摘要：針對(duì)酸性氣田的特殊危險(xiǎn)性，通過(guò)設(shè)置合理的關(guān)斷方案，確保緊急和事故條件下，安全保護(hù)能及時(shí)介入，對(duì)于保證高危性酸性氣田的長(zhǎng)期安全平穩(wěn)運(yùn)行有著非常重要的意義。為此，設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)某酸性氣田集輸系統(tǒng)緊急事故條件下的緊急關(guān)斷方案，討論了關(guān)斷方案設(shè)計(jì)原則，對(duì)關(guān)斷信息來(lái)源的探測(cè)器和消防系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析，提出了基于泄漏、火災(zāi)的4級(jí)關(guān)斷系統(tǒng)方案，方案采用分級(jí)啟動(dòng)，并將自動(dòng)啟動(dòng)與高級(jí)人工關(guān)斷相結(jié)合，可有效提高事故快速響應(yīng)和防止后果擴(kuò)大。同時(shí)指出酸性氣田集輸系統(tǒng)緊急關(guān)斷設(shè)置是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)在氣田工藝設(shè)計(jì)階段就提前進(jìn)行考慮，以減小建設(shè)成本、保證關(guān)斷系統(tǒng)的適用性。

關(guān)鍵詞：酸性氣田；氣田集輸；緊急關(guān)斷；事故；方案；設(shè)計(jì)

在高酸性氣田的開(kāi)發(fā)中，作為生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)天然氣氣田集輸過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)(壓力、溫度、液位、流量、開(kāi)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(guò)程變量超過(guò)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(zhēng)將生產(chǎn)過(guò)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。

1.1.1 分級(jí)關(guān)斷

    根據(jù)國(guó)外酸性氣田安全控制實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)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(guò)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(kāi)、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(lái)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(kāi)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(kāi)”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(guò)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)。

    火災(zāi)及氣體探測(cè)器是啟動(dòng)緊急關(guān)斷的信息來(lái)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(kāi)啟電動(dòng)(柴油)水泵，也可在適當(dāng)時(shí)開(kāi)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(kāi)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。

    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(jiǎn)單的過(guò)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。

    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(méi)有完成，應(yīng)有報(bào)警信號(hào)。

    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)。

    1級(jí)關(guān)斷導(dǎo)致完全的工藝降壓。可能的關(guān)斷動(dòng)作有：

    1) 關(guān)閉相關(guān)工藝的隔離閥。

    2) 開(kāi)啟放空閥。

    3) 切斷工藝設(shè)備電源。

    4) 開(kāi)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(kāi)啟狀態(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。考慮到各外來(lái)站場(chǎng)集氣管線過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。

    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。

    0級(jí)關(guān)斷(ESD-O)只能由位于氣田控制中心的按鈕進(jìn)行人工啟動(dòng)。當(dāng)酸性氣田集輸系統(tǒng)發(fā)生可能影響采氣集輸系統(tǒng)、下游凈化系統(tǒng)的重大泄漏、火災(zāi)爆炸事故時(shí)，就應(yīng)啟動(dòng)ESD-0。

    因?yàn)樗嵝詺馓锛敼芫€在集氣末站匯集，所以集氣末站是造成0級(jí)關(guān)斷的重要場(chǎng)所：

    1) 來(lái)自上游集氣站的高含硫天然氣在集氣末站內(nèi)經(jīng)集氣匯管后，由計(jì)量分離器計(jì)量輸至天然氣凈化廠，故集氣末站發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故時(shí)可能導(dǎo)致末站的緊急切斷閥檢測(cè)及執(zhí)行功能失效，使事故后果擴(kuò)大。此時(shí)應(yīng)執(zhí)行ESD-1關(guān)斷，以保障高含硫天然氣在事故發(fā)生后，不為泄漏、火災(zāi)、爆炸事故提供反應(yīng)原料。

    2) 有的工藝設(shè)計(jì)考慮到生產(chǎn)匯管、外輸匯管可能發(fā)生超壓，為提高可靠性都并聯(lián)設(shè)計(jì)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(shè)置壓力高高報(bào)警聯(lián)鎖，當(dāng)安全閥不能泄壓時(shí)對(duì)進(jìn)站管線予以關(guān)閉，同時(shí)，為提高集輸系統(tǒng)安全性，防止全線憋壓(匯管前止逆閥)，應(yīng)執(zhí)行ESD-1關(guān)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(diào)節(jié)閥小范圍調(diào)節(jié)，但有可能發(fā)生超壓，導(dǎo)致全集輸系統(tǒng)天然氣在此處外泄。建議增加壓力高高報(bào)警聯(lián)鎖和泄壓安全閥。當(dāng)壓力值增加超過(guò)安全閥設(shè)定值以上時(shí)，壓力高高報(bào)警，啟動(dòng)ESD-1關(guān)斷。

    4) 當(dāng)天然氣凈化廠發(fā)生火災(zāi)、爆炸或大規(guī)模泄漏事故時(shí)，為避免上游高含硫天然氣持續(xù)輸入或發(fā)生事故多米諾效應(yīng)，應(yīng)啟動(dòng)0級(jí)關(guān)斷(ESD-0)。

    5) 鑒于酸性氣田的高危險(xiǎn)性，當(dāng)發(fā)生非工藝故障、但仍可能對(duì)生產(chǎn)造成危害的緊急情況時(shí)，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(xiǎn)性，集輸系統(tǒng)緊急關(guān)斷設(shè)置是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)在氣田工藝設(shè)計(jì)階段就提前進(jìn)行考慮，以減小建設(shè)成本，并保證關(guān)斷系統(tǒng)的適用性，通過(guò)設(shè)置合理的關(guān)斷方案，確保緊急和事故條件下，安全保護(hù)能及時(shí)介入，以保證酸性氣田長(zhǎng)期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

[1] 吳慶倫，鄭忠云，舒玉春.大型氣田地面系統(tǒng)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.

[2] 高進(jìn)，周彬.ESD系統(tǒng)在忠縣天然氣凈化廠的應(yīng)用及優(yōu)化[J].石油與天然氣化工，2008，37(4)：347-348.

[3] 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司自動(dòng)控制設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.SHBZ06-1999石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)石化出版社，2000.

[4] 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司.GB 50350—2005 油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

[5] OUBRE H J，THURMAN R，VALLEE J C. Emergency shutdown systems-evolution and status[R]∥SPE 24519.[S.l]：SPE，1977.

[6] HOLMEFJORD A，NIELSEN L，TRANSFORM AS. Incident and accident investigation-methods and lessons learned in the Norwegian oil and gas industry[R]∥SPE 74089.Kuala Lumpur：SPE，2002.

[7] HERAIBA FA，RAHMAN OA. Safety and shutdown systems for offshore facilities[R]∥SPE 24519-MS.[S.l]：SPE，1993.

[8] 傅敬強(qiáng)，宋文中.天然氣凈化廠緊急停開(kāi)產(chǎn)安全保障措施探討[J].石油與天然氣化工，2007，36(2)：173-175.

 

(本文作者：付建民¹ 陳國(guó)明¹ 龔金海² 王勇² 1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)石化中原油田勘探設(shè)計(jì)研究院)