天然气净化厂联锁停车等级设置探讨

高进，杨廷加，范方真，刘波

(1． 中国石油西南油气田公司 天然气净化总厂，重庆 401147；2． 中国石油西南油气田公司 川东北作业分公司，四川 成都 610051)

天然气净化厂是对天然气进行脱硫(碳)、脱水并对酸气进行处理的工厂[1]。天然气净化厂通常按其所属工艺分为主体装置、生产辅助装置和公用工程装置，其中主体装置包括脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理装置；生产辅助装置包括硫磺成型装置、火炬及放空系统；公用工程装置包括污水处理装置，循环冷却水、蒸汽及凝结水、燃料气、仪表风氮气、消防、供水等系统[2]。其中，主体装置多数为脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理装置一一对应布置，且按列分布，也存在其中的某个或某几个装置多列对单列的布置，如脱硫、脱水装置各2列共用1套硫磺回收、尾气处理装置；生产辅助装置和公用工程装置按装置单元分布。天然气净化厂装置常规布置如图1所示。

天然气净化厂工艺过程具有高温、高压、有毒、有害等特性，属于高危连续生产的化工企业[3]，设置有大量的联锁回路来实现生产装置运行过程中异常情况下的安全紧急停车，确保人员、设备安全，避免危险扩散造成更大的损失，是天然气净化装置安全运行的保护屏障[4]。联锁回路是安全仪表系统的安全仪表功能单元，执行单一的安全功能并实现某个特定的安全保护或控制作用[5]，其由传感器、逻辑解算器和最终元件组成。

图1 天然气净化厂装置常规布置示意

联锁停车等级是指某个联锁回路在联锁条件触发后，为了实现其安全功能而产生的联锁停车动作，联锁停车动作影响范围称之为联锁停车等级。联锁回路的联锁停车动作结果是固定不变的，因此其对应的联锁停车等级也是固定不变的。

不同的联锁停车等级是不同保护层安全功能分配的体现，保护层安全功能分配包括分配预防、控制或减缓过程危险的保护层安全功能。在石油化工工厂或装置中通常采用多个保护层，因此当某一个保护层失效时不会产生或导致严重后果[6]。

1 联锁停车等级设置现状

某公司天然气净化总厂(以下简称净化总厂)，是国内最早从事天然气净化的专业化公司，现有净化装置20套，处理原料天然气能力2.4×1010m3/a，是综合配套齐全、技术先进的大型天然气净化厂[7]。各分厂工艺装置配置情况见表1所列。

表1 净化总厂各分厂工艺装置配置情况1)

净化总厂各分厂均设置有安全完整性等级为SIL3的SIS[8]，通常将联锁回路的联锁停车等级分为四级： 设备级联锁、装置级联锁、工厂级联锁、气藏级联锁，不同联锁停车等级实现不同保护层的安全功能，如图2所示。各分厂联锁回路的联锁停车等级设置情况见表2所列，通过分析研究净化总厂现有联锁回路停车等级设置现状，发现存在以下问题。

图2 不同联锁停车等级的联锁回路保护层级示意

表2 各分厂联锁回路的停车等级设置情况

1.1 联锁停车等级定级错误

联锁停车等级定级错误主要体现在三个方面： 一是联锁回路命名不规范，导致同一联锁回路的名称在各分厂不一致，如设备级的脱硫吸收塔低液位联锁回路，有低液位、低低液位、超低液位联锁回路等，易导致联锁回路定级错误；二是设备级联锁误定义为装置级联锁，尤其是执行器安装在两个或多个工艺流程点上的设备级联锁回路，如原料天然气超压联锁回路为设备级联锁，其联锁动作为关闭进脱硫装置进口阀和打开原料天然气放空切断阀，在联锁停车等级的定级中常被误定义为装置级联锁回路；三是同一联锁条件参数在不同的联锁设定值触发时产生的联锁动作结果是不一致的，其不同联锁设定值的联锁回路应被定义为不同的联锁回路，在实际应用中常被认为是同一联锁回路，因此其对应的联锁停车等级也常被误认为同一联锁停车等级。如脱硫吸收塔低液位联锁回路触发时应为设备级联锁停车，仅关闭脱硫吸收塔富液出口切断阀及控制阀，而其低低液位联锁回路触发时应为脱硫装置联锁停车。在实际应用中常有脱硫吸收塔低低液位联锁回路被误定级为设备级联锁，也有将脱硫吸收塔低液位联锁回路误定级为装置级联锁。

1.2 工厂级联锁定级范围模糊

工厂级联锁定级范围模糊主要体现在： 一是工厂级联锁动作范围不一致，有的将导致全厂装置都联锁停车的联锁回路定义为工厂级联锁，有的将导致主体装置都联锁停车的联锁回路定义为工厂级联锁；二是有多列主体装置的天然气净化厂，存在将单列主体装置联锁停车的联锁回路定级为设备级联锁和工厂级联锁的情况，同时也存在将两列或多列主体装置联锁停车的联锁回路定级为设备级联锁和工厂级联锁的情况。

1.3 串级联锁停车管理问题

串级联锁停车是指由一个联锁停车结果触发另一联锁停车[9]。串级联锁停车的类型有： 一是设备级的联锁停车结果触发另一设备级的联锁停车动作或是触发另一装置级的联锁停车动作；二是装置级的联锁停车结果触发另一装置级的联锁停车动作或是触发多个另一装置级的联锁停车动作。该类型串级联锁停车的联锁等级如何定义目前还未有明确的规定，有的分厂按同一等级管理，有的分厂按高一等级管理，还有的分厂未对串级联锁停车进行管理。

1.4 气藏级联锁设置问题

气藏级联锁设置存在问题主要有： 一是气藏级联锁的概念近几年才出现，到目前为止还没有明确的定义；二是在净化总厂7个分厂中，仅有2个新建分厂设置有气藏级联锁，其余5个分厂均未设置，且已设置气藏级联锁也未投用；三是气藏级联锁的说法不准确，从已设置气藏级联锁回路的联锁动作结果查看，其主要功能是净化厂装置运行异常或故障停车时自动触发上游集输站、阀室、井站和下游集输站的联动；四是该公司所处区域原料天然气、产品天然气的集输管道已各自形成环网，可根据需要实现管网内的跨区域调配，超越了气藏级的区域范围。

1.5 各等级联锁回路数量分布不合理

从表1可知，各等级联锁回路数量分布不合理方面主要有： 一是设备级和装置级联锁回路分布不合理，如三分厂、四分厂、六分厂、七分厂设备级联锁回路的数量远低于装置级的数量，五分厂设备级联锁回路的数量仅比装置级的数量多3个；二是三分厂和六分厂未设置工厂级联锁；三是仅一分厂和二分厂设置有气藏级联锁，其余分厂均未设置；四是横向对比各分厂装置数量与各等级联锁回路的数量，其各个分厂每个等级的联锁回路设置数量是各异的。

2 原因分析

针对上述存在问题，通过对净化总厂联锁回路的设计、操作、管理、运维进行全流程分析研究和归纳总结，得出以下结论：

2.1 现有规范不满足联锁停车等级设置相关要求

研究SY/T 7351—2016《油气田工程安全仪表系统设计规范》对紧急停车的相关规定，紧急停车分为弃厂、泄压停车、过程停车、单元停车4个级别[9]，适用于天然气净化厂紧急停车按钮的设置，不适用于联锁停车分级。其原因为紧急停车分级是按事故或故障影响范围划分的，而联锁停车分级是按联锁动作范围划分的。现有规范无联锁停车等级分级要求，也就没有设备级联锁、装置级联锁、工厂级联锁、气藏级联锁的定义、功能及动作范围等内容，因此其无法满足天然气净化厂联锁回路联锁停车等级的设置要求。

2.2 未对联锁停车等级进行规范管理

各分厂现有联锁回路停车等级未进行总厂级的统一管理，也未有规章制度和管理文件对其进行明确定义，由各分厂按字面意思自行定义。其与操作习惯、管理方式、技术人员的工作经验和能力水平有很大的关联，但随着近年来安全环保质量要求的提高，联锁回路的数量及联锁范围扩大，同时随着单个天然气净化厂装置规模和装置数量的增多，导致在实际应用中对联锁停车等级划分错误的情况越来越多。

工艺参数在DCS中可设置一般、低级、高级、紧急四个报警级别。在联锁回路中作为联锁条件的工艺参数，其设置的联锁值可能对应DCS中低级、高级、紧急三个报警级别中的一个或两个报警值，对应关系使联锁回路命名混乱，导致同一联锁回路出现高(低)、高高(低低)、超高(低)、极高(低)等含有不同联锁停车等级的联锁回路名称，严重影响了联锁停车等级的规范管理。

2.3 对不同联锁停车等级的功能和作用缺乏整体认识

当装置发生事故或异常时，联锁回路首先依据条件触发设备级联锁，关闭单个或部分设备，将危险控制在单个工艺装置的局部范围内；当设备级联锁保护动作失效后，装置级联锁再依据条件动作，关停单个或多个工艺装置；若装置级联锁保护动作失效后，工厂级联锁再依据条件动作，关停单列或多列装置，直至整个工厂停车；当工厂级联锁保护动作后，气藏级联锁动作，减少或关断上下游的天然气流量，实现上下游联动保护。因此，从不同联锁停车等级的保护层级来看，设备级联锁到气藏级联锁，其联锁动作范围是逐渐扩大的；从不同联锁停车等级的动作优先级来看，设备级联锁最先动作、装置级联锁次之、气藏级联锁最后；从不同联锁停车等级的作用来看，其对应联锁回路的数量应按金字塔结构按递减趋势分布。

2.4 联锁回路设置存在区域性

净化总厂从2005年开始独立设置SIS以来，其联锁回路设置仅限于脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理等天然气净化主体装置，大多数天然气净化厂未考虑和覆盖辅助生产装置和公用工程装置，即使有考虑也仅限于少数几个工艺联锁回路，如燃料气系统的压力高联锁、仪表风系统的压力低联锁等，未设置联锁回路的区域或装置其联锁功能由DCS或PLC实现，联锁回路的设置存在区域性导致了工厂级联锁和装置级联锁的混淆。同时随着装置规模的扩大以及多列主体装置分厂的出现，天然气净化厂不再是单列装置，联锁回路的设置存在区域性也加剧了工厂级联锁和装置级联锁的混淆。

2.5 未与上下游联动管理

当天然气净化厂生产异常时，通常需将装置内的天然气泄放至放空火炬系统燃烧以确保装置、人员安全。若设置气藏级联锁，当发生故障时，可通过气藏级联锁回路发出关闭上游井站或原料气天然气输气管线的命令，减少或关闭来料天然气，避免天然气净化厂的放空燃烧，具有明显的经济效益和环保效益。仅2020年该厂放空燃烧天然气约3.297×106m3，造成能源浪费。

天然气净化厂属于含硫天然气开发不可缺少的中间环节，受制于上下游[10]。该公司各分厂与上游的采输气、下游的集配气分属于不同的二级单位管理，即使少数分厂与上游采输气属同一二级单位管理，但由于分属不同的三级单位管理，气藏级联锁回路的投用会因天然气净化厂的故障或事故导致上游采输气井站等联锁停车，增加了工作量和安全风险，因此导致早期建设的天然气净化厂未设置气藏级联锁，同时也是新建天然气净化厂气藏级联锁未投运的原因。

3 改进建议

综上所述，以下将从联锁停车等级的设置、定义、联锁动作、管理四个方面提出改进建议。不同联锁停车等级的联锁动作范围界定如图3所示。

图3 不同联锁停车等级的联锁动作范围示意

3.1 联锁停车等级设置

联锁停车等级设置改进建议如下：

1)根据气藏级联锁设置现状以及净化总厂各分厂上下游现状，并考虑该等级停车联锁的功能和作用，将气藏级联锁更名为上下游联动联锁。

2)上下游联动联锁动作设置。为了减少天然气放空燃烧量和联锁动作带来的影响，考虑到天然气净化厂上下游各自的特点，下游联锁停车后需联锁停车上游，但上游联锁停车后不必联锁停车下游。如某分厂联锁停车后，需要联锁停车上游井站，而上游井站的联锁停车则不能联锁停车该分厂。

3)装置级联锁停车动作设置。天然气净化主体装置的工艺流程顺序为脱硫装置、脱水装置、硫磺回收装置、尾气处理装置，考虑到废气排放、燃料气放空燃烧以及装置间的关联性等，脱硫装置、脱水装置中任一装置联锁停车，不能联锁停车其他装置；若硫磺回收装置、尾气处理装置中任一装置联锁停车，可联锁停车其他装置。如脱硫装置联锁停车后，不会联锁停车脱水装置、硫磺回收装置、尾气处理装置。

4)设备级联锁、装置级联锁、工厂级联锁不同联锁停车等级的联锁回路数量应按金字塔结构呈递减趋势分布。

3.2 联锁停车等级重新定义

不同联锁停车等级的定义应按照其联锁动作结果或动作影响的范围进行定义，建议如下：

1)上下游联动联锁。天然气净化装置在生产过程中因工艺参数变化或设备故障等原因需要对天然气净化厂上下游场站或设备进行联锁，或者上下游场站或设备在生产过程中因工艺参数变化或设备故障等原因需要对天然气净化装置进行联锁。

2)工厂级联锁。天然气净化装置在生产过程中因工艺参数变化或设备故障等原因需要对天然气净化厂进行联锁停车，若天然气净化厂由多列装置组成，工厂级联锁包括对某一列装置或多列装置或全部装置联锁停车。

3)装置级联锁。天然气净化装置在生产过程中因工艺参数变化或设备故障等原因需要对天然气净化厂某列装置内的某个单元级工艺装置进行联锁停车。

4)设备级联锁。天然气净化装置在生产过程中因工艺参数变化或设备故障等原因需要对天然气净化厂某个单元级工艺装置内的某台设备或某几台设备进行联锁。

3.3 联锁停车等级的联锁动作

不同联锁停车等级动作优先级次序为设备级联锁、装置级联锁、工厂级联锁、上下游联动联锁。当装置发生异常时，设备级联锁动作首先触发，当其保护失效时触发装置级联锁，依次逐级触发，直至上下游联动联锁，如图3所示。

3.4 联锁停车等级新管理模式

联锁停车等级新管理模式如下：

1)制定天然气净化厂联锁回路联锁停车等级规定相关的制度、文件以及规范。目前，净化总厂正在制定企业级规范《天然气净化装置联锁回路设置规范》，预计2022年发布。

2)结合该公司目前大力推进的数字化转型、智能化建设契机，借助“油公司改革模式”导致生产管理模式、组织方式、管理制度等变化，转变观念，提高管理层对天然气净化厂上下游联动管理的认识和作用，加快已有上下游联动联锁的实施应用与优化，从而促进天然气净化厂上下游联动从人工管理到生产装置的自动联锁，提升上下游联动管理的水平和质量。同时设置上下游联动联锁动作确认按钮，规避上下游联动联锁因果分属不同单位带来的管理责任划分问题。

4 结束语

联锁停车等级是对不同联锁回路实施保护层安全功能分配的重要依据，其合理设置能有效预防、控制和减缓过程危险，降低风险目标，从而实现人员、设备安全。通过对现有联锁回路停车等级设置现状进行调查研究，并针对存在的问题从联锁停车等级的设置、定义、联锁、管理4个方面提出整改建议，指导新建和已建净化厂联锁回路合理设置，从而实现不同联锁回路联锁停车等级的规范管理。