天然气管道某计量站ESD系统的技术改造

邱昌胜

(中国石油中亚天然气管道有限公司，北京 100076)

中亚天然气管道在我国能源战略发展的国际通道中占重要地位，起始于土库曼斯坦与乌兹别克斯坦边境的格达伊姆地区，并穿越乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦境内，在新疆维吾尔自治区霍城县进入中国境内，与同期建设的西气东输二线衔接。双线共设4座计量站、8座压气站、34座收发球站、200座阀室，将清洁能源天然气输入中国。霍城县境内设有中亚天然气管道的末站，负责输气量的计量，是中哈两国海关关于中亚天然气管道天然气计量交接的计量站。该站由两组共8台流量计和流量计算机组成站场计量系统，站场的数据采集与监视控制系统(SCADA)由站控系统(SCS)及紧急停车系统(ESD)等组成，负责站点的工艺数据采集和过程监控，SCS负责工艺过程控制，ESD负责站场装置的安全保护控制，是站场安全运行的重要保障。

霍县计量站的ESD经过几年的生产运行，起到了很好的生产保护作用，但也暴露了一些不足。特别是一次ESD电源故障而导致现场的ESD阀门动作，造成了不必要的生产装置停产。虽然现场采取了应急措施，但对输气还是产生了一定的影响，造成了不应有的经济损失。此次事故也暴露了原ESD是一个没有容错能力的系统，是一个故障安全系统，同时在SCADA中ESD的模块运行状态的监控特别是电源模块的状态监控在HMI中没有报警机制，使生产维护人员不能及时发现模块的故障，而且对生产事故的查询分析也造成了困难。ESD所发生的故障是危险故障，ESD功能丧失，装置继续运行将导致重大损失或灾难性事故，需较长时间才能恢复生产，因此提高计量站ESD的冗余容错能力并提供足够的部件故障诊断报警信息的技术改造势在必行。为此在分析其ESD的结构和优缺点的基础上，遵循ESD的可靠性原则，从计量站的应用实际出发进行技术改造，制定了最优化的并切合实际的技术改造方案。

ESD系统是对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行响应和保护，使生产装置进入预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可接受的最低程度，保证人员、设备、生产装置和工厂周边社区的安全。ESD系统必须具有以下特点：

a. ESD故障本质安全型，即在ESD自身故障时保证计量站场生产装置按已知预定方式进入安全状态，避免由于ESD自身故障或因停电、停气而使生产装置处于危险状态。

b. ESD必须是容错系统，即ESD在一个或多个元件出现故障时，系统仍能继续运行的能力。一个容错系统首先能够自己检测出发生故障部件；系统能够产生这些发生故障部件的报警信息；即使系统存在故障，依然能够持续正常运行。容错系统结构的确定又可由站场所要求的安全性和可用度来决定，可用度是基于导致系统的故障进行计算的，这故障有引起系统进入安全状态的故障(故障安全故障或显性故障)和引起系统进入危险状态的故障(故障危险故障或隐性故障)，是系统故障频度的度量。高可用度的重要性在于系统很少出现进入安全状态或危险状态的故障。高安全性的目标在于避免故障的发生，即使系统出现故障时也不会导致灾难性的事故。一个理想的ESD应兼顾安全性和可用性要求。

c. ESD按照独立设置要求独立于其他控制系统，并且安全级别高于其他控制系统，即ESD中各部分尽量是专用设备，以避免受其他关联故障或误操作的影响。一般要求ESD都必须有自己独立的电源系统，与其他设备和系统电源隔开，不受其他设备和系统电源故障的影响，特别是对要求连续生产运行的计量站更有重要的意义。

d. 在ESD中，安全度等级是ESD基本的设计和应用标准。在ESD的设计过程中，首先要确定生产运行中的安全度等级，依据此安全度等级选择合适的安全系统技术和配置方式。结合中亚天然气管道的生产实际情况，确定采用ESD的安全等级要求为SIL3。在正常情况下，ESD系统处于静态，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。霍县天然气管道计量站的ESD作为SCADA的重要组成部分，用于联锁保护和紧急切断相关阀门，负责在紧急状态下保障生产安全和人员安全，最大限度减少故障带来的损失。ESD的正常运行是保障生产运行安全的前提条件，ESD的任何环节出现问题都将是安全隐患。

2 ESD的配置与应用

霍县计量站的ESD采用Modicon TSX Quantum，该系统已经过安全认证。为保证计量站系统的高可靠性，计量站的ESD模块采用一定限度的冗余配置。Modicon Quantum 具有先进的热备系统，组态简单，操作也比较简便。通过两套配置完全相同的ESD控制器，成为主备形式，正常情况下主机负责处理逻辑运算和数据采集以及与备机进行实时通信；备用机则监控主机的运行状态，当主机不能正常运行时，备机会立即切换接替主机进行工作。

其硬件部分主要有PLC控制器、通信模块、内部电源模块及I/O模板等。其中ESD的供电方式分为系统内部供电和系统外部供电。外部供电主要对主机电源模块和I/O模块的负载进行供电；而内部供电方式主要对机架模块实施供电。ESD的原供电方式为电气专业的一组冗余UPS，输出一路220V交流到ESD机柜，再由ESD机柜内的两个交直流转换模块输出两路24V直流分别给ESD模块和现场仪器供电，其供电方式如图1所示。UPS位于低压配电室内，其输入电源由市电供电，由于目前计量站的条件限制，没有其他的外部电源来源。UPS输出单路不间断电源，通过一定长度的动力电缆接入ESD机柜的空气开关，在ESD机柜内，再进行AC和DC转换，供给ESD所需要电源。电气UPS通过Modbus通信，给SCADA传送一些基本信息，但这些信息中的监测点都没有在SCADA组态报警功能。

图1 ESD原供电方式

霍县计量站的ESD触发条件是位于现场的两个ESD紧急按钮和SCADA控制室内的一个ESD紧急按钮被按下。ESD逻辑的执行过程是两个进站ESD阀的电磁阀失电，该阀门关闭使天然气不能进入计量站，同时计量站出站阀的电磁阀失电，该阀门也关闭，切断输出方向的天然气，接着紧急放空阀的电磁阀失电，打开该阀门实现紧急放空，这样使某计量站处于全站停运状态。其中出站和入站阀门其ESD动作机构是带闭锁性质的三位常关电磁阀，电磁阀的24V电源由ESD机柜内的输入输出模块提供，为确保这些阀门在任何故障状态下都处于过程安全位置，其电磁阀设计成故障安全型电路，即在正常状态下，电磁阀通电，如果生产运行有故障则电磁阀断电触发ESD动作。因此，如果出站和入站阀的带闭锁性质的三位常关电磁阀失电，将导致该阀门自动关断，同时紧急放空阀的电磁阀也失电，阀门打开，实现站场紧急放空，从而某计量站处于停站状态。

3 ESD的技术改造

依据ESD的组成和设计原则并结合霍县计量站现场的实际运行状况，特别是结合此次UPS电源的故障，使ESD电源掉失，导致计量站停站的事故，在具体分析事故产生的原因并分析了ESD现有的构成后，从而制定和实施了中哈天然气管道霍县计量站ESD的技术改造。

3.1 系统缺陷分析

上述事故是由于UPS故障所致，因此首先从ESD的电源供电方式进行综合分析，发现其缺点在于未能充分考虑ESD电源模块的冗余容错本质特点，而是将主电源和备用冗余电源合并在一起，没有互相备用，并且UPS到ESD机柜之间采用一根较长的动力电缆对ESD进行供电，并且只有此一路电源，如果此一路电源发生故障，则ESD将处于失电状态。因此该方式对供电回路各环节上存在的风险没有充分的考虑，经分析归纳该方式下存在的主要问题和风险是：电气UPS可能发生故障，导致无电源输出，同时ESD断电；低压配电室与ESD控制柜直接的动力电缆可能发生故障，导致ESD系统断电；ESD控制柜中供电系统的主控开关故障，导致ESD系统断电；电源转换器可能发生故障，在此电源中有两个交直流转换器，分别为ESD控制器单元和现场仪表等提供24V(DC)电流，并且这两个交直流转换器不能互相切换。

以上供电环节中只要有一个环节发生故障都有可能导致ESD发生停电故障，致使计量站停站。在此次事故中，就是因为UPS电源在进行例行检修时的错误操作，导致UPS电源输出中断。

ESD电源系统的运行状态缺少必要的报警信息，且已组态的报警信息也不能简单明确地提醒生产维护人员。站场原SCADA中，ESD的报警信息也只是简单在人机界面的报警栏中显示，没有给出重要报警信息的明确显示。

3.2 系统改造计划

在分析ESD的缺陷和事故原因后，为了保证ESD能够安全正常地运行，ESD的技术改造就针对这些因素制定了符合现场情况且易于实施的改造方案。

3.2.1ESD增加独立的UPS电源

在原供电系统中，电气专业的UPS通过一根动力电缆给ESD的机柜供220V(AC)电源，在ESD的机柜内有两套AC/DC转换器输出为24V(DC)，提供给ESD需要的电源。为使ESD能够在供电回路的任何环节出现故障时都能够正常工作，将原供电方式更改为如图2所示的形式。

图2 ESD改造后的供电方式

图2中，虚线内为供电回路中新增设备：在原交直流转换器后各增加一台24V(DC)UPS和配套电池模块，同时将原供电方式改为两路电源进入一块电源分配板，对ESD模块、IO模块和现场仪表进行供电，这样就解决了原供电方式中可能出现的故障，并实现了电源冗余。当外部电源供电正常时，24V(DC)UPS可以提供稳定的电流输出，保证ESD工作的稳定性。在外部供电长时间断电时也能够确保ESD无间断地持续工作。因此，即使ESD机柜外部供电回路中的任何设备，包括电缆、开关及电气UPS等故障，都能保证ESD正常工作，同时此UPS还实现了互相备用，当有一路发生故障时另一路可以继续支持ESD正常工作。UPS的工作原理如图3所示。可以看出，当外接电源发生故障时电源输出将会无扰动切换到电池，继续给ESD进行供电。UPS单元可以输出本身的工作状态，SCADA收集此状态数据，并给出明确的报警信息。

图3 UPS工作原理

3.2.2人机界面组态

在上位机系统中，增加原先电气UPS的状态信息和报警信息，同时增加24V(DC)UPS单元的报警信息，包括充放电信息、电池状态和报警信息。增加单独的监控和报警画面，在此画面中详细地绘制了供电系统的流程图和运行状态。报警信息增加了声音报警，当报警发生时上位机画面自动切换到UPS监控画面，对报警项以闪烁的红色警示。

3.3 ESD技改的实现

根据制定的技改方案，择机进行了ESD的改造。根据ESD的负荷及发热量等情况，选择合适Phoenix的QUINT DC UPS 20A型UPS和QUINT-BAT/24VDC.12AH型蓄电池单元，UPS单元和蓄电池单元均采用导轨式安装在ESD控制机柜内。在改造过程中，制定详实的施工方案，遵循安全有效的原则进行：首先在改造过程中要确保计量站正常的供气和贸易计量，ESD不能误动作；系统改造工作中有的详细记录，站场运行人员和技术人员紧密配合，将整改过程中可能引起的误动作原因彻底屏蔽，排除整改过程中存在的隐患；在ESD改造工作中，现场技术人员要对ESD的每一个环节进行认真检查，在确保不会造成误动作的前提下，进行整改；对整改后的系统进行测试，确保整改后的功能能够很好的实现，同时对操作和维护人员进行技术交底和培训。

4 结束语

中亚天然气管道霍县计量站的ESD技术改造，经过了详实的设计和精心的现场实施，投运后的运行效果证实了该方案中UPS不间断电源配置合理，能够安全、可靠、高质量的向ESD系统供电，解决了由于电源故障而造成的ESD不能稳定运行的状况，保证了计量站的安全平稳运行。