ESD安全连锁控制系统在天然气场站的应用分析

2021-12-01

科学与信息化 2021年4期

西安航天三沃机电设备有限责任公司陕西西安 710100

引言

ESD安全连锁控制系统是石油化工行业重要的安全保障系统。近几年，随着天然气的广泛应用，天然气输配场站由原来建设在偏远地方被逐渐扩大的城市所包围。由于天然气的易燃易爆性，天然气场站成为威胁人民生活安全的重要危险源，为了保证天然气的输配安全，天然气行业引进了ESD安全连锁控制系统。

1 ESD安全连锁控制系统

ESD安全连锁控制系统也称紧急停车系统（ESD）。ESD系统独立于其他控制系统，其安全级别高于PLC/DCS系统。在正常情况下，ESD系统是处于静止状态的，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。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过PLC/DCS系统，而直接由ESD发出保护连锁信号，对现场设备和人员进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

ESD系统虽然独立于PLC/DCS系统，但是ESD系统又与PLC/DCS系统紧密结合。ESD系统由现场/远程操作箱、ESD供电电源、通信网络以及带ESD功能的阀门（包括电动、气动阀门）。ESD系统在建设时需要考虑的方方面面因素较其他系统也要多一些。例如，操作箱安装的位置、操作箱的误操作保护、设备不间断供电的设计等[1]。

2 天然气场站ESD系统的应用

某城市天然气多个场站在设计时建立了ESD系统，但是在实际建设过程中由于多种原因造成没有建设该项功能，后期出于场站安全考虑，需要实现ESD控制功能。这些场站中，有的场站采用ESD电动阀门，有些场站采用ESD气动阀门，有些场站阀门供电通过UPS，而有些场站阀门供电没有经过UPS，各种各样的方式导致这些场站的ESD安全连锁控制系统改造具有很大的差异。

天然气场站ESD系统要求在紧急情况下，现场人员通过现场操作箱实现ESD控制，然后人员及时撤离危险场所，保证输气设备和人员安全。ESD操作发出后，要求天然气场站立刻切断进出站阀门，切断上下游之间的通道；同时打开放空阀，将场站内存储的天然气直接放空，确保场站输气设备的安全。

2.1 ESD供电系统设计

（1）UPS供电系统。ESD系统的应用前提是在危险发生时，需要动作的阀门要按照预定方式进行动作。天然气场站阀门基本上选择的都是电动阀门，阀门失电则ESD系统将无法实现。为此需要为具有ESD控制功能的阀门配置不间断电源。天然气场站的电动阀门基本上都采用的是380V供电，ESD系统应根据需要控制的电动阀门的数量、功率以及控制电源的大小来配置正确的不间断电源（UPS），要求UPS采用380V输入、380V输出的产品。某场站具有6台ESD控制电动阀门，其执行器功率为1kW。在UPS的选择上，根据其电流和使用余量，我们选择了10KVA的UPS电源；完成UPS电源选择后还需要进行供电线路的改造，原供电系统没有UPS供电系统，现在需要增加，根据所有电流的总和来计算所有阀门的启动电流，为UPS选配进出供电线的线径为10平方。

（2）24V供电系统。ESD控制阀门需要阀门一直检测是否具有ESD控制信号，而ESD控制信号上一般带有24V电源。阀门根据得到24V电源还是失去24V电源来实现阀门动作。而24V电源的选择是非常关键的一步，为了保证24V电源的稳定，最好选择质量高的具有冗余功能的冗余电源。

2.2 ESD系统与PLC系统的配合

ESD系统是静止的独立系统，独立于PLC/DCS系统，这样该系统的造价就会相对较高，性价比不合理，所以，我们采用了ESD与PLC/DCS系统相互配合的互补系统。阀门信号线一般都是进入PLC/DCS系统控制柜的，而ESD控制线却需要进入ESD控制系统，所以两者就有了互补的可能性。PLC/DCS系统具有实时性和直观性，人机界面美观，报警突出等特点，而ESD系统则是静止的，不被允许动作的系统。如何确定ESD系统没有失效，需要定期进行检验可靠性，但是ESD阀门的动作会造成一定的经济损失，所以由PLC/DCS系统提供一套判断功能解决了ESD系统造价高、检验难度大的问题。同时，由于供电系统是否正常工作直接影响到ESD的实现，我们通过为UPS电源配置通信卡的方式，将UPS的数据实时传送到PLC/DCS系统上。由PLC/DCS系统判断ESD系统供电是否正常。ESD控制阀门或其他ESD设备数量大时，同时启动设备会造成供电系统的负担过重，导致供电系统故障。为此，我们通过PLC/DCS系统进行分析，判断哪些设备需要同时启动，那些不需要同时启动，经过PLC/DCS系统判断后来分时段启动该时段内的阀门，避免了供电系统的超载，同时也可以相应降低UPS的选择标准。

2.3 得电控制和失电控制

ESD电动阀门具有两种控制方式，第一种是得电控制，即当ESD控制点得到24V电源时，阀门执行设定好的动作；第二种是失电控制，即ESD控制点上一直存在24V电源，当24V电源消失时阀门执行设定好的动作。这两种方式中失电控制对控制线的铺设和24V供电的要求相对较高，不确定的因素造成的误动作的可能性要比电控制造成的误动作要大很多，所以我们的控制采用得电控制。