天然气压缩机设备关断阀部分行程测试研究.pdf

第 5 1卷第 4 期 2 0 1 5年 8月 石油化工自动化 AUTOMAT1 0N I N PE TRO- CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 1 ，No ． 4 Au g u s t ，2 0 1 5 天然气压缩机设备关断阀部分行程测试研究 李治贵， 高帅， 宋振垒， 孟繁城 海洋石油工程股份有限公司 ， 天津 3 0 0 4 5 1 摘要 从油气生产实际需求及安全仪表系统理论角度出发， 介绍了关断阀部分行程测试的概念、 原理。为保证海洋平台上天 然气压缩机设备 的安全等级 ， 采用部分行 程测试 的方式来实现对关断 阀功能安全的提升。同时 ， 针对 市场上 多种部分行程测试 方式进行 了分析 ， 总结了各种实现方式 的优缺点 ， 并结合海洋工况特点及设备实 际需 求 ， 推荐采用 气控 回路方式实 现天然气压 缩机设备关断 阀部分行程测试 ， 解决了工艺系统的关 断安全 问题 。 关键 词 紧急切断阀部分行程测试安全完整性等级 中图分类号 U 4 6 3 ． 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 4 0 0 1 9 0 4 S t u d y o n Pa r t i a l S t r o k e Te s t f o r Na t u r a l Ga s Co mpr es s o r Em e r g e nc y Sh ut d o wn Va l v e Li Zh i g u i ，Ga o S h u a i ，S o n g Z h e n l e i ，M e n g Fa n c h e n g Of f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ．L t d ． ，Ti a n j i n ，3 0 0 4 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t s Th e c o n c e p t a n d p r i n c i p l e o f p a r t i a l s t r o k e t e s t f o r e me r g e n c y s h u t d o wn v a l v e a r e d e s c r i b e d f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f a c t u a l o i l a n d g a s p r o d u c t i o n d e ma n d a n d s a f e t y i n s t r u me n t s y s t e m t h e o r y ．P a r t i a l s t r o k e t e s t i s u s e d t o p r o mo t e s a f e t y f u n c t i o n o f s h u t d o wn v a l v e i n o r d e r t o e n s u r e s a f e t y l e v e l o f n a t u r a l g a s c o mp r e s s o r o n o f f s h o r e p l a t f o r m．Va r i o u s k i n d s o f p a r t i a l s t r o k e t e s t me t h o d s a v a i l a b l e i n ma r k e t a r e a n a l y z e d ． Ad v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t e s t me t h o d s a r e s u mma r i z e d ． Co mb i n g wi t h o f f s h o r e wo r k i n g c o n d i t i o n a n d e q u i p me n t a c t u a l r e q u i r e me n t s ，p n e u ma t i c c o n t r o l c i r c l e mo d e i s r e c o mme n d e d t o a c h i e v e p a r t i a l s t r o k e t e s t o f n a t u r a l g a s c o mp r e s s o r ．Th e s h u t d o wn s a f e t y p r o b l e m o f p r o c e s s s y s t e m i s s o l v e d ． Ke y wo r d s e me r g e n c y s h u t d o wn v a l v e ；p a r t i a l s t r o k e t e s t ；s a f t y i n t e g r i t y l e v e 1 为保护海洋平台上天然气压缩机设备 ， 在橇块 天然气人 口处设 置紧 急切断 阀 E S V e me r g e n c y s h u t d o wn v a l v e ， 当接 收到 紧急 关 断 系 统 E S D e me r g e n c y s h u t d o wn d e v i c e 关 断信 号 时 ， E S V 执行机构带动阀体动作 ， 关闭阀门， 切断上游气源 ， 以达到保护橇内设施 、 维护安全生产的作用 。现阶 段 ， 石油天然气需求呈上升趋势 ， 油气产能压力很 大 ， 为提高海洋油气生产能力 ， 增加经济效益 ， 实现 利润最大化 ， 天然气压缩机设备连续运转的周期加 长 ， 这导致 E S V长期处 于“ 休眠” 状态。由于天然 气处理系统往往具有耐高温 、 腐蚀 、 振动、 黏性等特 点， 且阀体处于海洋环境下， 使得 E S V有可能产生 “ 黏住” 的故障， 不能及 时响应来 自 E S D系统的信 号， 在需要执行安全保护动作时产生“ 拒动” 现象 。 这种情况下， 将导致 E S D系统失效， 使孤立处于海 洋腹地的石油平台面临重大安全威胁， 这将是无法 承受的灾难事故 。 为解决 E S V拒动问题 ， 根据 I E C 6 1 5 0 8 ， I E C 6 1 5 1 1 ， I S A 8 4 ． 0 1 等标准， 要求对整个安全仪表系 统 S I S ， 其 中包括最终执行元 件 E S V， 进行定期 地检验测试 ， 以便发现未表现 的故障， 提升安全 回 路中所有元件设备的安全性和可靠性。 E S V 的测试分为离线测试 和在线测试 。离线 测试可检测出大部分 阀门故障原因， 但是海洋平台 必须全面停产 ， 因而人们又开发出手动和 自动在线 测试 。手动在线监测需安装支路 ， 监测时介质从支 路通过 ， 阀门则可 以在线完成全行程测试 ， 但这会 增加管道 、 阀门成本 ， 而且存在人为因素影响和安 全联锁回路暂时失效的风险。鉴于此， 自 动在线测 试在实际生产 中占据越来越重要 的地位。部分行 程测试 P S T 是 自动在线测试 的一种 ， 阀门在平台 进行正常生产时发生局部行程动作 例如从 1 0 0 全开状态关到 8 5 ， 然后 回到 1 0 0 9 ／ 6 全开 ， 以便检 查阀杆移动情况 ， 对阀门进行功能测试 。 稿件收到 日期 2 0 1 5 0 3 1 9 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 5 0 6 1 8 。 作者简介 李治贵， 男 ， 毕业于大连理工大学机械设计及理论专业 ， 获硕士学位 ， 现从事海洋石油平台天然气压缩机设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 石油化工 自动化 第 5 l卷 笔者将从安全完整性分析计算的角度切入 ， 结 合部分行程测试的概念、 原理， 并根据海洋平台压 缩机设备 的应用实例 ， 介 绍部分行程测试 的具体 内容 。 1 部分行程测试对平均失效率 P F D 的影响 根据安全完整性理论 ， 安全完整性等级 S I L 与平均失效概率 PF D孙 僖 存在线性关系 。PF D 可 通过下列公式进行计算 P FD DTI ／ z 1 式中 。 危险失效概率 ； T I 一 一 测试间隔。 式 1 计算的是假定没有冗余和 自诊断要求时 的 P F D 。随着检测周期的加长， 设备 自身的工 作性能将有所下降， 因而需要对 E S V进行功能测 试 。测试方法有全行程’狈 0 试 和部分行 程测试 。与 全行程测试相比， 采用局部行程 的方法 ， 即将 阀门 转动 1 5 的小范围 该范 围可以判 断阀门故 障比 例 ， 可减小全行程的频率。但需要说明的是 ， 部分 行程测试不能检测 出 S I S终端 E s V 的全部故障 ， 因而 P S T 无法代 替全 行程 测试 F S T f u l l s t o k e t e s t i n g ， P S T 和 F S T 可 以检 测 的 故 障类 型也 不同。 假设 P S T测试可以检测 出 7 o 9／ 6 的故障， 用 F S T可能检测 出其余 3 0 的故障， 则 P F D 一 0 ． 7 2 D T 0 ． 3 1 2 D ／ 2 2 式中T 局部行程 周期间 隔； 全行 程周期间隔。 从式 2 可 以看出在安全完整性等级不改变 的情况下 ， 如果缩短 P S T的测试间隔时间， 则可以 延长 F S T的测试时间间隔。这一结论在实际应用 中好处很多， 海洋平台的生产可以延长大修周期， E S V的 F S T周 期也 随之 延长 ， 这 时可通过增 加 转 栓 P S T的测试 频率 ， 缩短测 试 问隔来 保证 E S V 的 S 1 L等级保 持原 有水 平不 降低 。为 此笔 者举 例 说明。 全行程测试间隔为 1 a 8 7 6 0 h ， 不做部分行 程测试 ， 此时 P F D。 一 D ／ 2 4 3 8 0 2 D 3 若将检验测试方案改为每年 6次部分行程测 试 ， 每 3年 1 次全行程测试 ， 则 部分行程测试覆 盖率为 7 O 9 ／ 6 ， 测 试问隔为 2个月 1 4 6 0 h ， 测试 频率为 6次／ a , 全行程测试间隔为 3 a 2 6 2 8 0 h ， 测试频率为 1次／ a 。根据式 2 可得 P F D⋯ 一 4 45 3 2 D。 计算结果表明两种测试结果其 尸 F D 值几 乎保持一致 。可 见， 在保持 ES V P F D 值 不变 ， 即 S I L等级不变的情况下， 通过执行部分行程测 试 ， 使得 F S T全行程测试时间间隔得以延长 ， 从 而 适应了平台采油工艺运行周期加长的事实 ， 为保证 E S V可靠动作提供了依据 ， 并降低了生产成本 ， 增 加了效益 1- 3 3 。 2 部分行程测试的实施方案 海洋平台油气生产中， 为保证 E S V的安全性， HAZ OP分析提 出 E S V 需要 有部分 行程测 试功 能 ， 目前根据对市场各大 阀门厂家 的调研， 部分行 程测试一般有三种实现方式 。 2 。 1 采用机械挡板实现 P S T功能 采用机械挡板方式进行部分行程测试的原理如 图 1 所示 。采用此方式， 需现场操作人员将钥匙插 入测试孔 ， 将挡板拨动到相应位置， 然后从 中心控制 室发出关阀信号， 当阀门关闭到相应的位置时， 挡板 阻止阀门的进一步动作， 由此完成部分行程测试。 完成测试后， 需拔出钥匙 ， 将阀门位置复原 。 翔 菌 一 正常 工况 面 曼 一 阀门 全开 图 1 机 械挡 板 P S T测试 原理 示意 2 ． 2 气控回路实现方式 气控回路方式部分行程测试如图 2 所示 ， 由 』 P S T 工况 面 一 阀门 部分开 于该系统为简单独特的机械系统 ， 控制部件全部是 故障安全型的， 整个系统可达到 S I L 3 等级。在进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 李治贵等．天然气压缩机设备关断阀部分行程测试研究 行 P S T测试的时候 ， 不会影 响 E S D系统紧急切断 指令的执行 。 图 2 TYC O K TM 关 断阀 气控 回路 P S T 方式原 理 示意 图2中， 当 E S V收到 E S D系统的关断信号 时， 电磁阀 1 失电 ， 气源经 由过滤减压阀、 气控 阀 1 至执行机构气缸 的气路被阻断， 气缸内的仪表气由 电磁阀放掉， 气缸失气 ， 弹簧推动活塞动作 ， 带动阀 杆使阀门关闭， 完成 阀门的切断功能。 当执行部分 行程测试功 能时， 操 作人员按 下 E S V现场控制盘上的测 试按钮 ， 向电磁 阀 2输出 得电信号， 电磁阀 2开启 ， 气源通过 电磁 阀 2向气 控阀 1输出气信号 ， 气控阀 l关闭， 切断经 由气控 阀 1 通向气缸的气源， 同时气缸中的部分气体由气 控 阀 2排出， 弹簧 推动活塞 向左移动， 联动阀杆开 始关阀动作 ； 当移动到限位开关的位置 时， 限位开 关 向现场控制盘输入信号 ， 使电磁阀 2再次失 电， 气控阀 2 关闭 ， 停止气缸排气 ， 同时气控阀 1打开 ， 经由过滤减压阀、 气控阀 1 至执行机构气缸的气路 被联通， E S V重新开启， 完成部分行程测试过程。 以气控回路方式实现部分行程测试功能 ， 现场 控制盘只需一路总 电源 ， 由操作人员在现场将现场 控制盒上 的按钮拨到 P S T档位 ， 按下部分行程测 试按钮即可进行测试 ， 不需与中心控制室进行其他 信号交换， 现场即可接收到位置反馈的信号， 简单 方便 ， 可靠性高， 缺 点是部分行程测试 的测试点一 经确定不能更改。 2 ． 3 采用阀门定位器实现 P S T功能 以上两种方式只是对 阀杆进行一定位置 的移 动测试 ， 仅是 电磁 阀动作和阀位 开关 回馈信号 ， 可 以监测到阀门动作 ， 并没 有更多 的信息供 系统分 析。随着数字式阀门定位器的推 出和阀门诊 断技 术的发展 ， 用于 S I S ／ E S D系统 中的终端控制元件 ， 不论是开关动作 的 E S V， 还是调节 流体量 的控 制 阀， 数字解决方案是业内共识 ， P S T功能由集成到 数字化的终端控制元件进行 ， 监测诊断信息通信到 E S D系统。 众多控制 阀制 造厂 家先 后推 出了具有 P S T 功能的数 字式 E S D 阀门定位器 ， 包 含 了 E S D功 能和 P S T功 能 ， 采用模 块化 的设 计 、 R I S C结 构 ， 内部集成多种传感器， 其 中包含多个压力传感 器 。通过 P S T功能测试 ， 可以检测 阀门摩擦力并 计算具体数值 ， 如膜头压力 、 压力 差 、 弹簧范围和 响应时 问。通过软件 ， 可 以看 到阀门 P S T测试 的 阀位_ 压力变化趋势 图。上述数据通过 HAR T通 信传到 S I S中进行进一步 的分析和诊断 。工作原 理如图 3所示 。 图 3 阀 门定位 器 P S T 方式 原理 示意 采用 阀 门定位 器 实 现 部 分 行 程测 试 ， 可 从 DC s上启动 P S T测试 ， 其结果可视化 。可从 中心 控制室设置 P S T测试的范围和速度 ， 执行 P S T测 试时 ， 可对 E S V开度和驱动的压力进行在线监测 ， 在检测到异常时， 可 中止测试 ， 并发出紧急信号， 并 保存 P S T测试结果 。利用智能定位器上位软件可 以自动进行诊断测试 而无需人工干预。在软件中 可以设置进行 P S T测试 的周期 ， 软件会 自动定 时 进行测试 ， 并保存结果 ； 如果测试失败 ， 软件会 自动 停止测试并向系统发出阀门粘住的警告 。 3 部分行程测试优缺点分析 上述几种部分行程 测试 的方式各 有优缺 点。 从安全性角度分析 ， 机械挡板式安全性较低， 没有 相应的 S I L认证 ， 多用于小尺寸阀门上 ； 气控 回路 式和阀门定 位器 式均 可取得 较高 的 S I L等 级认 证 ， 更加安全可靠 。从操作便利性角度分析 ， 机械 挡板式需要 中心控制室和现场均配置操作人员 ， 且 由于过程中人员参与较多 ， 如果做完测试后忘记将 挡板拨 回， 则会出现应该紧急关断的时候不能关断 的现象 ； 采用气控 回路式和 阀门定位器式 ， 均操作 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 石油化工 自动化 第 5 1卷 简便易行 。投资成本方面 ， 机械挡板式价格低廉 ， 气控回路式次之， 阀门定位器成本最高， 且需要中 控系统也增加相应 的模块配置 ， 施工工作量大 ， 调 试工作复杂。 综上所述 ， 考虑安全性 、 便利性 、 可靠性及经济 性 ， 某天然气压缩机项 目天然气入 口关断阀采用气 控 回路式局部行程测试方式。 4 结束语 在海洋平台天然气压缩机设备上， E S V作为 保障安全生产的一道重要屏障， 紧急联锁时能够响 应动作至关重要。E S V部分行程测试功能能够延 长全行程 测试 的间隔时 间而不 降低整个 阀门的 S I L等级， 有效地降低了测试风险和测试失效 的可 能性。在实际设计中， 应该根据对工艺流程的安全 分析及项目 投资状况， 确定阀门的部分行程测试方 式 ， 并在确定 S I L等级的基础上 ， 合理确定局部行 程 的测试周期 ， 保证阀门的安全完整性等级。 参考文献 [1 ] I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o t e c h n i c a l C o m mi s s i o n ． I EC 6 1 5 1 1 1 2 0 0 3 Fu n c t i o n a l Sa f e t y Sa f e t y I n s t r u me n t e d S y s t e ms f o r t h e P r o c e s s I n d u s t r y S e c t o r r s ] ．I E C，2 0 0 3 ． [2] I n t e r n a t i o n a l E I e c t r o t e c h n i c a l C o mm i s s i o r I E c 6 1 5 0 8 ～ 6 2 0 0 0 Fu n c t i o n a l S a f e t y o f E l e c t r ic a l ／ El e c t r o n ic ／ P r o g r a mma b l e E l e c t r o n i c S a f e t y - r e l a t e d S y s t e m [ s ] ．I E C ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 郭海涛， 阳宪惠． 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