1 背景
2005年4月，长北合作项目正式进入商业开发，该项目是迄今为止中国陆上天然气勘探开发领域最大的对外合作项目，壳牌中国勘探与生产有限公司与中国石油共同承担了长北气田的开发作业任务，20年合同期内可采储量480×108m3，具备年供气30×108m3、稳产10年的能力。长北气田地面工程在设计阶段，充分借鉴了国内外的成熟做法，并遵循壳牌公司的《设计和工程实施规范》(DEP标准)，形成了以“丛式水平井开发、气液混合输送、天然气集中处理、脱水脱烃装置相对独立、重要设备留有备用、设备选型先进”等适合长北气田的开发和生产管理模式，尤其是在自动控制方面，将安全联锁保护功能和火焰与气体探测功能彻底地从集散控制系统中分离出来，分别形成了独立的安全仪表系统和火焰与气体探测系统。这样，不仅减轻了DCS的负荷，也大大提高了生产现场的本质安全，实现了对操作人员和设备的有效保护。
2天然气集输及处理工艺流程
长北气田天然气集输及处理工艺流程主要包括井丛生产系统、站外集输系统、中央处理厂(CPF)和外输计量系统四部分。总体设计生产井53口，其中双分支水平井35口，水平井18口，井丛23个，CPF1座。
各井口采出的天然气先经孔板流量计进行气液混合计量，然后经节流阀将下游压力降至所需的压力值后，与该井丛其它井的天然气混合，由集气支线将天然气汇集至干线后送至中央处理厂。为防止天然气输送过程中产生水合物，减缓地层水对采、集气管道的腐蚀，在井口节流阀前设置甲醇和缓蚀剂雾化器，并有配套的甲醇、缓蚀剂注入流程和注入泵。集气干线的湿天然气进入CPF后，经过入口重力式分离器分离掉湿气中的游离水和凝析油;然后进入预冷器与节流后的干气换热，达到降低湿气温度，提高干气温度的目的;最后经J-T阀节流降温后(后期地层压力下将后，通过压缩机增压、丙烷制冷对天然气进行降温)，在低温分离器中进一步将含醇污水和凝析油分离，使其变为干气，进入外输计量系统。
此外，在中央处理厂内，还有相应的凝析油稳定、甲醇回收以及污水处理和回注等辅助装置，配套的导热油炉(临近区域石油买卖同环球石油业界联系)供热、空压机、制氮撬、消防等共用系统。
3横河Prosafe-RS安全仪表系统简介
安全仪表系统也称为安全联锁系统、紧急停车系统、安全关联系统、安全停车系统等等，是由国际电工委员会(IEC)标准IEC61508及IEC61511定义的专门用于安全的控制系统。它独立于生产过程控制系统，但又凌驾于生产过程控制系统之上，不需要人为干预。可以避免和限制由于工艺条件或者仪表故障及其它一些事故对工艺设备、生产系统、操作人员及环境的损害，保证生产系统安全运行。在正常情况下，安全仪表系统监视生产过程的状态;当生产装置出现危险条件时，安全仪表系统就会采取相应措施，发出联锁保护信号，对现场设备进行安全保护，而不需要经过生产过程控制系统。
长北气田所采用的横河Prosafe-RS安全仪表系统，主要应用于紧急停车系统(ESD)、过程停车系统(PSD)、火气系统(F&G)和燃烧管理系统(BMS)等领域，是首套符合IEC61511国际标准且提供非冗余配置达到SIL3安全等级的安全仪表系统。它打破了以往SIS系统与DCS平行设置的陈规，做到与其DCS系统CENTUMCS3000技术上的兼容，实现与DCS系统的无缝集成，从而进一步增强了DCS的安全功能。它具有以下优点：(1)ProSafe-RS系统具有与CENTUMCS3000系统相统一的硬件结构和网络平台，两者可在同一个控制网络间采用基于以太网的Vnet/IP协议进行数据交换，不再需要网关或其他网络接口。此种设计，不但确保了DCS和SIS在物理上集成、逻辑上分离，还简化了工厂自动化设计、提高了设备的集成化程度，实现了工厂的最优化操作。
(2)ProSafe-RS系统硬件配置采用“Pair&Spare(双重化冗余)”机构和技术，每块非冗余卡件(电源、处理器、通讯、输入或输出)都达到SIL3级，并且是双重化的内部结构。双重化冗余卡件的设计，可以提高系统的可用性和故障容错能力，实现高运转率，对SIL3没有影响。
(3)ProSafe-RS系统的SOE功能可以将安全系统的报警和过程控制器的报警合并显示，时间分辨率仅为1毫秒，为紧急停车后的事故原因分析提供了有力的手段。
(4)ProSafe-RS系统既可作Master站通过RS-232C、RS-422/RS-485通讯协议(通讯卡件分别为ALR111、ALR121)与Slave站通讯，又可作Slave站与其它Master站实现通讯。
(5)ProSafe-RS系统采用安全型I/O卡的接线方式，各种模块在设计上与CS3000的硬件形状相同，能够放入CS3000的控制机架中。与传统的安全PLC相比，硬件体积更加小型化，不仅节省了空间，还降低了维护技术成本。
(6)ProSafe-RS与CENTUMCS3000在软件上也有一部分是通用的，任何一方的数据都可以通过DCS的工程站台和操作站进行访问，两者的报警显示在同一个窗口，非常容易区分安全报警和FCS报警。控制系统和安全仪表系统在统一的人机界面下进行维护作业有助于防止误操作。至于安全与访问控制，它们也是彼此分离的。
(7)ProSafe-RS使用IEC61131-3功能块图和梯形图，可运行PC上的仿真软件进行虚拟测试，能自动生成文档。现场调试时，可强制变量(输入、输出、逻辑变量)，并能在线修改控制程序。
4系统构成及说明
长北气田安全仪表系统分为长北天然气处理厂(CPF)安全仪表系统和井丛安全仪表保护系统两大部分。
它们与长北气田过程控制系统DCS在处理器、逻辑程序、功能模块、现场仪表等方面相对独立，但在网络通讯和数据处理方面又相互联系，仪表保护系统的数据通过MODBUS协议传至DCS系统，由DCS系统来监控。
两者并列运行，相互补充，共同保证整个气田生产装置的安全平稳运行。硬件结构如1所示。
安全仪表系统硬件由安全控制站、安全工程师站和实时控制网构成。其中，安全控制站SCS由冗余容错CPU、冗余电源卡件、通讯卡和I/O卡件等构成。控制总线和I/O总线均是双重化结构。安全工程师站SENG可进行工程组态、在线监视及维护。工程师站和SCS之间通过以太网连接，采用VNET协议。SCS中的逻辑程序根据设计提供的因果关系图进行编写，测试正常后写入处理器中，一般不需要修改。
为了确保DCS和安全仪表系统之间数据通讯的稳定性和可靠性，DCS的FCS与安全仪表系统的SCS之间未采用VNET/IP协议，而是采用比较成熟的ModbusRTU协议进行通信，SCS的数据可以在DCS的监控界面上进行显示。CPF和井丛安全仪表系统之间的通讯是通过DCS系统的VNET/IP协议网络为中间桥梁来实现的。
长北天然气处理厂的安全仪表系统根据实际情况分成两个系统即SIS1和SIS2.SIS1主要实现天然气处理装置中的逻辑联锁保护功能，SIS2主要实现辅助单元和公用系统的逻辑联锁保护功能。
为了保证系统的安全可靠，安全仪表系统的现场仪表与DCS的现场仪表采用独立运行原则。且安全仪表系统的现场仪表均采用两线制的连接方式，而未采用现场总线连接方式，仪表回路中间安装有安全隔离栅。
在长北天然气处理厂的中央控制室，为安全仪表系统设置了紧急控制盘。紧急控制盘上有CPF紧急停车按钮、CPF过程停车按钮、两套脱水脱烃装置紧急停车及过程停车按钮、甲醇再生装置过程停车按钮、凝析油长北气田SIS与DCS系统结构图稳定装置过程停车按钮、电动消防泵远程启动按钮、柴油消防泵远程启动按钮、泡沫混合装置远程启动按钮、操作旁路开关及指示灯、复位按钮、报警测试按钮等。
在CPF生产现场有11个过程停车按钮，各井丛均有独立的ESD按钮。如果出现紧急情况，在中央控制室或生产现场均可采取手动方式进行控制。
在中央处理厂南北干线进口、外输管线出口及脱水脱烃装置的进出口都安装有紧急切断阀，装置放空管线上均安装有紧急放空阀，各辅助装置和公用系统进出口也都安装有相应的紧急切断阀和放空阀，出现紧急情况时，可以进行联锁保护，执行相应的动作，现场报警喇叭同时报警。
5系统各逻辑功能的实现
长北气田安全仪表系统按照安全级别可分为紧急停车(ESD)、过程停车(PSD)、单元停车(USD)。根据生产工艺要求，可实现以下逻辑功能：①中央处理厂紧急停车;②中央处理厂过程停车;③脱水脱烃装置单元紧急停车;④脱水脱烃装置单元过程停车;⑤凝析油稳定装置单元停车;⑥甲醇再生装置单元停车;⑦井丛紧急停车(单个井丛紧急停车不会影响其它井丛和CPF的正常生产);⑧井丛过程停车;⑨CPF消防设备远程启动;⑩操作旁路开关及指示等。由于篇幅原因，在此只以中央处理厂紧急停车、脱水脱烃装置单元紧急停车、井丛紧急停车为例进行说明。
5.1中央处理厂紧急停车
(1)当中央处理厂出现大量天然气、凝析油、甲醇泄漏，以及火灾、爆炸等人员无法控制的情况时，中控室值班人员手动触发ESD紧急停车按钮，安全仪表系统将自动对CPF紧急停车;(2)当空压机仪表风出口的三个压力变送器中，有两个压力低低报警时，安全仪表系统将自动对CPF紧急停车，操作人员无法干预。
CPF全厂紧急停车程序启动后，南、北干线进CPF的入口联锁阀关闭;两套脱水脱烃装置的入口分离器入口联锁阀、液相出口阀、气相出口联锁阀关闭，气相入口放空阀、出口放空阀打开;低温分离器液相出口联锁阀、气相出口放空阀关闭;醇烃液加热器导热油入口联锁阀关闭;三相分离器凝析油出口联锁阀、甲醇出口联锁阀、闪蒸气出口联锁阀关闭;醇烃液换热器稳定凝析油入口联锁阀关闭，三相分离器放空阀打开;CPF装置出口关断阀关闭，出口放空阀打开;高、低压放空分液罐输液泵停止;高、低压放空分液罐液体出口阀关闭;高压燃料气罐进口管线放空阀打开。逻辑控制程序如所示。
燃料气单元、凝析油稳定装置、甲醇再生装置、导热油炉单元停车;所有运行的机泵停止运行。
井丛所有气井的井下安全阀SCSSV、井口主阀SSV、流量控制阀FCV、井丛出口紧急切断阀SDV关闭，甲醇、缓蚀剂注入泵停止，井口液压控制盘内的变频泵停止。
同时，CPF和井丛现场声光报警启动，DCS的操作界面上有报警信息和提示。
正常时，所有的输入信号都为高电平，当输入信号中有一个是低电平时，逻辑联锁动作，并且要自保联锁;当联锁条件被解除时，用RESET恢复正常。正常时按RESET按钮无效。这样实现的作用是符合失电安全的要求，并且操作人员在报警条件未清除情况下，按下RESET按钮也不会导致现场设备的误动作。
5.2井丛紧急停车
(1)当中央处理厂紧急停车时，所有井丛的安全仪表系统将自动对井丛进行紧急停车;(2)当某个井口的温度感应开关报警时(认为此井口着火)，该井丛的安全仪表系统将自动对此井丛进行紧急停车;(3)当操作员工发现某个井丛有大量天然气、甲醇泄漏，人员无法控制时，可手动触发现场的ESD按钮，该井丛的安全仪表系统将对此井丛进行紧急停车。
井丛紧急停车程序启动后，井丛所有气井的井下安全阀SCSSV、井口主阀SSV、流量控制阀FCV、井丛出口紧急切断阀SDV关闭，甲醇、缓蚀剂注入泵停止，井口液压控制盘内的变频泵停止工作。同时，井丛现场声光报警启动，DCS的操作界面上有报警信息和提示。
6结语
自2006年12月份投运至今，安全仪表系统运行稳定，通过定期测试和生产实际应用表明，它能够达到设计要求，保证了生产装置的安全、平稳运行，减少了生产设备出现故障后发生事故的概率，降低事故发生后的损失。它提高了长北气田的工艺设备及人员操作的安全性，能够大大减轻操作员工的工作量，减少人员配置，提高生产管理水平。但还需要注意以下几方面：①虽然系统内的仪表回路都安装有安全隔离栅，但还是要对所有仪表回路要定期进行检查，尤其在雷雨多发季节，我们已经出现过由于仪表回路故障导致DI卡件通道损坏的现象;②DCS与FCS之间的通讯有时还会出现中断的现象，至今还未彻底查清原因，还有待于进一步研究;③安全仪表的联锁逻辑程序中，一定要严格测试各阀门关闭时的时间，并按照工艺流程进行有顺序的关闭，避免系统超压。
