天然气净化厂安全仪表系统设计

杜小芸

（中石化石油工程设计有限公司，东营 257026）

天然气处理装置具有高温、高压、易燃、易爆、工艺复杂而连续性强、安全要求高等特点，为了最大限度地降低装置恶性事故发生的概率，减少计划外停车，设计一套安全可靠、动作及时的安全保护系统十分必要。当装置本身处于危险情况，或者无措施装置的危险性加剧时，系统对装置作出相应的反应，可以使其进入安全状态来确保装置或单元具有一定的安全性。延长气田净化厂已于2014年12月投产，本文以该净化厂为例，从设计的角度出发，讨论安全仪表系统的具体设置。

1 安全仪表系统设计原则

1.1 可靠性原则

对于安全仪表系统，可靠性有2个定义：安全仪表系统本身的工作可靠性；安全仪表系统对工艺过程认知和联锁保护的可靠性及对工艺过程测量、判断和联锁执行的高可靠性。安全完整性等级与最小抑制风险级别AK对应关系如表1所示。

表1 安全完整性等级与最小抑制风险级别AK对应关系Tab.1 Corresponding connection of the safety integrity level and minimum control

为了保证工艺装置的生产安全，安全仪表系统必须具备与工艺过程相适应的安全完整性等级。安全完整性等级按其从高到低依次分为1～4级，在石化行业一般涉及到的只有1、2、3级。

1.2 可用性原则

安全仪表系统应具有硬件和软件自诊断和测试功能，应为每个输入工艺联锁信号设置维护旁路开关，方便进行在线测试和维护时减少因安全仪表系统维护造成的停车。严禁对安全仪表系统输出信号设置旁路开关，以防止误操作导致事故发生[1]。

1.3 独立性原则

安全仪表系统应独立于基本过程控制系统，独立完成安全保护功能。系统的检测元件、控制单元和执行机构应单独设置。如需要，系统应能通过数据通信连接以只读方式与站控系统通信，但禁止站控系统通过通信连接向安全仪表系统写信息。

1.4 故障安全原则

当安全仪表系统的元件、设备、环节或能源发生故障或者失效时，安全仪表系统设计应使工艺过程能够趋向于安全运行或者安全状态[2]。

2 天然气净化厂安全仪表系统设计

延长气田天然气净化厂安全仪表系统由紧急关断系统（ESD）和火气监控系统（FGS）组成，两者共用一套中央处理器，但I/O模板和机架完全独立。该工程采用三重化冗余处理器的故障容错系统，安全等级SIL3（AK6级），系统结构如图1所示。

图1 天然气净化厂系统结构Fig.1 Structure drawing of natural gas disposal station

2.1 紧急关断系统设计

2.1.1 传感器设计

根据设计原则，紧急关断系统与过程控制系统实体分离，该工程在MDEA脱碳单元，需要根据MDEA吸收塔液位调节MDEA富液出口管线调节阀，同时，MDEA吸收塔的低低液位需要联锁关断MDEA富液出口管线紧急关断阀。MDEA吸收塔底设2个液位检测，分别传至站控系统和安全仪表系统，控制液位调节和联锁关断。

2.1.2 执行元件设计

该工程中，在天然气进站、MDEA吸收塔富液出口管线、三甘醇吸收塔三甘醇富液入口管线、三甘醇再生塔底重沸器天然气入口管线、干净化气外输管线设紧急关断阀，干净化气外输设紧急泄放阀，关断和泄放阀是主要的执行元件。选用气动球阀，执行机构选用单作用弹簧复位型，电磁阀选用两位三通电磁阀，24 VDC长期励磁型，紧急关断阀是失电关，紧急泄放阀是失电开。

2.1.3 紧急关断系统总体设计

该工程紧急关断系统采用三重化冗余控制器，双电源冗余结构，互为热备。ESD功能回路遵循故障安全原则，即“1”正常（normal），“0”关断（shutdown），紧急关断系统的停车动作仅由停车逻辑控制，所有主流程的紧急关断阀和泄放阀必须就地复位，确保安全生产。在紧急关断系统上还设置旁路功能，以便于系统启动、操作、维修[3]。

紧急关断系统分为3级，关断级别如表2所示。

表2 紧急关断级别Tab.2 Emergency shutdown level

ESD-1、ESD-2、ESD-3级按钮设有明显的标志及警告牌，并有保护装置防止误操作。某低级别的关断指令均不引起较高级别的关断，只能引起本级别及所有相关的较低级别的关断。

操作台设置硬手操盘，由钥匙开关、保护按钮、指示灯等组成，完成最基本的紧急关断操作。硬手操盘需设置测试按钮，用于测试所有指示灯。

安全仪表系统采集来自安全仪表系统 PLC的SOE（sequence of event）事件顺序记录信息并统一管理。每一关断原因都需要在安全仪表系统PLC上打精确的发生时间标签，分辩率≤10 ms。SOE可根据关断事件发生的先后顺序进行排序，突出显示首报警可方便操作员知道故障发生的首要原因。

2.2 火气监控系统设计

火气监控系统由现场探测设备和控制室气体报警盘、安全监控盘组成。现场火气探测设备探测到可燃气体泄漏或火灾时，发出信号给安全监控系统，以声光形式报警，提示操作人员确认火情，启动全厂报警和消防系统，完成有关的紧急关断。火气探测设备包括气体探测器、火焰探测器、手动报警站等。

有别于紧急关断逻辑的失电停车，火气监控系统是加电消防输出，平时火气输出回路是失电状态，需要消防灭火操作时再带电输出。这与紧急关断系统失电停车正好相反。

2.3 安全仪表系统因果图设计

延长气田净化厂安全仪表系统因果表见表3。

表3 延长气田净化厂安全仪表系统因果表（部分）Tab.3 Cause-effect table of safety instrument system in natural gas disposal station of Yanchang gas field

除硬手操盘的紧急关断/过程关断按钮外，所有停车输入都需要维护超驰，其作用是用正常值取代实际输入值，暂时拆除异常或不符合启动条件的停车输入，短时间令指定的停车输入不参与逻辑（但可以正常报警），待工艺条件具备或维护结束后，再恢复正常，由操作人员手动解除超驰。ESD-1级关断必须由操作人员判断，人工确认后手动启动。ESD-2级关断可由操作人员手动启动（手操盘），也可自动启动（工艺参数触发），除能执行本级关断功能外，ESD-2级关断将能触发ESD-3级关断。

3 结语

安全仪表系统是石化装置降低风险最为有效的保护措施，是装置运行最重要的保护层。因此，在设计、选型、配置安全仪表系统时应以可靠性、可用性、独立性及故障安全为原则，选取合适的安全仪表系统，结合具体工程，设计合适的关断因果逻辑，对控制装置风险，降低非计划停车有重大意义。

[1]GB/T 50770-2013.石油化工安全仪表系统设计规范[S].2013：9-14.

[2]刘瞻.石油化工安全仪表系统的设计[J].石油工业计算机应用，2013（3）：11-14.

[3]GB/T 50823-2013.油气田及管道工程计算机控制系统设计规范[S].2013：15-17.