ESD系统在天然气输气管道的应用探讨

高英田

摘 要：天然气在输送的过程中，因其易燃易爆的特性，容易发生爆炸的危险，因此，对输送管道进行安全管理以及实时监测，对防止安全隐患的发生具有重要的作用。本文将对ESD系统在西气东输天然气输气管道中的应用进行介绍，通过对运行情况、性能的可靠性等的分析，确定其应用价值，为其大范围的推广使用提供参考依据。

关键词：ESD系统；天然气；输气管道；应用

一、ESD系统简介

ESD系统在设计和制造阶段就已经达到了很高的安全等级，其可靠性体现在安全和可用两个方面。安全性和可用性在某种程度上是一对矛盾体，安全性强调系统的动作可靠，可用性则着重于系统的容错能力，一味强调安全性会使系统的可用性降低，维护性能变差，设备投资增加，而过于强调可用性则会给系统的安全带来风险。如何平衡安全性和可用性，则是系统集成过程中需主要解决的问题。对于如何提高ESD系统的可靠性，不应狭隘地局限在主控制室的几个机柜中，而应综合考虑ESD系统、机组、现场仪表、配电、操作人员的日常操作以及维护人员的维护等因素。由于ESD系统主要承担大型机组和关键流程的紧急停车。正常情况下ESD系统是处于静态的，不需要人为干预，但作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。对其要求必须做到该动则必须动，不该动则不动。总之，ESD系统的特点有：

（一）系统响应速度快，有利于保护大型设备，避免事故扩大，有利于分辨事故原因；

（二）ESD是静态的，不需要人为干预，可以避免人为误动作；

（三）ESD扫描周期可以达到毫秒级，系统可以做到三重化容错，降低控制功能和安全功能同时失效的概率。

二、ESD系统的结构组成

（一）检测单元

利用仪表和系统将控制功能及安全连锁功能分开，切断了ESD系统和过程控制系统的联系，经过物理隔离之后的ESD系统能够单独地实施安全监控和隐患处理，从而保证生产过程安全。

（二）控制单元

由三个部分组成，即输入模块、逻辑运算模块和输出模块，在信息自动传导到输入模块之后，经过运算之后就可确定运行过程中是否有故障生成。一般情况下，ESD系统会有一个特殊的硬件配置，用以确保运行系统安全。

（三）执行单元

在ESD系统中，执行单元的危险系数最高，通常为阀门或机构。在ESD系统正常工作的情况下，执行单元处于静止状态，这一状态直至持续到ESD系统运行状况不良好时才会改变。执行单元的可靠性对ESD系统的安全性具有重要的影响。

三、ESD系统的设计原则

为了达到及时检测和处理危险的目的，系统设计要尽量减少中间环节，以缩短系统感受危险的时间。同时，为了保障系统的可靠性和灵活性，在设计上应采用故障安全型以及冗余容错结构。

（一）ESD系统故障安全原则

故障安全原则指ESD系统受到外界干预而使系统安全保障功能失效时，受保护对象能够按照预定的运转程序进入安全停车状态。

（二）ESD系统的冗余容错

冗余是将具有相同功能的模块或部件进行联系以后，能够对系统故障进行自动检测，并自动转入后备设备中。容错是在功能模块无法发挥功能性作用的情况下，能够替代失效模块继续发挥特定的功能。两者存在辨证统一的关系。

（三）ESD系统的安全完整性

在安全系统当中，系统完整性对于安全效率的发挥具有重要的作用。在确定ESD系统安全完整性的过程中，需要对破坏安全性的因素进行研究，进而提出安全保障措施。安全完整性等级为系统的性能提供了衡量标准，一般等级越高，安全性能越好，出现错误的几率也就越小。

四、ESD系统在天然气输气管道中的应用

西气东输站场ESD系统设计研究。西气东输天然气管道的建立对于我国能源战略的实施具有重要的作用。管道始于中亚土库曼斯坦与乌兹别克斯坦边境的格达伊姆地区，经过乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦境内，进入到我国新疆维吾尔地区的霍城县。西一线到达上海，西二线到达广州、香港地区，沿线设置了一定数量的阀室、站场，保障了能源运输的畅通。

广州分输压气站的ESD系统采用了经安全检验合格后的霍尼韦尔SafetyBuilder。为了保证计量系统的可靠性，ESD模块一般采用限度一定的冗余装置。通过两套完全相同的ESD控制器，以主机和备用机的形式进行工作运行转换。计量站ESD系统采用系统内部供电和系统外部供电两种供电方式，以避免上述问题的出现。外部供电主要向主机以及I/O模块的负载进行供电，而内部供电主要向机架模块供电。

站场ESD系统，是在原有控制系统基础中，增加一套EmergencyShutdownDevice（简称ESD）紧急停车系统，当站内发生事故时，可通过ESD系统进行紧急关闭，并切断站场内与上游及下游管道的联系，同时通过紧急放空阀自动打开，将站内天然气放空，可以保护站场的安全并减少事故状态下天然气的损失。

所以，首先在站场装设一套安全仪表系统，通过对会引发站场事故的重要事故源如可燃气体（CH4、火焰等進行检测，待检测到这些现场事故源超出正常范围时，通过传感器，传递至控制系统，待控制系统经过逻辑运算，最终给现场控制元件给出指令，实现连锁开关状态。即进行及时响应并触发紧急停运机制，作出关闭进、出站阀门、停运压缩机组、开启越站流程和放空阀门、触发报警等一系列动作。

五、结语

天然气输气管道运行事故的发生将造成重大的人员伤害和生产损失，因此，对于处理可引发安全事故发生，降低安全隐患的ESD系统，其安全运行情况将直接关系到检测结果的好坏，要给予高度的重视。对于ESD系统检测单元，要达到一定的等级，为保护系统的运行安全创造条件。

参考文献：

[1]廖珈博，曹志柱，郭渠江.川气东送管道站场ESD系统误触发原因及对策[J].油气储运，2014，06：680-684.

[2]朱喜平，张来斌，梁伟.长输管道压气站安全仪表系统[J].油气田地面工程，2014，06：8-9.

[3]孙威.站控天然气管道SCADA系统的改进设计及应用[D].辽宁工程技术大学，2012.

[4]李垚.数据库技术在天然气传输监控系统中的综合应用[D].山东大学，2011.

[5]郭莉，程晓峰，巩忠旺，高扬，刘严强.输气站场埋地管道的腐蚀与防护[J].全面腐蚀控制，2012，10：31-35.