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陳國元（1970-）男，遼寧省盤錦人，畢業于大慶石油大學機械制造自動化專業，工程師，長期從事石油化工自動化設計工作。
摘要：ESD系統是長輸管道自動化系統的重要組成部分，本文對大慶－錦西原油管道工程ESD系統、水擊超前保護的設計進行了闡述。
關鍵詞：ESD；PLC；SCADA；RTU；SIL；水擊超前保護
Abstract: The ESD system is very an important part for long distance Pipeline. The article expatiates the ESD system and the protection system for water hammer in long distance Pipeline.
Key words: ESD; PLC; SCADA; RTU; SIL; The Protection System for Water Hammer
1 概述
目前國內長輸管道的緊急停車（ESD）系統大都依托長輸管線各站場的站控系統，各站場的緊急關斷設備信號與站場過程控制檢測設備信號共同接入站控系統，在站控系統的設置上一般考慮了站控系統PLC的CPU、電源、通訊及部分關鍵設備I/0模塊的冗余設置。各站控系統通過通訊網絡把信號傳入調控中心，構成整個管道的SCADA系統。由于各站場沒有獨立的ESD系統，事故發生時，緊急停車完全依賴于站控系統和手動執行，因此降低了ESD的可用度。根據對大慶－錦西輸油管道聯鎖系統安全完整性水平（Safety Integrity Level, SIL）的評估，得出的結論認為大慶－錦西輸油管道的各站場及線路應屬于可能偶爾發生事故。如事故發生，對裝置和產品有較大的影響，并有可能造成環境污染和人員傷亡，經濟損失較大。根據《石油化工安全儀表系統設計規范》SH/T-3018-2003的規定，安全度等級確定為2級。根據規范要求，安全度2級應設立設置ESD系統，而且ESD系統的邏輯運算器應與過程控制系統分開，系統的檢測控制設備宜與過長控制系統分開。并結合目前北京油氣調控中心的管理模式，在大慶－錦西輸油管道工程自控系統設計上確立了一種獨特的設計模式。各站控系統改為由過程監控、ESD和火&氣三個子系統構成。過程監控、ESD和火&氣系統采用獨立的專用PLC，分別用于采集和處理工藝控制信號，安全保護儀表信號和火災&可燃氣體信號。過程監控單元采用可靠性高，適應現場環境的可編程序邏輯控制器(PLC)。ESD和火&氣控制單元采用專用PLC控制器，按SIL2 級設置。ESD子系統以只讀方式把信號傳輸給站控系統，站控系統可對ESD所有信號進行監視，而當事故發生時，ESD系統獨立進行控制，這樣就大大提高了系統的可操作性及可用度。
由于長輸管道的工藝特性，各站場的緊急停車會給全線的生產帶來嚴重的危害，甚至會發生水擊；同樣，水擊的發生也需要各站場采取相應的措施來避免危害的發生和擴散。因此，結合這些特點，在沈陽調控中心單獨設置一套專用PLC，通過單獨的通訊信道與各站場ESD系統連接，構成全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統。
2 大慶－錦西原油管道自控系統的組成
大慶-錦西原油管道工程包括1條干線管道和1條支線管道。其中干線起自大慶林源經鐵嶺止于錦西，線路沿途共經過3省8市，自北向南依次為大慶市、松原市、長春市、四平市、鐵嶺市、沈陽市、錦州市、葫蘆島市。大慶-鐵嶺段設計輸量為3000x104t/a，管徑Φ914mm，管道基本沿慶-鐵線并行；鐵嶺-錦西段設計輸量為1000x104t/a，管徑Φ610mm，管道基本沿鐵-秦線并行敷設至葫蘆島末站。干線管道全長866km、設計壓力8.0MPa，共設7座站場(林源首站、新廟清管站、農安泵站、梨樹清管站、鐵嶺分輸站、黑山泵站、錦西末站),11座遠控閥室和8座陰極保護站(除6#、7#陰極保護站外其它站與站場合建)。支線管道起自干線管道的范家屯分輸站，止于雙陽末站。支線設計輸量為200x104t/a，線路全長66km，設計壓力6.3MPa，管徑Φ323.9mm，共設站場2座。
管道全線的日常運行管理、維護和搶修由大慶、長春、沈陽和錦州輸油公司負責。
根據大慶-錦西原油管道的工藝特點，分別在林源首站、農安泵站、范家屯分輸站、鐵嶺站、黑山泵站、錦西末站、雙陽熱泵站采用工藝站場控制系統，在各遠控閥室設置遠程終端裝置（RTU）。全線的數據將通過光纜和公網備用信道傳至北京油氣調控中心和廊坊備用調控中心，從而構成整個管道的監控與數據采集系統 (SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition System)。各站控系統由過程監控、ESD和火&氣三個子系統構成。ESD系統和火&氣系統是相對獨立的控制系統，與過程控制系統分開。各遠控閥室RTU信號根據其管理區域劃分，傳入就近站場站控系統的ESD子系統中。
表1 各工藝站場設SCADA系統的站控系統（SCS）
表2 各遠控閥室設RTU
圖1 SCADA 系統結構圖
3 站控ESD子系統
3.1 各站控ESD子系統的設置原則
(1) ESD系統獨立于過程控制系統，獨立完成安全保護功能。
(2) 當過程達到預定條件時，ESD系統動作，使被控制過程轉入安全狀態。
(3) 本工程ESD系統的安全度等級按SIL2級設計。
(4) ESD系統具有硬件和軟件診斷和測試功能。
(5) ESD系統的檢測單元、最終執行單元獨立設置。
(6) ESD系統設置獨立于邏輯運算器的手動設施，直接操作最終執行單元。
3.2 各站控ESD子系統的配置
ESD系統應具有相應的安全等級認證(建議優先采用TUV認證)。ESD系統的邏輯運算器由可編程序控制器(PLC)構成，其中央處理單元、電源、通訊系統冗余配置。
硬件：主要由處理器CPU、I/O系統、網絡通信系統、電源、安裝附件等構成。
軟件：程序編程軟件、用戶應用軟件等。
3.3 ESD系統的邏輯說明
ESD系統的保護等級分為全線ESD保護、單元(站場或遠控截斷閥室)ESD保護和設備(輸油泵等)ESD保護。
ESD系統的保護動作分為手動觸發和自動觸發兩種模式。無論ESD命令從何處下達及站控系統處于何種操作模式，ESD控制命令具有最高優先級，可直接到達被控設備，并按邏輯要求進行動作。所有設備執行ESD動作后，將閉鎖，只能在現場人工復位后才能再次啟動。為了保證設備檢修等代來的影響不干擾ESD系統，各ESD系統的保護動作具有維護屏蔽功能。經過不同級別的授權后，SCADA系統將傳輸維護屏蔽信號(MOS)至站場緊急停車系統，屏蔽相應的設備。只有站場緊急停車系統的維護屏蔽使能開關(MOES)處于觸發狀態時，SCADA系統的MOS才起作用。
全線ESD保護觸發條件：
(1) 全線ESD按鈕動作(如發生火災或管道破裂后大量原油泄漏)。
(2) 全線ESD系統自動觸發(如單元ESD保護動作或遠控截斷閥事故關斷等)。
單元ESD保護觸發條件：
(1) 從全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統發出的ESD命令。
(2) 單元ESD按鈕動作(如：站場發生火災等)。
(3) 單元ESD系統自動觸發(如：出站閥事故關斷等)。
設備ESD保護觸發條件：
(1) 從全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統發出的ESD命令。
(2) 單元ESD發出的ESD命令。
(3) 設備ESD按鈕動作。
(4) 設備ESD自動觸發(如輸油泵的溫度、振動、軸封泄漏等參數超限、進出站壓力超限等)。
4 全線緊急停車(ESD)及水擊超前保護系統
4.1 全線緊急停車（ESD）
由于整個管線是一個有機的整體，任何一個控制單元(站場或遠程截斷閥室)的緊急停車會立刻影響到上下游，發生水擊，整個管線的控制單元必須協調一致，避免危險擴散，造成巨大的損失。基于這方面的特點，并結合整個管道的管理權限劃分，通過在沈陽調控中心單獨設置一套上位ESD管理系統，通過單獨的通訊信道與各站場ESD系統和遠程截斷閥RTU連接，來實現全線緊急停車(ESD)。
4.2 水擊超前保護
大慶-錦西原油管道落差較大,采用密閉輸送流程，泵站站距遠，工況復雜。根據工藝專業對站場進出口、RTU閥誤關斷，各站場泵機組非正常停泵，各站場計劃外停電、各站場著火4 種意外情況的研究結論，編制出相應的措施，通過沈陽調控中心設置的上位ESD管理系統，通過單獨的通訊信道與各站場ESD系統連接，來執行管線的水擊超前保護程序，避免水擊的發生，減少管道全線停輸的可能性及保證全線管道不會出現超壓破裂的事故。
圖2 全線緊急停車及水擊超前保護系統結構圖
5 結束語
通過以上敘述，介紹了大慶－錦西原油管道工程ESD系統的構成，通過各站場ESD子系統、通訊網絡及上位ESD管理系統來構成全線ESD及水擊超前保護系統，保證了ESD系統的可靠性和整個輸油管道SCADA系統的完整性。
參考文獻
[1] IEC61508，電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全，國際電工學會[S].
[2] GB/T 20438-2006, 電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全[S].
[3] SH/T 3018-2003 ,石油化工安全儀表系統設計規范[S]
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號