天然氣管道某計量站ESD系統的技術改造

邱昌勝

(中國石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100076)

中亞天然氣管道在我國能源戰略發展的國際通道中占重要地位，起始于土庫曼斯坦與烏茲別克斯坦邊境的格達伊姆地區，并穿越烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦境內，在新疆維吾爾自治區霍城縣進入中國境內，與同期建設的西氣東輸二線銜接。雙線共設4座計量站、8座壓氣站、34座收發球站、200座閥室，將清潔能源天然氣輸入中國。霍城縣境內設有中亞天然氣管道的末站，負責輸氣量的計量，是中哈兩國海關關于中亞天然氣管道天然氣計量交接的計量站。該站由兩組共8臺流量計和流量計算機組成站場計量系統，站場的數據采集與監視控制系統(SCADA)由站控系統(SCS)及緊急停車系統(ESD)等組成，負責站點的工藝數據采集和過程監控，SCS負責工藝過程控制，ESD負責站場裝置的安全保護控制，是站場安全運行的重要保障。

霍縣計量站的ESD經過幾年的生產運行，起到了很好的生產保護作用，但也暴露了一些不足。特別是一次ESD電源故障而導致現場的ESD閥門動作，造成了不必要的生產裝置停產。雖然現場采取了應急措施，但對輸氣還是產生了一定的影響，造成了不應有的經濟損失。此次事故也暴露了原ESD是一個沒有容錯能力的系統，是一個故障安全系統，同時在SCADA中ESD的模塊運行狀態的監控特別是電源模塊的狀態監控在HMI中沒有報警機制，使生產維護人員不能及時發現模塊的故障，而且對生產事故的查詢分析也造成了困難。ESD所發生的故障是危險故障，ESD功能喪失，裝置繼續運行將導致重大損失或災難性事故，需較長時間才能恢復生產，因此提高計量站ESD的冗余容錯能力并提供足夠的部件故障診斷報警信息的技術改造勢在必行。為此在分析其ESD的結構和優缺點的基礎上，遵循ESD的可靠性原則，從計量站的應用實際出發進行技術改造，制定了最優化的并切合實際的技術改造方案。

ESD系統是對生產裝置可能發生的危險或不采取措施將繼續惡化的狀態進行響應和保護，使生產裝置進入預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可接受的最低程度，保證人員、設備、生產裝置和工廠周邊社區的安全。ESD系統必須具有以下特點：

a. ESD故障本質安全型，即在ESD自身故障時保證計量站場生產裝置按已知預定方式進入安全狀態，避免由于ESD自身故障或因停電、停氣而使生產裝置處于危險狀態。

b. ESD必須是容錯系統，即ESD在一個或多個元件出現故障時，系統仍能繼續運行的能力。一個容錯系統首先能夠自己檢測出發生故障部件；系統能夠產生這些發生故障部件的報警信息；即使系統存在故障，依然能夠持續正常運行。容錯系統結構的確定又可由站場所要求的安全性和可用度來決定，可用度是基于導致系統的故障進行計算的，這故障有引起系統進入安全狀態的故障(故障安全故障或顯性故障)和引起系統進入危險狀態的故障(故障危險故障或隱性故障)，是系統故障頻度的度量。高可用度的重要性在于系統很少出現進入安全狀態或危險狀態的故障。高安全性的目標在于避免故障的發生，即使系統出現故障時也不會導致災難性的事故。一個理想的ESD應兼顧安全性和可用性要求。

c. ESD按照獨立設置要求獨立于其他控制系統，并且安全級別高于其他控制系統，即ESD中各部分盡量是專用設備，以避免受其他關聯故障或誤操作的影響。一般要求ESD都必須有自己獨立的電源系統，與其他設備和系統電源隔開，不受其他設備和系統電源故障的影響，特別是對要求連續生產運行的計量站更有重要的意義。

d. 在ESD中，安全度等級是ESD基本的設計和應用標準。在ESD的設計過程中，首先要確定生產運行中的安全度等級，依據此安全度等級選擇合適的安全系統技術和配置方式。結合中亞天然氣管道的生產實際情況，確定采用ESD的安全等級要求為SIL3。在正常情況下，ESD系統處于靜態，不需要人為干預。作為安全保護系統，凌駕于生產過程控制之上，實時在線監測裝置的安全性。霍縣天然氣管道計量站的ESD作為SCADA的重要組成部分，用于聯鎖保護和緊急切斷相關閥門，負責在緊急狀態下保障生產安全和人員安全，最大限度減少故障帶來的損失。ESD的正常運行是保障生產運行安全的前提條件，ESD的任何環節出現問題都將是安全隱患。

2 ESD的配置與應用

霍縣計量站的ESD采用Modicon TSX Quantum，該系統已經過安全認證。為保證計量站系統的高可靠性，計量站的ESD模塊采用一定限度的冗余配置。Modicon Quantum 具有先進的熱備系統，組態簡單，操作也比較簡便。通過兩套配置完全相同的ESD控制器，成為主備形式，正常情況下主機負責處理邏輯運算和數據采集以及與備機進行實時通信；備用機則監控主機的運行狀態，當主機不能正常運行時，備機會立即切換接替主機進行工作。

其硬件部分主要有PLC控制器、通信模塊、內部電源模塊及I/O模板等。其中ESD的供電方式分為系統內部供電和系統外部供電。外部供電主要對主機電源模塊和I/O模塊的負載進行供電；而內部供電方式主要對機架模塊實施供電。ESD的原供電方式為電氣專業的一組冗余UPS，輸出一路220V交流到ESD機柜，再由ESD機柜內的兩個交直流轉換模塊輸出兩路24V直流分別給ESD模塊和現場儀器供電，其供電方式如圖1所示。UPS位于低壓配電室內，其輸入電源由市電供電，由于目前計量站的條件限制，沒有其他的外部電源來源。UPS輸出單路不間斷電源，通過一定長度的動力電纜接入ESD機柜的空氣開關，在ESD機柜內，再進行AC和DC轉換，供給ESD所需要電源。電氣UPS通過Modbus通信，給SCADA傳送一些基本信息，但這些信息中的監測點都沒有在SCADA組態報警功能。

圖1 ESD原供電方式

霍縣計量站的ESD觸發條件是位于現場的兩個ESD緊急按鈕和SCADA控制室內的一個ESD緊急按鈕被按下。ESD邏輯的執行過程是兩個進站ESD閥的電磁閥失電，該閥門關閉使天然氣不能進入計量站，同時計量站出站閥的電磁閥失電，該閥門也關閉，切斷輸出方向的天然氣，接著緊急放空閥的電磁閥失電，打開該閥門實現緊急放空，這樣使某計量站處于全站停運狀態。其中出站和入站閥門其ESD動作機構是帶閉鎖性質的三位常關電磁閥，電磁閥的24V電源由ESD機柜內的輸入輸出模塊提供，為確保這些閥門在任何故障狀態下都處于過程安全位置，其電磁閥設計成故障安全型電路，即在正常狀態下，電磁閥通電，如果生產運行有故障則電磁閥斷電觸發ESD動作。因此，如果出站和入站閥的帶閉鎖性質的三位常關電磁閥失電，將導致該閥門自動關斷，同時緊急放空閥的電磁閥也失電，閥門打開，實現站場緊急放空，從而某計量站處于停站狀態。

3 ESD的技術改造

依據ESD的組成和設計原則并結合霍縣計量站現場的實際運行狀況，特別是結合此次UPS電源的故障，使ESD電源掉失，導致計量站停站的事故，在具體分析事故產生的原因并分析了ESD現有的構成后，從而制定和實施了中哈天然氣管道霍縣計量站ESD的技術改造。

3.1 系統缺陷分析

上述事故是由于UPS故障所致，因此首先從ESD的電源供電方式進行綜合分析，發現其缺點在于未能充分考慮ESD電源模塊的冗余容錯本質特點，而是將主電源和備用冗余電源合并在一起，沒有互相備用，并且UPS到ESD機柜之間采用一根較長的動力電纜對ESD進行供電，并且只有此一路電源，如果此一路電源發生故障，則ESD將處于失電狀態。因此該方式對供電回路各環節上存在的風險沒有充分的考慮，經分析歸納該方式下存在的主要問題和風險是：電氣UPS可能發生故障，導致無電源輸出，同時ESD斷電；低壓配電室與ESD控制柜直接的動力電纜可能發生故障，導致ESD系統斷電；ESD控制柜中供電系統的主控開關故障，導致ESD系統斷電；電源轉換器可能發生故障，在此電源中有兩個交直流轉換器，分別為ESD控制器單元和現場儀表等提供24V(DC)電流，并且這兩個交直流轉換器不能互相切換。

以上供電環節中只要有一個環節發生故障都有可能導致ESD發生停電故障，致使計量站停站。在此次事故中，就是因為UPS電源在進行例行檢修時的錯誤操作，導致UPS電源輸出中斷。

ESD電源系統的運行狀態缺少必要的報警信息，且已組態的報警信息也不能簡單明確地提醒生產維護人員。站場原SCADA中，ESD的報警信息也只是簡單在人機界面的報警欄中顯示，沒有給出重要報警信息的明確顯示。

3.2 系統改造計劃

在分析ESD的缺陷和事故原因后，為了保證ESD能夠安全正常地運行，ESD的技術改造就針對這些因素制定了符合現場情況且易于實施的改造方案。

3.2.1ESD增加獨立的UPS電源

在原供電系統中，電氣專業的UPS通過一根動力電纜給ESD的機柜供220V(AC)電源，在ESD的機柜內有兩套AC/DC轉換器輸出為24V(DC)，提供給ESD需要的電源。為使ESD能夠在供電回路的任何環節出現故障時都能夠正常工作，將原供電方式更改為如圖2所示的形式。

圖2 ESD改造后的供電方式

圖2中，虛線內為供電回路中新增設備：在原交直流轉換器后各增加一臺24V(DC)UPS和配套電池模塊，同時將原供電方式改為兩路電源進入一塊電源分配板，對ESD模塊、IO模塊和現場儀表進行供電，這樣就解決了原供電方式中可能出現的故障，并實現了電源冗余。當外部電源供電正常時，24V(DC)UPS可以提供穩定的電流輸出，保證ESD工作的穩定性。在外部供電長時間斷電時也能夠確保ESD無間斷地持續工作。因此，即使ESD機柜外部供電回路中的任何設備，包括電纜、開關及電氣UPS等故障，都能保證ESD正常工作，同時此UPS還實現了互相備用，當有一路發生故障時另一路可以繼續支持ESD正常工作。UPS的工作原理如圖3所示。可以看出，當外接電源發生故障時電源輸出將會無擾動切換到電池，繼續給ESD進行供電。UPS單元可以輸出本身的工作狀態，SCADA收集此狀態數據，并給出明確的報警信息。

圖3 UPS工作原理

3.2.2人機界面組態

在上位機系統中，增加原先電氣UPS的狀態信息和報警信息，同時增加24V(DC)UPS單元的報警信息，包括充放電信息、電池狀態和報警信息。增加單獨的監控和報警畫面，在此畫面中詳細地繪制了供電系統的流程圖和運行狀態。報警信息增加了聲音報警，當報警發生時上位機畫面自動切換到UPS監控畫面，對報警項以閃爍的紅色警示。

3.3 ESD技改的實現

根據制定的技改方案，擇機進行了ESD的改造。根據ESD的負荷及發熱量等情況，選擇合適Phoenix的QUINT DC UPS 20A型UPS和QUINT-BAT/24VDC.12AH型蓄電池單元，UPS單元和蓄電池單元均采用導軌式安裝在ESD控制機柜內。在改造過程中，制定詳實的施工方案，遵循安全有效的原則進行：首先在改造過程中要確保計量站正常的供氣和貿易計量，ESD不能誤動作；系統改造工作中有的詳細記錄，站場運行人員和技術人員緊密配合，將整改過程中可能引起的誤動作原因徹底屏蔽，排除整改過程中存在的隱患；在ESD改造工作中，現場技術人員要對ESD的每一個環節進行認真檢查，在確保不會造成誤動作的前提下，進行整改；對整改后的系統進行測試，確保整改后的功能能夠很好的實現，同時對操作和維護人員進行技術交底和培訓。

4 結束語

中亞天然氣管道霍縣計量站的ESD技術改造，經過了詳實的設計和精心的現場實施，投運后的運行效果證實了該方案中UPS不間斷電源配置合理，能夠安全、可靠、高質量的向ESD系統供電，解決了由于電源故障而造成的ESD不能穩定運行的狀況，保證了計量站的安全平穩運行。