器，邏輯信號為2選1)，當相鄰2處氣體監測器檢測到現場天然氣濃度達到其爆炸下限的20%或60%時，在站場控制室和氣田控制中心的應急監控操作面板處都會發出聲光報警，啟動相應安全設備的2級關斷操作(3級關斷由設備自動保護聯鎖系統自動啟動)。

    氣體處理裝置的2級關斷能動作所有氣體和冷卻壓縮機，并從附屬設施和分離器上關閉干線的截止閥。另外，只有在氣體處理裝置2級關斷后，操作人員才能手動對氣體處理裝置進行降壓。

    應注意的是，完成2級關斷的時間應迅速，以盡量控制氣體泄漏、火災的發生。如果關斷目標沒有完成，應有報警信號。

    1級關斷(ESD-1)為集氣站場工藝裝置區域內多個站場同時啟動的高級關斷。在公共安全設施和生命保障系統支持下關閉集氣站場內天然氣處理工藝系統。酸性氣田集輸系統1級關斷(ESD-1)可由下列條件引發：

    1) 火災和氣體探測系統報警信號。

    2) 如果在密閉控制室內探測到可燃氣體。

    3) 相應控制室或氣田控制中心(FCC)內的人工啟動按鈕啟動。

    1級關斷導致完全的工藝降壓。可能的關斷動作有：

    1) 關閉相關工藝的隔離閥。

    2) 開啟放空閥。

    3) 切斷工藝設備電源。

    4) 開啟電動或柴油消防泵。

    5) 氣體探測、消防系統、安全照明、應急指示等輔助設施進入自動激發的開啟狀態。

    1級關斷主要為發生泄漏、火災及爆炸等危險條件下的氣體集輸系統部分關斷。考慮到各外來站場集氣管線過站可能造成的影響，聯鎖組態應考慮以下幾點：

    1) 大規模泄漏條件下很難立即確定泄漏準確位置，并實行精確關斷時，關斷應防止高含硫氣體持續泄漏。

    2) 發生火災、爆炸情況時，可能造成嚴重的連鎖反應。站內工藝雖被關閉，但上游氣體過站仍可能持續提供可燃物質，故上游相關工藝應予以關斷。

    3) 其他集氣站氣體在站內匯合過站，進行關斷后，上游井口、工藝為防止憋壓的發生應予以關斷。

    4) 因為氣體在下游集氣站站內過站會合，由清管三通調節會合后，分成3條管線輸往集氣末站，所以當集氣站發生大規模泄漏、火災、爆炸事故時，為防止上游各站氣體持續進站、集輸系統憋壓，應實行大規模緊急關斷。

    0級關斷(ESD-O)為整個氣田的最高級應急降壓關斷，即除應急支持系統(延時關斷)外，關斷整個氣田所有的有效設備。

    0級關斷(ESD-O)只能由位于氣田控制中心的按鈕進行人工啟動。當酸性氣田集輸系統發生可能影響采氣集輸系統、下游凈化系統的重大泄漏、火災爆炸事故時，就應啟動ESD-0。

    因為酸性氣田集輸管線在集氣末站匯集，所以集氣末站是造成0級關斷的重要場所：

    1) 來自上游集氣站的高含硫天然氣在集氣末站內經集氣匯管后，由計量分離器計量輸至天然氣凈化廠，故集氣末站發生火災或爆炸事故時可能導致末站的緊急切斷閥檢測及執行功能失效，使事故后果擴大。此時應執行ESD-1關斷，以保障高含硫天然氣在事故發生后，不為泄漏、火災、爆炸事故提供反應原料。

    2) 有的工藝設計考慮到生產匯管、外輸匯管可能發生超壓，為提高可靠性都并聯設計了同型安全閥。建議采用不同形式安全閥，以提高泄壓可靠性。為提高安全性，可設置壓力高高報警聯鎖，當安全閥不能泄壓時對進站管線予以關閉，同時，為提高集輸系統安全性，防止全線憋壓(匯管前止逆閥)，應執行ESD-1關斷。

    3) 由于2條外輸線上有兩止逆閥(防止天然氣互串、倒流)，盡管有壓力調節閥小范圍調節，但有可能發生超壓，導致全集輸系統天然氣在此處外泄。建議增加壓力高高報警聯鎖和泄壓安全閥。當壓力值增加超過安全閥設定值以上時，壓力高高報警，啟動ESD-1關斷。

    4) 當天然氣凈化廠發生火災、爆炸或大規模泄漏事故時，為避免上游高含硫天然氣持續輸入或發生事故多米諾效應，應啟動0級關斷(ESD-0)。

    5) 鑒于酸性氣田的高危險性，當發生非工藝故障、但仍可能對生產造成危害的緊急情況時，工藝操作人員可以按緊急停車按鈕停車。

    考慮到酸性氣田的特殊危險性，集輸系統緊急關斷設置是一項復雜的系統工程，應在氣田工藝設計階段就提前進行考慮，以減小建設成本，并保證關斷系統的適用性，通過設置合理的關斷方案，確保緊急和事故條件下，安全保護能及時介入，以保證酸性氣田長期安全平穩運行。

[1] 吳慶倫，鄭忠云，舒玉春.大型氣田地面系統一體化控制方案可行性分析[J].石油與天然氣化工，2008，37(5)：448-452.

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(本文作者：付建民¹ 陳國明¹ 龔金海² 王勇² 1.中國石油大學(華東)機電工程學院；2.中國石化中原油田勘探設計研究院)