石化企業(yè)管控一體化改造工程設(shè)計(jì)探討

虞先覺(jué)

（北京燕山玉龍石化工程公司，北京102500）

目前，由于很多石油化工企業(yè)的生產(chǎn)裝置新舊不一，各裝置均單獨(dú)設(shè)有控制室，控制系統(tǒng)類型、品牌雜亂，信息化建設(shè)相對(duì)落后，管理人員辦公地點(diǎn)遠(yuǎn)離生產(chǎn)操作區(qū)，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行情況，對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)問(wèn)題的響應(yīng)和處理也相對(duì)滯后，企業(yè)正逐步失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。該類石化企業(yè)進(jìn)行管控一體化改造時(shí)，雖然可以借鑒新建石油化工廠的設(shè)計(jì)建設(shè)思路，但是受已有條件和自身特點(diǎn)的限制，生產(chǎn)過(guò)程控制仍按裝置分散進(jìn)行。筆者結(jié)合北京燕山石化化工六廠管控一體化改造項(xiàng)目，探討已投運(yùn)多年的煉油、化工企業(yè)管控一體化改造的設(shè)計(jì)及實(shí)施思路。

1 現(xiàn) 狀

該廠最早的裝置始建于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)逐年的改造和發(fā)展，現(xiàn)有裝置主要包括高壓聚乙烯、二高壓聚乙烯和低壓聚乙烯3套裝置，每套裝置均毗鄰裝置區(qū)，設(shè)有獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)控制室，而廠管理人員辦公地點(diǎn)位于距生產(chǎn)裝置較遠(yuǎn)的辦公樓內(nèi)；3套裝置位置分布分散，且裝置新舊不同，各套控制系統(tǒng)投運(yùn)年代相差較多；同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制室內(nèi)操作臺(tái)大小不同，顯示器類型各異，輔操臺(tái)形式多種多樣等也造成操作人員對(duì)裝置的管理相對(duì)困難。

2 改造目標(biāo)

基于實(shí)現(xiàn)全廠集中管理、分散控制的要求，借鑒國(guó)內(nèi)新建大型石油化工廠的經(jīng)驗(yàn)，該廠確定建立1個(gè)中心控制室。原有3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制室作為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室使用，并將生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控與全廠管理工作全部集中于中心控制室內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室不再設(shè)置操作崗位。結(jié)合企業(yè)已經(jīng)建立的信息化系統(tǒng)，完成企業(yè)的管控一體化目標(biāo)。

3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

該項(xiàng)目改造主要內(nèi)容包括：新建中心控制室及其配套的供電照明、采暖通風(fēng)、辦公網(wǎng)絡(luò)等各輔助設(shè)施；DCS，SIS，PLC等主要控制系統(tǒng)的操作站和輔操臺(tái)由原現(xiàn)場(chǎng)控制室移位并集中至中心控制室操作區(qū)，其他系統(tǒng)如可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、擴(kuò)音對(duì)講系統(tǒng)等也需集中至中心控制室內(nèi)。

3.1 中心控制室

3.1.1 選 址

中心控制室布置于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域外，與相鄰甲類、乙類裝置間距應(yīng)大于30m；除按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，考慮噪聲、振動(dòng)、電磁干擾、揚(yáng)塵等因素外，還需綜合該廠現(xiàn)有裝置的布局，選擇與生產(chǎn)裝置距離適宜的位置，便于對(duì)生產(chǎn)裝置的操作和管理；中心控制室的位置選擇需避開(kāi)現(xiàn)有不可拆除建筑及相關(guān)設(shè)施，在條件允許的情況下，還要考慮現(xiàn)有管架位置，方便中心控制室至各現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室之間儀表槽板路由的敷設(shè)。

3.1.2 布 局

作為全廠操作、管理的中心，中心控制室的設(shè)計(jì)參考了一些目前國(guó)內(nèi)新建的大型石化企業(yè)中心控制室的布置，并按照該廠現(xiàn)有操作、管理人員數(shù)量及管理使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其操作區(qū)、工作區(qū)的面積，辦公室數(shù)量，會(huì)議室大小的確定均以節(jié)約投資且充分滿足使用要求為前提，其他機(jī)柜間、UPS室、空調(diào)機(jī)房等則充分滿足使用要求并適當(dāng)留有擴(kuò)容空間。

中心控制室的布局大致分為兩個(gè)區(qū)域：以操作區(qū)、辦公區(qū)等為主的生產(chǎn)操作管理區(qū)域；以機(jī)柜間、UPS室、空調(diào)機(jī)房等設(shè)備房間為主的設(shè)備區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)管理要求，廠領(lǐng)導(dǎo)辦公室與各部室工作區(qū)毗鄰，與操作區(qū)以落地式玻璃隔斷隔開(kāi)，整個(gè)中心控制室的工作運(yùn)行情況一目了然；機(jī)柜間、UPS室、空調(diào)機(jī)房等設(shè)備房間集中布置于中心控制室的另一側(cè)，正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)均無(wú)人員進(jìn)出；操作區(qū)操作站、輔操臺(tái)及其他工作站采用直線排列，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備數(shù)量分為2排，并按照設(shè)備的重要程度進(jìn)行布置。

3.1.3 建筑和結(jié)構(gòu)

由于中心控制室鄰近有爆炸危險(xiǎn)的化工裝置，需要考慮這些裝置可能發(fā)生的蒸氣云爆炸，根據(jù)相關(guān)計(jì)算，新建中心控制室可能受到的最大爆炸超壓（Overpressure）約 為29.5kPa，持 續(xù) 時(shí) 間 約 為50ms；結(jié)合文獻(xiàn)資料及所做項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，新建中心控制室確定為鋼筋混凝土抗爆結(jié)構(gòu)，外墻墻厚350mm。

中心控制室設(shè)計(jì)為單層建筑，耐火等級(jí)二級(jí)（項(xiàng)目實(shí)施于2009年，2012年實(shí)施新規(guī)范改為一級(jí)），防水等級(jí)Ⅱ級(jí)，外墻、屋面板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板；層高為6m，室內(nèi)地面高于室外700mm，活動(dòng)地板下基礎(chǔ)底面、空調(diào)機(jī)房地面高于室外地面300mm。機(jī)柜間地面采用了抗靜電地板，操作區(qū)、工作區(qū)均選用了大規(guī)格瓷磚地面，操作臺(tái)進(jìn)線采用暗埋電纜溝的方式，使整個(gè)中心控制室美觀、清潔、耐用。

中心控制室外門(mén)的室內(nèi)側(cè)設(shè)置隔離前室，控制室外門(mén)、隔離前室內(nèi)門(mén)選用抗爆防護(hù)門(mén)，其中外門(mén)荷載取值與建筑物外墻計(jì)算沖擊波超壓相同，隔離前室內(nèi)門(mén)計(jì)算沖擊波超壓為外門(mén)的50%，整個(gè)中心控制室未設(shè)窗戶。

3.1.4 采光和照明

由于中心控制室未設(shè)置窗戶，全部采用人工照明。中心控制室分為若干區(qū)域，其照明要求不同，操作區(qū)域、工程師室等為300lx，機(jī)柜間為400～500lx，其他區(qū)域如工作區(qū)、會(huì)議室等可酌情確定。

3.1.5 采暖和通風(fēng)

中心控制室的空調(diào)系統(tǒng)除配電室及UPS室外統(tǒng)一采用集中空調(diào)，配電室及UPS室設(shè)風(fēng)冷分體柜式空調(diào)機(jī)。集中空調(diào)選用恒溫恒濕空調(diào)機(jī)，上送風(fēng)后回風(fēng)；空調(diào)機(jī)設(shè)置為一用一備，每臺(tái)均能滿足需求，空調(diào)機(jī)供電與控制系統(tǒng)同采用UPS供電；空調(diào)機(jī)的室外機(jī)放置于屋頂，冷凝水排入排水漏斗；空調(diào)機(jī)溫度、濕度傳感器設(shè)置在機(jī)柜間內(nèi)，同時(shí)為保證室內(nèi)空氣潔凈度及衛(wèi)生要求，系統(tǒng)設(shè)熱回收式新風(fēng)換氣機(jī)，新風(fēng)入口及排風(fēng)出口設(shè)抗爆閥；空調(diào)系統(tǒng)送、回風(fēng)管穿越空調(diào)機(jī)房隔墻處均設(shè)防火閥（常開(kāi)型，70℃自動(dòng)關(guān)閉），同時(shí)根據(jù)需要輸出信號(hào)聯(lián)鎖關(guān)閉空調(diào)機(jī)或新風(fēng)換氣機(jī)。UPS室的風(fēng)冷分體柜式空調(diào)機(jī)室外機(jī)設(shè)在屋頂，冷凝水排入相鄰的空調(diào)機(jī)房的排水漏斗，冷凝水管選用熱鍍鋅鋼管，冷凝水管與空調(diào)機(jī)冷凝水孔接頭處密封，防止凝水漏到UPS室內(nèi)。

3.1.6 供電、防雷與接地

1）中心控制室的供電主要分為兩部分：控制系統(tǒng)機(jī)柜、操作站、空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備的供電；辦公用電。按照控制系統(tǒng)及空調(diào)機(jī)的供電要求，其動(dòng)力電源采用雙路供電，配置UPS；辦公用電引自上述電源系統(tǒng)，也設(shè)置備用電池。

2）中心控制室按照第二類防雷建筑設(shè)防，屋頂設(shè)置避雷網(wǎng)，避雷網(wǎng)沿屋角、屋脊、檐角和屋檐等易受雷擊的部位敷設(shè)，并在整個(gè)屋面組成網(wǎng)格，利用建筑物結(jié)構(gòu)柱內(nèi)二根主鋼筋作為引下線，引下線下端與基礎(chǔ)地梁內(nèi)2個(gè)主筋可靠焊接，外墻引下線在距室外地面0.8m處引出與室外接地線焊接。

3）中心控制室的防雷接地、靜電接地、保護(hù)接地和工作接地共用同一接地裝置，接地電阻不大于4Ω。

3.2 各裝置控制系統(tǒng)整合

該廠3套生產(chǎn)裝置有十余套控制系統(tǒng)，包括各裝置主要控制系統(tǒng)DCS，安全儀表系統(tǒng)（SIS），以及一些輔助單元（如風(fēng)送系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)等）采用的可編程邏輯控制器（PLC）等。各系統(tǒng)品牌及投運(yùn)時(shí)間各不相同，配置情況各異?，F(xiàn)需將這多套系統(tǒng)的操作站、輔操臺(tái)統(tǒng)一安置于中心控制室的操作區(qū)，既需要從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，又需要考慮統(tǒng)一和美觀問(wèn)題。

除常規(guī)控制系統(tǒng)外，原各裝置還存在一些特殊的監(jiān)控設(shè)備，如設(shè)備保護(hù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、反應(yīng)器下料控制系統(tǒng)等，這些監(jiān)控設(shè)備移至中心控制室需要特殊處理。其他一些系統(tǒng)如可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、擴(kuò)音對(duì)講系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)等也需一并考慮。

3.2.1 主要控制系統(tǒng)

按照中心控制室－現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間模式設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是將控制器、卡件、端子等放置于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的機(jī)柜中，操作站放置于中心控制室，中心控制室與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間之間通過(guò)光纜傳輸信號(hào)。該廠各套裝置在運(yùn)行當(dāng)中，其現(xiàn)場(chǎng)控制室可作為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室使用，各裝置DCS，SIS，PLC等系統(tǒng)的操作站、輔操臺(tái)搬遷至中心控制室均按照該思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在中心控制室和各現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室（原現(xiàn)場(chǎng)控制室）均增加用于放置交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器等設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間通過(guò)雙路徑光纜連接進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，并將操作站搬遷至中心控制室操作區(qū)并連接至中心控制室的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜，以接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室系統(tǒng)控制器的數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

不同類型的系統(tǒng)分別采用各自的多路光纜，避免了互相干擾，實(shí)現(xiàn)了安全可靠的網(wǎng)絡(luò)布局，保證了各套系統(tǒng)順利運(yùn)行；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用了冗余配置，光纜敷設(shè)設(shè)置了雙路徑，保證了通信的可靠性。

原現(xiàn)場(chǎng)控制室中的DCS和SIS輔操臺(tái)與其所屬系統(tǒng)間的連接均采用電纜直接連接，因?yàn)樵F(xiàn)場(chǎng)控制室與機(jī)柜間距離很近，不存在信號(hào)傳輸問(wèn)題。當(dāng)輔操臺(tái)搬遷至中心控制室后，輔操臺(tái)與其系統(tǒng)之間間距至少為幾百米，如果繼續(xù)采用電纜連接不僅需要大量電纜投資，更存在信號(hào)失真或傳輸故障之類的風(fēng)險(xiǎn)。改造中輔操臺(tái)的搬遷采用遠(yuǎn)程I／O方式，在中心控制室增加遠(yuǎn)程I／O設(shè)備，將現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室（原現(xiàn)場(chǎng)控制室）中的控制系統(tǒng)與放置在中心控制室的遠(yuǎn)程I／O設(shè)備通過(guò)冗余光纜連接，搬遷至中心控制室的輔操臺(tái)的按鈕和燈屏直接連接至遠(yuǎn)程I／O設(shè)備，完成報(bào)警和操作的功能，如圖1所示。

圖1 操作站與輔操臺(tái)移位后與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室的連接示意

考慮到用戶多年的操作使用習(xí)慣，輔操臺(tái)并未采用目前較為先進(jìn)的數(shù)字報(bào)警站，而是沿用了常規(guī)的燈屏和按鈕的形式，避免了操作人員由于工作環(huán)境和操作習(xí)慣同時(shí)改變產(chǎn)生不適應(yīng)，從而發(fā)生不必要的操作失誤。

3.2.2 特殊監(jiān)控設(shè)備

由于裝置存在一些特殊監(jiān)控設(shè)備，其遠(yuǎn)程控制改造的方式需要特殊處理。

二高壓裝置一次機(jī)活塞桿沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Bently 3300／81監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置在原二高壓現(xiàn)場(chǎng)控制室，管控一體化改造要求該系統(tǒng)通過(guò)4～20mA信號(hào)方式將信號(hào)傳遞至二高壓裝置DCS，實(shí)現(xiàn)中心控制室內(nèi)對(duì)該設(shè)備的監(jiān)控要求；而3300／81監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不具備模擬量輸出功能，故將其更換為3500系統(tǒng)，完成監(jiān)控系統(tǒng)在中心控制室的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求。

二高壓裝置反應(yīng)器脈動(dòng)下料控制采用了特殊的Bafco控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的控制盤(pán)設(shè)置于原二高壓現(xiàn)場(chǎng)控制室內(nèi)，將控制盤(pán)搬遷至中心控制室后，信號(hào)傳輸采用了硬接線的方式，在中心控制室的操作區(qū)墻面預(yù)留位置用于安裝控制盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

3.2.3 其他監(jiān)控設(shè)備

其他監(jiān)控設(shè)備主要包括可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)等。

1）3套生產(chǎn)裝置的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)形式不同，有的采用了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器信號(hào)直接進(jìn)入DCS獨(dú)立卡件并設(shè)置獨(dú)立的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警站的方式，有的則仍使用傳統(tǒng)的盤(pán)裝式多通道報(bào)警器。在改造過(guò)程中，將使用傳統(tǒng)形式的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)接入DCS，設(shè)置獨(dú)立的卡件，在中心控制室中統(tǒng)一采用可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警站進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。

2）對(duì)3套裝置的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行整合，在中心控制室增設(shè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)光纜連接將各裝置的火災(zāi)報(bào)警信號(hào)引入中心控制室內(nèi)，在中心控制室監(jiān)測(cè)各裝置的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

3）由于中心控制室為鋼筋混凝土建筑致使信號(hào)完全屏蔽，中心控制室與外界的語(yǔ)音對(duì)講無(wú)法正常通信，因此在中控室內(nèi)安裝了無(wú)線信號(hào)覆蓋系統(tǒng)。在中心控制室內(nèi)安裝數(shù)字中繼設(shè)備、多信道合路器、多信道分路器及控制室內(nèi)外的接收／發(fā)射天線，實(shí)現(xiàn)中心控制室內(nèi)與生產(chǎn)裝置區(qū)對(duì)講機(jī)通話無(wú)盲區(qū)，保證生產(chǎn)工作的調(diào)度指揮。

4）工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)的一種直觀監(jiān)控手段在中心控制室中地位重要，自2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)大型石化企業(yè)大屏幕等離子顯示器組合作為工業(yè)電視監(jiān)控顯示屏的應(yīng)用已比較成熟。該次改造將視頻監(jiān)控信號(hào)通過(guò)光纜傳輸至中心控制室，在中心控制室配置了1臺(tái)261.62cm（103in）等離子顯示器和14臺(tái)127cm（50in）等離子顯示器，組成了中心控制室工業(yè)電視監(jiān)控大屏幕顯示系統(tǒng)。將大屏幕安裝于中心控制室操作區(qū)墻面，全部視頻監(jiān)控畫(huà)面在操作區(qū)及管理工作區(qū)均可一目了然，有利于提高監(jiān)控效率，便于管理，尤其是指揮和處理突然事件時(shí)更加直觀。

3.3 操作區(qū)的布置及電纜密封模塊的應(yīng)用

操作區(qū)共分為2排，根據(jù)用戶的建議和要求，所有操作站均設(shè)置為雙屏顯示，并將所有主要操作站、輔操臺(tái)等放置于操作區(qū)的第一排，第二排采用的均為桌面式操作臺(tái)，作為生產(chǎn)調(diào)度臺(tái)或放置各裝置的MES等輔助設(shè)備及對(duì)講機(jī)充電臺(tái)燈等。

為了滿足中心控制室的抗爆、防水、防鼠等要求，該次改造的儀表電纜進(jìn)線采用了專用電纜密封模塊封堵的方式，具有較好的密封效果，且留有備用空間利于今后的維護(hù)和擴(kuò)展，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的填料函封閉的方法。

4 存在問(wèn)題

原有3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制室作為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室使用，其建筑結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變，仍然保留原來(lái)的非抗爆結(jié)構(gòu)。按照SH／T 3006—2012《石油化工控制室設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，“對(duì)于有爆炸危險(xiǎn)的石油化工裝置，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室建筑物的建筑、結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)抗爆強(qiáng)度計(jì)算、分析結(jié)果設(shè)計(jì)”。原有3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制室距離裝置較近，一次性改造成抗爆結(jié)構(gòu)是最佳方案，但由于對(duì)改造工期、投資、電纜進(jìn)線等因素的考慮而沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。因此，筆者不推薦這種改造方案，而是尋找既符合規(guī)范要求又切實(shí)可行的改造方案，這是老廠管控一體化改造中必須面臨的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)已投入運(yùn)行多年的石化企業(yè)實(shí)施管控一體化改造工程，在設(shè)計(jì)階段需要充分了解各套系統(tǒng)的現(xiàn)狀，解決系統(tǒng)整合過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，確保改造完成后能夠達(dá)到使用要求。在實(shí)施老廠管控一體化改造過(guò)程中，如何做到一次到位是大家需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題。

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