ESD(Emergency Shutdown Device)系统是紧急停车系统，如图 1所示，ESD系统通常由检测元件、逻辑控制器、执行元件、软件及配套附件(包括电源、输入/输出接口、浪涌保护器等)组成。为保障输气站场安全生产、降低生产过程风险，ESD系统所要求实现的安全功能就是当站场发生泄漏、火灾等事故时，ESD系统能迅速启动，切断气源，控制和避免事态扩大[1-3]。
ESD系统设计遵循四项原则[4]，即：独立设置原则、中间环节最少原则、故障安全型原则和冗余容错原则。合理的系统设计不仅能降低生产过程恶性事件发生概率、避免对人身和设备安全造成重大伤害，同时还有利于减少过度安全保障带来的人、财、物力的浪费。
随着石化企业向集中化、精细化和自动化方向发展，ESD系统在输气站场的应用日益广泛。目前，川渝天然气骨干管网中共有24座输气站场建设了ESD系统，针对输气站场ESD系统应用中存在的问题，结合国内外标准规范要求[5-11]，提出了优化方案。
川渝地区输气站场ESD系统主要由检测元件、控制元件、执行元件三部分构成。当检测到非安全因素时，检测元件将检测到的非安全因素转换成电信号，传递给控制元件，控制元件按照事先设定的程序进行逻辑运算后，将控制指令下达到执行元件，指挥执行元件动作。
川渝地区输气站场采用ESD触发按钮、可燃气体检测器和火焰探测器作为检测元件，用于检测并发出ESD系统动作指令。ESD触发按钮分为紧急停车按钮和紧急放空按钮两类，其中紧急停车按钮实现ESD系统触发后，只切断进出气源而不放空的操作；紧急放空按钮实现ESD系统触发后，切断进、出气源并放空的操作。
逻辑控制器和软件共同组成了ESD系统控制元件，主要功能是对输入的ESD电信号进行逻辑运算并输出运算结果，指挥执行元件动作。川渝地区输气站场逻辑控制器分为继电器逻辑控制器和PLC逻辑控制器两类。
川渝地区输气站场采用带ESD功能的阀门(指阀门的执行机构具备ESD功能)作为执行元件，包括干线气液联动球阀和电动/气动放空球阀，用于最终实现ESD系统安全保护动作。
ESD系统附件包括ESD系统电源、输入/输出接口、浪涌保护器、卡套等。作为ESD系统的配套部分，附件的作用包括保证ESD系统供电安全、保持ESD系统功能安全，合理的附件配置对确保ESD系统发挥安全功能具有重要的作用。
为了说明输气站场ESD系统逻辑控制过程，图 2给出了A输气站场ESD系统控制逻辑图。该输气站场采用ESD触发按钮作为ESD系统检测元件，在值班室和工艺区共设置有4个按钮。其中HS_1001、HS_1002和HS_1003为紧急放空按钮，HS_1004为紧急停车按钮；控制元件采用PLC逻辑控制器，执行元件包括干线气液联动球阀和气动放空球阀。以输气站场ESD紧急放空按钮(HS_1001)发出ESD指令为例，当站场员工按下ESD紧急放空按钮，HS_1001控制电路接通；控制元件接到电信号并进行逻辑运算后，一方面对声光报警器下达启动指令，启动声光报警器YA_1001和YA_1002，实现声光报警。另一方面对干线气液联动球阀下达关阀指令，指挥ESDV_1101、ESDV_1201和ESDV_1301关闭，实现干线进、出站气源切断；与此同时，控制元件监控球阀运动情况，当接收到关阀到位反馈信号后，控制元件对气动放空球阀下达开阀指令，指挥ESDV_2501开启，实现站内天然气放空。
图 3所示为A输气站场ESD系统中气液联动干线球阀执行机构原理控制图。从图 3中可以看出，气液联动干线球阀执行机构共有3个电磁阀，分别是远程开电磁阀PO、远程关电磁阀PC和破管检测系统电磁阀670。3个电磁阀控制阀门动作原理相同。以远程关电磁阀控制阀门动作为例，正常情况下，电磁阀PC处于失电状态，电磁阀PC、两位三通阀DC进气口与排气口连通。当远程关阀信号发出后，电磁阀PC得电，电磁阀PC进气口与出气口导通，先导气推动梭阀F运动，导通两位三通阀DC的进气口和出气口，先导气经两位三通阀DC到达关阀气液罐，在气压的作用下推动拨叉运动，实现阀门关闭。
由此可见，川渝地区输气站场ESD系统执行元件气液联动干线球阀执行机构存在三方面的问题：①气液联动球阀执行机构无独立的ESD系统电磁阀，不仅导致ESD系统易受其他关联故障或误操作的影响而触发，也不符合ESD系统独立设置原则；②气液联动球阀执行机构逻辑关系为得电动作，若简单将ESD系统电信号线接入远程关电磁阀，将不利于事故发生时保护生产过程转入预定的安全状态，同时也不符合ESD系统故障安全型原则；③若将ESD电信号线系统接入远程关电磁阀，由于远程关电磁阀前面无两位三通手动控制阀，易导致站场日常维护时ESD系统误动作。
为确保输气站场ESD系统满足独立设置原则和故障安全型原则，同时避免维护操作期间ESD系统误动作。针对气液联动干线球阀执行机构存在的三方面问题，提出了以下两种优化方案。
如图 4红色线框所示，优化方案一包括3部分：①增加独立的ESD系统电磁阀669和两位三通手动气控阀700，使干线球阀不仅具备ESD功能，能接收远程控制ESD信号，也确保站场日常维护期间，实现ESD系统屏蔽，防止ESD系统误动作；②电控箱增加ESD系统电路绝缘装置；③接线盒增加ESD系统电信号线。
按方案一优化后，气液联动球阀执行机构原有远程开、关和破管检测功能全部保留，同时新增了ESD功能，新增的ESD系统能实现触发和屏蔽操作。
(1) ESD系统触发：正常情况下，ESD系统电磁阀669处于得电状态，电磁阀669进气口与排气口连通，两位三通手动气控阀700处于进气口与出气口连通状态。当事故发生时，电磁阀669失电使得其进气口与出气口导通，先导气经两位三通手动气控阀700、电磁阀669、梭阀A和两位三通阀E后，推动梭阀F运动，导通两位三通阀DC的进气口和出气口，先导气再经两位三通阀DC到达关阀气液罐，在气压的作用下推动拨叉运动，实现阀门关闭。
(2) ESD屏蔽：正常情况下，两位三通手动气控阀700进气口和出气口连通。当站场日常维护需要屏蔽ESD系统时，手动断开两位三通手动气控阀700进气口和出气口，使进气口和排气口连通，先导气将无法流过两位三通手动气控阀700，从而避免了ESD系统误动作。
如图 5红色线框所示，优化方案二包括两部分：①对调破管检测电磁阀670的出气口和排气口，将破管检测电磁阀670作为独立的ESD系统电磁阀，使干线球阀具备ESD功能，能接收远程控制ESD信号；②增加两位三通手动气控阀700，确保站场日常维护期间，实现ESD系统屏蔽，防止ESD系统误动作。
按方案二优化后，气液联动球阀执行机构保留了原有远程开、关功能，去掉了原破管检测功能，增加了ESD功能，增加的ESD系统能实现触发和屏蔽操作。
(1) ESD系统触发：正常情况下，ESD系统电磁阀670处于得电状态，电磁阀670进气口与排气口连通，两位三通手动气控阀700处于进气口与出气口连通状态。当事故发生时，电磁阀670失电使得其进气口与出气口导通，先导气经两位三通手动气控阀700、电磁阀670、梭阀A和两位三通阀E后，推动梭阀F运动，导通两位三通阀DC的进气口和出气口，先导气再经两位三通阀DC到达关阀气液罐，在气压的作用下推动拨叉运动，实现阀门关闭。
为了控制ESD系统改造成本，A输气站场采用方案二对ESD系统进行了优化。优化后，A站ESD系统设计满足了独立设置原则和故障安全型原则。对ESD系统现场测试的结果显示，测试过程中ESD系统能够按照既定逻辑完成紧急停车和紧急停车、放空动作，能够发挥要求的安全功能，测试合格。目前，A站ESD系统投用近一年，投用期间，ESD系统工作正常，运行情况良好，未发生过因系统自身故障而误动作的情况。
(1) 通过对川渝地区输气站场ESD系统气液联动干线球阀执行机构原理控制图进行分析，明确了气液联动球阀执行机构存在三方面的问题：①气液联动干线球阀执行机构无独立的ESD系统电磁阀；②气液联动干线球阀执行机构逻辑关系为得电动作；③ESD系统不具备屏蔽功能，易导致站场日常维护时ESD系统误动作。
(2) 以输气站场ESD系统设计标准为依据，针对气液联动球阀执行机构存在的问题，提出了两种优化方案：①保留气液联动球阀执行机构原有全部功能，增设独立的ESD系统电磁阀，同时增加ESD系统屏蔽功能；②取消气液联动球阀执行机构原有破管检测功能，将破管检测控制电磁阀出气口和排气口调换，更改为独立的ESD系统电磁阀，同时增加ESD系统屏蔽功能。
(3) 优化后，ESD系统满足独立设置原则和故障安全型原则。现场应用结果显示，①ESD系统工作正常，能够发挥要求的安全功能；②ESD系统误动作率大大降低，起到了对输气站场的安全保护作用。
2015, Vol. 44 Issue (2): 123-128
2015, Vol. 44 Issue (2): 123-128