安全仪表系统在普光气田的运用探讨

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【摘要】普光气田位于四川宣汉县境内，其气藏埋藏深，具有高压、高产、高硫的“三高”特点，是我国迄今为止规模最大的高酸性气田。为了清洁、高效、安全的开发普光气田，加强安全仪表系统的运用是至关重要的。因此，本文以普光气田为例，在相关理论的分析的基础上，主要对普光气田的安全仪表系统的运用及其注意事项进行了分析与总结，并在文章最后对本文的研究进行了总结，以期为安全仪表系统在高酸性气田中的运用提供一点参考与借鉴价值。

【关键词】安全仪表系统 普光气田运用

随着石油化工生产持续着向一体化、大型化与智能化的快速发展，其生产规模越来越大、生产工艺也越来越复杂，由此产生的生产事故所带来的灾难性与危害性也越来越大，石油化工的安全生产问题越来越受到人们的关注，安全仪表系统作为安全生产保护链中的最重要环节也得到了越来越多的研究与应用。普光气田位于四川省宣汉县境内，其气田范围属于中-低山区，海拔300-900米，构造为岩性气藏，天然气储量2510.7X108m3，但存在高硫、高产、高压的“三高”问题，其中H2S、CO2的平均含量分别为15.16%、8.64%[1]，其中H2S具有剧毒与高腐蚀性，因此，普光气田属于高酸性气田。另外，普光气田集输系统点多线长、地形复杂，泄漏检测与安全控制要求更高，其安全作业问题更加值得重视。普光气田投产3年来，安全仪表系统的运用对普光气田的正常生产运营做出了突出贡献，有效保障了普光气田的安全、高效、清洁开发。因此，对安全仪表系统在普光气田的运用进行分析，对于以后安全仪表系统在高酸性气田中的进一步推广应用具有十分重要的指导意义。

2 什么是安全仪表系统

2.1 安全仪表系统的定义

所谓安全仪表系统，根据IEC61511中的定义：安全仪表系统是经过专门机构认证，由传感器、逻辑控制器与执行机构组成的可以执行一项或者多项安全仪表功能用于降低生产过程风险的仪表系统[2]。图1是安全仪表系统的结构示意图。

图1 安全仪表系统的结构示意图

2.2 安全仪表系统的发展过程

二十世纪七十年代中期以来，相关安全系统的控制设备一般由电磁继电器构成，也部分运用了固态集成电路，安全系统虽然安全性比较高，但是安全系统的维护比较繁琐，而且对使用检测以及控制设备也没有严格要求。

二十世纪八十年代开始，安全系统开始采用PLC，即可编程序控制器，该安全系统虽然安全性较高且易于维护，但是安全系统与过程控制系统并没有严格分开，对于使用检测以及控制设备同样没有严格要求。特别是二十世纪八十年代中后期，随着微电子技术与控制系统可靠性技术的发展，专门用于相关安全系统的控制其系统、安全型可编程序控制器与安全解决方案都得到了快速发展与普遍推广。

1996年，ANSI与ISA了《工业生产过程中安全仪表系统的应用》标准，标志着安全仪表系统概念正式启用，然后安全仪表系统相关规范性文件相继推出，特别是1998年12月IEC61508标准以及2003年IEC61511标准的推出，为安全仪表系统的工业化应用确定了国际标准。我国作为IEC的重要成员，我国全国工业过程测量和控制标准委员会对是否将IEC标准作为我国的国家标准进行过研究。

在随后的时间里，安全仪表系统逐渐得到了大量应用，而且对相关回路检测仪表、执行器、逻辑控制器都提出了明确的SIL要求或者冗余配置要求，使安全仪表系统在可操作性、安全性与可靠性等方面都得到了大幅度提升，安全仪表系统的投资也相应的增加了许多。

3 安全仪表系统在普光气田的运用3.1 普光气田安全仪表系统的构成

普光气田安全仪表系统采用的是Allen Bradley 公司的可编程逻辑控制器，分别设置于站场控制室、中心控制室、线路截断阀室（现有线路截断阀室48座、集气站23座、集气总站1座、中心控制室1座），总共71套。由于普光气田具有高温、高压、高硫的“三高”问题，安全仪表系统一旦发生故障与事故，势必会造成周边环境的污染与人员伤亡。因此。普光气田的安全仪表系统通过了SIL2安全等级认证。普光气田安全仪表系统三年来工作正常，保障了普光气田集输系统的安全平稳运行，大大提高了普光气田生产现场的本质安全，实现了对设备及其操作人员的有效保护。

3.2 普光气田安全仪表系统功能设计

普光气田安全仪表系统主要包括2部分：火气系统与紧急停车系统。

所谓火气系统是一套针对火灾与气体探测的安全管理系统[3]。普光气田的火气系统通过点式可燃探测器、感温探测器、感烟探测器、固定式硫化氢探测器、红外对射探测器、火焰探测器、激光对射可燃气体探测仪等传感器技术，对火灾与气体进行精确探测，并对其进行故障判断，当报警数量达到要求后提示设备操作人员执行关断连锁保护，以保护生产及其他工作人员的人身安全。

紧急停车系统是生产过程的安全保护系统[4]。正常情况下，紧急停车系统不需要进行人为干预，处于静态，实时在线无间断检测生产装置的安全性能。当紧急停车系统监测到紧急情况时，由紧急停车系统直接向天然气中央处理设备发送保护连锁信号，切断气源、紧急停车，对生产现场设备装置进行安全保护，以免事故扩大造成不必要的损失。根据故障情况程度的不同，紧急停车系统分为不同的关断级别，高级别关断信号会自动引发低级别关断。比如当天然气中央处理厂出现大量甲醇、天然气泄漏以及火灾、爆炸等人员无法控制的紧急情况时，由中心控制室操作人员手动触发紧急停车按钮，此时安全仪表系统会自动对天然气中央处理设备紧急停车；而外输压力过高而时，紧急停车系统会自动对天然气中央处理设备紧急停车，此时中心控制室操作人员无法干预。

3.3 安全仪表系统在普光气田的现场运用及其注意事项

3.3.1 实时在线监控火灾与气体数据及其状态

由安全仪表系统中的火气系统对普光气田的整个集输系统中可能存在的火灾与气体泄漏进行实时在线监控，并对意外紧急情况进行报警，在危险情况下可以启动站场消防系统，为普光气田的生产设备提供安全保护。普光气田的火气系统主要由点式可燃探测器、感温探测器、感烟探测器、固定式硫化氢探测器、红外对射探测器、火焰探测器、激光对射可燃气体探测仪、声报警器、状态指示灯、声光报警器等火灾气体现场探测装置与报警设备组成。

火气系统的实时在线监测设备，要定期进行维护，以保证监测的准确性。

（1）以固定式硫化氢探测器为例，其由电化学传感器或者光学传感器以及电子部件与显示部分构成，由传感器将生产现场环境中的H2S气体转换成电信号，并以浓度（摩尔分数）显示出来。为了保证固定式硫化氢探测器的精确性以及火气系统的完整性，固定式硫化氢探测器要定期在线标定。由于普光气田是高酸性气田，在高含硫天然气的生产集输系统内，在线标定固定式硫化氢探测器，存在人员中毒、标定不合格等风险，为确保标定准确，应严格按照安全标准化操作规程进行操作，其操作流程图如下所示：拆防雨罩校准零点设置所用标气浓度上校准帽连接标气打开标气控制阀校准设置浓度点断开标气连接下校准帽上防雨罩收拾工具；

（2）再以火焰探测器为例，其测试操作规程步骤为举起火焰模拟器，使模拟器准星的十字对准探测器视窗，按下模拟器发射模拟火焰按钮，持续几秒钟，直到探测器报警。火焰探测器的保养程度为进行任何包括清洁在内的保养时都要断电，清洁视窗上的尘土和水汽时先用干净软布和洗涤剂擦，然后用清水冲洗，清除油渍时，先用相应洗涤剂清除，然后用清水擦拭清洗，最后用干净软布擦拭。火焰探测器的周期保养程序为除了常规清洁保养外，探头每隔半年应进行功能测试，只要使用过的探头都应进行此程序保养；

（3）有毒气体探测器的注意事项则为，进行校准时，周围空气中不应有测量的有毒气体。需要时可使用便携仪器测量以确认。若校准过程中出现错误，把磁棒放在开关[M]上10秒钟。屏幕上会滚动显示“校准中断”字样，此时仪器推出校准返回到正常模式。可重新启动校准程序。

3.3.2 连锁报警提示

当硫化氢等气体浓度/温度、烟气浓度超过预设浓度范围后，火灾气体现场探测装置将联锁站场黄色状态指示灯/红色状态指示灯闪烁并用声报警器或者声光报警器提示该生产区域存在气体泄漏/火灾；当现场操作人员发现火灾紧急情况时，可以手动操作报警按钮联锁站场声报警器或者声光报警器来提示该区域内的生产操作人员以及周边居民做好安全防范工作；当站场发生气体泄漏、火警、关断时，安全仪表系统会联锁站场广播对讲语音系统进行语音提示，通知区域内人员目前的生产现场状况。

报警设备也注重日常的维护工作。以防爆状态指示灯为例，其有4中状态，分别是：

（1）蓝色――ESD-1级关断；（2）红色――火焰报警；

（3）黄色――气体泄漏报警；

（4）绿色――正常。防爆状态灯最常见的故障是四色灯不亮，造成指示状态不明。解决方法如下：

（1）使用万用表根据原理图查线路，首先看24V电源是否供上，发现没有24V电源，查找没有供上的原因，并解决；

（2）接线端是否接触不良或线路断路，如接触不良，重新把接线端拆下，再重新紧固。线路断路，需更换整段线缆，防止信号衰减；

（3）以上情况正常，打开防爆灯灯罩，查看灯是否损坏，如确认损坏，绿灯更换为普通的节能灯，蓝灯、红灯及黄灯更换需原厂的灯头。再以防爆手动报警按钮为例，其使用环境有着严格要求（温度：-40℃～+70℃、相对湿度≤95%，不结露），其维护保养以及注意事项为，防爆手动报警按钮按压下后自锁，需要人工确认，并使用专用钥匙复位。严禁随意带电拆卸。长期使用要定期检测按钮的性能是否完好，如失效或损坏时要由立即进行维修。3.3.3 紧急停车关断功能

紧急停车关断功能旨在保护生产现场的操作人员及生产设备，由紧急停车系统自动或者中心控制室人员手动启动相应的逻辑保护功能与报警[5]。紧急停车系统分为不同的关断级别，高级别关断信号会自动引发低级别关断。普光气田的紧急停车系统关断级别分为四级关断，即全普光气田关断（一级关断，包括井场、集数、净化与外输，处理方式包括紧急关断并保压与紧急关断并放货柜两种方式）、支线关断（二级关断，其触发原因包括输气支线爆管泄露、线路阀室火灾或者线路气体大量泄露、手动触发等）、站级关断（三级关断，分为三级泄压关断与三级保压关断两种情况）与单元工艺流程装置关断（四级关断，此级别关断由操作人员确认报警后，自动触发，切断相关工艺单元，视具体逻辑启动局部放空）。全普光气田关断与支线关断由中心控制室的安全仪表系统控制，站级关断与单元工艺流程装置关断由站场本地的安全仪表系统进行控制与实现。综上所述，普光气田创建了大型高含硫气田上下游一体化四级联锁关断系统。当集输系统、净化处理系统与天然气外输系统中任何一个系统发生一级关断时，其上下游的其他几个系统都会自动触发一级关断，比如关闭井口、切断阀门等等，大大提高了系统的安全性与可靠性。普光气田在投产试运营过程中曾经3次触发一级关断，不仅充分验证了安全仪表系统的可靠性，也为普光气田应急处理与抢修提供了实战演习机会。

对于紧急停车系统的仪表选型，要注重以下四个原则[6]：

（1）独立设置原则。为了使紧急停车系统免受其他关联设备的影响，其现场仪表设计要遵循独立设置原则；

（2）中间环节少用原则。回路中，仪表数量越多，其可靠性越差，因此要尽可能采用隔爆型仪表，降低由于安全栅产生的故障源，降低误停车率；

（3）故障安全原则；

（4）仪表一般分为差压式流量计、超声波流量计、涡轮流量计3种，由于光谱气田气质较脏，不适合选用涡轮流量计，另外，虽然超声波流量计由于精度高、无压损、量程比宽等优点在气田中得到了广泛运用，但是光谱气田属于高酸性气田，对超声波流量计的声楔材质具有腐蚀作用，而且硫化氢与二氧化碳对于超声波具有吸音作用，因此，超声波流量计也不适用，而高级孔板流量计（差压式流量计的一种）可以实现在线更换孔板，应用高级孔板流量计可以有效应对气量的变化与高酸性气体的腐蚀。

4 结论

安全仪表系统作为石油化工生产过程中为生产设备或者单元提供安全保障的安全系统之一，已经成为工业生产安全保护链中非常重要的环节之一。通过本文的分析，主要得出了以下几点结论：

（1）所谓安全仪表系统是指经过专门机构认证，由传感器、逻辑控制器与执行机构组成的可以执行一项或者多项安全仪表功能用于降低生产过程风险的仪表系统。

（2）普光气田安全仪表系统采用的是Allen Bradley 公司的可编程逻辑控制器，分别设置于站场控制室、中心控制室、线路截断阀室（线路截断阀室47座、集气站23座、集气总站1座、中心控制室1座），总共71套。

（3）普光气田安全仪表系统主要包括2部分：火气系统与紧急停车系统。其中所谓火气系统是一套针对火灾与气体探测的安全管理系统；紧急停车系统是生产过程的安全保护系统。

（4）安全仪表系统在普光气田的现场运用主要表现在三个方面，即实时在线监控火灾与气体数据及其状态、连锁报警提示、紧急停车关断功能，使用安全性、可靠性高，同时本文也介绍了各环节的维护技巧。

（5）自投产运用至今，安全仪表系统运行稳定，通过试运行、定期测试以及生产实际运用表明，安全仪表系统达到了设计要求，保证了普光气田生产设备的安全，降低了生产设备出现故障后发生事故的概率，并降低了事故造成的损失；同时也提高了普光气田的工艺设备与工作人员的安全性，减少了人员配置与工作量，提高了工作效率与管理水平。

总之，普光气田作为我国的大型高酸性气田，安全仪表系统的平稳运行有效保障了普光气田生产设备及其操作人员的安全，为普光气田的安全生产运行做出了突出贡献。

参考文献

[1] 潘谷.普光气田主体气井不停产试井研究及应用[D].长江大学，2012

[2] 李战平.安全仪表系统在长北气田的应用与研究[J].自动化技术与应用，2009（03）

[3] 王素云.横河安全仪表系统Prosafe-RS[J].自动化博览，2007，24（05）