淺談天然氣液化工廠自控系統(tǒng)的設(shè)計

向曉燕

（陜西省燃?xì)庠O(shè)計院有限公司，西安 710043）

天然氣液化工廠是將氣態(tài)天然氣變?yōu)橐夯烊粴獾纳a(chǎn)企業(yè)。生產(chǎn)原料為氣態(tài)天然氣，由天然氣管道引入，成品為液化天然氣。

液化天然氣，Liquefied Natural Gas（LNG），主要組分是甲烷，可能含有少量的乙烷、丙烷、氮或通常存在于天然氣中的其它組分。LNG的密度取決于其組分，甲烷含量越高，密度越小。LNG的體積約為其氣態(tài)體積的1/600。LNG儲存溫度約為-162℃，溫度低于-113℃時蒸發(fā)氣密度比空氣重。LNG作為一種清潔、優(yōu)質(zhì)燃料，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、居民生活、工商業(yè)等領(lǐng)域。

1 自控系統(tǒng)

針對天然氣液化工廠的生產(chǎn)工藝和介質(zhì)特點(diǎn)，自控系統(tǒng)的水平應(yīng)根據(jù)裝置規(guī)模、流程特點(diǎn)、運(yùn)行要求、管理模式等因素統(tǒng)籌考慮[1]。

以日處理原料氣300×104m3液化工廠為例，為了保證LNG工廠裝置的安全、平穩(wěn)、長周期運(yùn)行[2]，自動控制設(shè)置了分散型控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）及可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)（GDS）3大系統(tǒng)，其他單機(jī)成套設(shè)備采取機(jī)組自帶PLC實(shí)現(xiàn)控制功能。成套PLC系統(tǒng)包括導(dǎo)熱油爐PLC、BOG壓縮機(jī)PLC、冷劑壓縮機(jī)ITCC、火炬系統(tǒng)PLC、定量裝車控制系統(tǒng)及PSA制氮系統(tǒng)PLC等，成套PLC控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。自控系統(tǒng)方框圖如圖1。

圖1 自控系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block diagram of automatic control system

DCS系統(tǒng)主要用于基本過程控制，SIS系統(tǒng)和GDS系統(tǒng)獨(dú)立于過程控制，完成廠區(qū)的安全保護(hù)工作。

DCS系統(tǒng)對工藝參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測、控制、報警等，通過DCS系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)效率和工作質(zhì)量，減少操作人員數(shù)量，降低工作強(qiáng)度，節(jié)約長期運(yùn)行成本。

SIS系統(tǒng)對工廠重要的工藝裝置和設(shè)施實(shí)施安全監(jiān)控，完成各裝置的安全聯(lián)鎖，其緊急切斷功能使工廠處于故障安全模式，保證生產(chǎn)和人員安全。

GDS系統(tǒng)對可燃/有毒氣體的泄漏進(jìn)行預(yù)警，并將報警信號上傳至火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS），從而確保整個生產(chǎn)順利、安全地進(jìn)行。

2 自控系統(tǒng)方案

2.1 分散型控制系統(tǒng)（DCS）

DCS系統(tǒng)對生產(chǎn)裝置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，自動采集和處理工藝變量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的顯示、趨勢記錄、歷史事件記錄、報警、控制、打印、制表及流程圖畫面動態(tài)顯示等功能。DCS系統(tǒng)作為整個自控系統(tǒng)的核心，工藝過程的所有常規(guī)控制、時序控制、工藝聯(lián)鎖邏輯控制等均由DCS系統(tǒng)完成。當(dāng)工藝參數(shù)越限時，能記錄、顯示、打印并報警。

DCS系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為過程控制層、操作監(jiān)控層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。

過程控制層完成對過程的直接控制以及過程變量的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時存儲和傳輸功能。配置為直接與檢測儀表和執(zhí)行器相連的各種過程控制站，如I/O單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制單元等。

操作監(jiān)控層為DCS系統(tǒng)的主要人機(jī)接口，對來自過程控制層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲，實(shí)現(xiàn)集中操作管理的功能。配置操作員站、工程師操作站、控制計算機(jī)以及外圍設(shè)備等。

數(shù)據(jù)服務(wù)層為DCS內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的中間層，用于向間接參與生產(chǎn)過程的用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，配置與企業(yè)管理計算機(jī)連接所需設(shè)備。

2.2 安全儀表系統(tǒng)（SIS）

SIS系統(tǒng)用于監(jiān)測生產(chǎn)過程運(yùn)行狀態(tài)，判斷危險或風(fēng)險發(fā)生的條件，自動或手動執(zhí)行規(guī)定的安全儀表功能，防止或減小危險事件發(fā)生，減少人員傷害或經(jīng)濟(jì)損失，減輕危險事件造成的影響，保護(hù)人身和生產(chǎn)裝置安全，保護(hù)環(huán)境[3]。SIS系統(tǒng)按照安全獨(dú)立原則要求，獨(dú)立于DCS系統(tǒng)，

獨(dú)立完成安全儀表功能，其安全級別高于DCS系統(tǒng)。SIS系統(tǒng)的安全完整性等級應(yīng)滿足SIL定級分析最終結(jié)果，SIS系統(tǒng)的邏輯控制器應(yīng)取得國家權(quán)威機(jī)構(gòu)的功能安全認(rèn)證。

在正常情況下，SIS系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經(jīng)過DCS系統(tǒng)，而直接由SIS發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險擴(kuò)散造成巨大損失。當(dāng)整個系統(tǒng)停電、在火災(zāi)等緊急情況下，按下SIS系統(tǒng)的“緊急停車”按鈕可切斷所有緊急切斷閥，同時急停相關(guān)動設(shè)備。緊急停車后，

整個系統(tǒng)開車時需按下SIS系統(tǒng)的“系統(tǒng)復(fù)位”按鈕確認(rèn)后，方可正常操作。

2.3 可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)（GDS）

天然氣液化工廠設(shè)置獨(dú)立的GDS系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)廠區(qū)可燃/有毒氣體的泄漏檢測、報警（一級和二級報警）及安全保護(hù)。當(dāng)所檢測的過程變量超過其安全限定值時，通過聲光報警指示發(fā)生的區(qū)域以及時采取相應(yīng)措施。GDS系統(tǒng)包括：現(xiàn)場探測器、現(xiàn)場區(qū)域警報器、現(xiàn)場機(jī)柜室的邏輯控制器、中控室的顯示報警單元等[4]?？扇?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)配置圖如圖2。

圖2 可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)配置圖Fig.2 Configuration of combustible gas and toxic gas detection and alarm system

在生產(chǎn)區(qū)及其他可能存在可燃?xì)怏w、液化烴及可燃液體泄漏處均設(shè)置固定點(diǎn)式可燃/有毒氣體探測器；在生產(chǎn)過程中可能導(dǎo)致環(huán)境氧氣濃度變化，出現(xiàn)欠氧、過氧的有人員進(jìn)入活動的場所，設(shè)置氧氣探測器；在生產(chǎn)區(qū)及其他存在潛在液化天然氣泄漏危險并需經(jīng)常觀測處設(shè)置低溫探測器；在中控室設(shè)置GDS報警盤集中聲光報警?？扇?xì)怏w的一級報警設(shè)定值小于或等于25%爆炸下限濃度值，二級報警設(shè)定值小于或等于50%爆炸下限濃度值。環(huán)境氧氣的過氧報警設(shè)定值為23.5%VOL，環(huán)境欠氧報警設(shè)定值為19.5%VOL?？扇?xì)怏w的二級報警信號及GDS系統(tǒng)報警控制單元的故障信號送至消防控制室火災(zāi)報警控制器進(jìn)行圖形顯示和報警。另配置便攜式可燃?xì)怏w探測器，以便巡檢操作人員隨身攜帶。

2.4 導(dǎo)熱油爐PLC系統(tǒng)

導(dǎo)熱油爐控制采用可編程控制器（PLC）+觸摸屏控制方式，完成熱媒爐及相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、故障綜合報警、自動化調(diào)節(jié)控制、數(shù)據(jù)管理等，并配以人機(jī)界面HMI進(jìn)行人機(jī)對話，相關(guān)的參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)可根據(jù)需要通過MODBUS RS485通訊接口傳送給DCS系統(tǒng)。通過PLC系統(tǒng)保持整個供熱系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、不間斷連續(xù)運(yùn)行，保證在最大和最小負(fù)荷下均能安全、正常、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用熱設(shè)備提供滿足負(fù)荷要求的穩(wěn)定熱源。

2.5 BOG壓縮機(jī)PLC系統(tǒng)

BOG壓縮機(jī)采用可編程控制器（PLC）+觸摸屏控制方式，可實(shí)時顯示機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，包括機(jī)組運(yùn)行的吸（排）氣壓力及溫度、供油壓力及溫度、過濾器壓差、電機(jī)電流、壓縮機(jī)的載位等參數(shù)。當(dāng)吸氣壓力或溫度超低限、排氣壓力或溫度超高限、供油壓差超低限時，機(jī)組PLC聯(lián)鎖停機(jī)。機(jī)組PLC與DCS系統(tǒng)通過MODBUS RS485通訊接口通訊，機(jī)組PLC與DCS/SIS系統(tǒng)通過硬線連接，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組遠(yuǎn)程開機(jī)、強(qiáng)制滿載、遠(yuǎn)程急停等控制。

2.6 冷劑壓縮機(jī)ITCC系統(tǒng)

冷劑壓縮機(jī)ITCC系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）作為核心，并配置操作員站（兼工程師站）。壓縮機(jī)、電機(jī)和齒輪箱共用一套本特利監(jiān)測系統(tǒng)，本特利監(jiān)測系統(tǒng)集成到ITCC系統(tǒng)中。ITCC可實(shí)時顯示機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，包括機(jī)組運(yùn)行的各級進(jìn)氣壓力及溫度、各級排氣壓力及溫度、供油壓力及溫度、主軸承溫度、電機(jī)軸承溫度、電機(jī)定子溫度、過濾器壓差、郵箱液位、儲槽液位、潤滑油壓力、密封氣壓力、喘振閥的控制及閥位反饋、軸振動、軸位移等參數(shù)。機(jī)組的所有常規(guī)控制、防喘振控制及邏輯聯(lián)鎖、緊急停機(jī)等均由ITCC完成。ITCC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通過MODBUS RS485通訊接口通訊，ITCC系統(tǒng)與DCS/SIS系統(tǒng)通過硬線連接，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組遠(yuǎn)程開機(jī)、強(qiáng)制滿載、遠(yuǎn)程急停等控制。

2.7 火炬PLC系統(tǒng)

火炬成套提供PLC點(diǎn)火控制系統(tǒng)，防爆PLC點(diǎn)火控制柜設(shè)置在現(xiàn)場火炬界區(qū)內(nèi)，現(xiàn)場控制柜面板設(shè)置操作開關(guān)、按鈕及報警/運(yùn)行指示燈?？蓪?shí)現(xiàn)自動/手動開關(guān)分級閥、補(bǔ)水閥、吹氮閥、消煙風(fēng)機(jī)及就地/遠(yuǎn)程、自動/手動點(diǎn)火等操作，并具有點(diǎn)火失敗、閥位故障、液面高、低限、爆破片爆裂等報警信號指示功能?；鹁娌捎梅旨壢紵刂葡到y(tǒng)，運(yùn)行時根據(jù)壓力自動逐級打開燃燒器，以適應(yīng)不同的排放流量，確保在小排放量或最大事故排放量時均能穩(wěn)定燃燒，PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通過MODBUS RS485通訊接口通訊。

2.8 定量裝車控制系統(tǒng)

定量裝車控制系統(tǒng)是一種以RS485標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線為基礎(chǔ)的集散式裝車控制系統(tǒng)，采用撬裝結(jié)構(gòu)將質(zhì)量流量計、壓力變送器、裝車流量控制閥、緊急切斷閥、批量控制器集成在一個撬裝架上。批量控制器連接撬內(nèi)所有控制閥門、壓力變送器、溫度變送器、流量計等，按照工藝要求實(shí)現(xiàn)對撬內(nèi)自動閥門的控制，采集各種工藝數(shù)據(jù)在批量控制器上集中顯示，完成內(nèi)部信號聯(lián)鎖。批量控制器配置靜電接地控制器、緊急停車按鈕，靜電接地控制器配置靜電夾安裝在鶴管附近。裝車時，必須將靜電夾與槽車可靠連接，防止靜電聚集。在裝車控制室設(shè)置兩臺電腦，一臺用于裝車控制，監(jiān)控裝車系統(tǒng)運(yùn)行，數(shù)據(jù)儲存和報警；一臺用于業(yè)務(wù)辦理，主要用于客戶信息裝車量的錄入，地磅過皮重、毛重以及數(shù)據(jù)處理。裝車控制系統(tǒng)通過MODBUS RS485通訊接口與DCS系統(tǒng)通訊，可以實(shí)時將裝車流量、溫度、壓力、閥位及靜電狀態(tài)上傳，滿足工廠管理要求。

2.9 PSA制氮系統(tǒng)PLC

PSA制氮系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）+觸摸屏控制方式，連續(xù)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行所需流量、純度、壓力、露點(diǎn)等數(shù)據(jù)以及設(shè)備的運(yùn)行、故障狀態(tài)，完成閥門切換、氮?dú)獠缓细褡詣油C(jī)等功能。制氮系統(tǒng)PLC通過MODBUS RS485通訊接口與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

3 自控系統(tǒng)選型

3.1 DCS系統(tǒng)選型

DCS系統(tǒng)選型應(yīng)綜合考慮實(shí)用性、可靠性、可用性、可維護(hù)性、可追溯性、經(jīng)濟(jì)性、拓展性，選用的DCS應(yīng)是成熟的，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢驗的系統(tǒng)應(yīng)能滿足天然氣液化工廠生產(chǎn)的過程控制、檢測、操作與管理的需要。

控制器應(yīng)是基于帶微處理器（CPU）的多功能控制器，其內(nèi)存應(yīng)不小于16MB的32位機(jī)，控制器應(yīng)具備PID參數(shù)自整定功能。系統(tǒng)CPU必須按1:1冗余配置，相關(guān)的通信接口、電源也應(yīng)按1:1冗余配置?？刂破鲬?yīng)帶有容錯功能、自診斷功能，切換控制模塊應(yīng)具備判斷錯誤位置和選擇控制器的能力?？刂破鞅仨毦邆銲SA secure 1級以上網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證?？刂破髅總€回路可以定義不同的掃描周期（50ms～2000ms），按實(shí)際系統(tǒng)配置的情況及掃描工作周期的選擇，要求控制單元的最大負(fù)荷應(yīng)小于60%。

過程I/O接口應(yīng)包括AI、AO、DI、DO、PI等類型，應(yīng)具備智能變送器接口、串行和并行通信接口等，過程I/O卡件輸入電路應(yīng)帶電磁隔離或光電隔離?？刂苹芈稩/O卡及重要檢測點(diǎn)I/O卡冗余配置。各類控制點(diǎn)、檢測點(diǎn)的備用點(diǎn)數(shù)為實(shí)際設(shè)計點(diǎn)數(shù)的10%～15%，輸入輸出卡件插槽的備用空間為10%～15%。所有的I/O卡件必須有防腐涂層，滿足G3防腐要求。溫度卡必須可以同時接RTD和TC信號。各種I/O卡件的最大通道數(shù)量應(yīng)滿足表1中要求[5]：

表1 I/O卡件最大通道數(shù)量Table 1 Maximum channel quantity of I/O card

操作站主機(jī)應(yīng)采用高性能工業(yè)用計算機(jī)，操作系統(tǒng)應(yīng)是通用性的。數(shù)據(jù)更新周期、動態(tài)參數(shù)刷新周期應(yīng)小于或等于1s。為方便調(diào)試和維護(hù)，任何操作員站同時具備工程師站功能，在有需要時可以隨時切換進(jìn)入工程師組態(tài)等調(diào)試界面，工程師站能夠記錄并存儲趨勢等歷史數(shù)據(jù)，不少于6個月。

系統(tǒng)具備OPC服務(wù)器功能，可以將系統(tǒng)中所有的實(shí)時數(shù)據(jù)以O(shè)PC服務(wù)器的方式提供給上層信息網(wǎng)，同時允許不少于5個用戶來讀取OPC數(shù)據(jù)，OPC服務(wù)器的點(diǎn)數(shù)容量不少于10000點(diǎn)。

3.2 SIS系統(tǒng)選型

SIS系統(tǒng)應(yīng)選用成熟可靠的品牌產(chǎn)品，SIS系統(tǒng)的安全完整性等級應(yīng)滿足SIL定級分析最終結(jié)果。SIS系統(tǒng)的邏輯控制器應(yīng)取得國家權(quán)威機(jī)構(gòu)的功能安全認(rèn)證。

SIS系統(tǒng)為故障安全型，當(dāng)SIS系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生故障時，SIS系統(tǒng)按設(shè)計預(yù)定方式將過程轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。SIS系統(tǒng)的邏輯控制器具有軟件和硬件自診斷功能。SIS系統(tǒng)的中央處理單元、輸入輸出單元、通信單元及電源單元實(shí)時熱備冗余，模塊具有帶電拔插和自診斷功能。SIS系統(tǒng)邏輯控制器的中央處理單元負(fù)荷不超過50%，內(nèi)部通信負(fù)荷不超過50%，采用以太網(wǎng)的通信負(fù)荷不超過20%，SIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信接口負(fù)荷不超過50%。SIS系統(tǒng)的輸入信號不采用通信信號，測量儀表不采用現(xiàn)場開關(guān)量儀表，電磁閥采用24VDC長期勵磁型。在爆炸危險場所，SIS系統(tǒng)的現(xiàn)場測量儀表和最終元件選用隔爆型，減少中間環(huán)節(jié)。

SIS系統(tǒng)必須支持冗余的網(wǎng)絡(luò)連接控制器與工程師站和操作員站，支持與DCS之間的冗余通信。

SIS的I/O卡件必須符合G3防腐標(biāo)準(zhǔn)，能在腐蝕性工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。SIS的關(guān)鍵切斷回路選用冗余I/O配置。

3.3 GDS系統(tǒng)選型

GDS系統(tǒng)報警控制單元采用獨(dú)立設(shè)置的以微處理器為基礎(chǔ)的電子產(chǎn)品，應(yīng)選用成熟可靠的產(chǎn)品。參與消防聯(lián)動的報警控制單元應(yīng)采用取得國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心型式檢測報告的專用可燃?xì)怏w報警控制器。GDS系統(tǒng)必須支持冗余的網(wǎng)絡(luò)連接控制器與工程師站和操作員站，支持與DCS之間的冗余通信。GDS系統(tǒng)的I/O卡件必須符合G3防腐標(biāo)準(zhǔn)，能在腐蝕性工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。GDS系統(tǒng)的關(guān)鍵回路選用冗余I/O配置。GDS系統(tǒng)的IO必須支持回路監(jiān)測功能。

可燃?xì)怏w探測器必須取得經(jīng)國家指定機(jī)構(gòu)或其授權(quán)檢驗單位相應(yīng)的計量器具制造認(rèn)證、防爆認(rèn)證和消防認(rèn)證?？扇?xì)怏w探測器帶一體化聲光報警器，一體化聲光報警器的啟動信號采用第一級報警設(shè)定值信號。

現(xiàn)場區(qū)域警報器的報警聲級不低于110dBA，區(qū)域警報器的啟動信號采用第二級報警設(shè)定值信號。

4 結(jié)束語

LNG裝置為連續(xù)生產(chǎn)裝置，工藝過程復(fù)雜，工藝介質(zhì)易燃易爆，對自控系統(tǒng)的要求較高。自控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)充分考慮正常生產(chǎn)工況下和非正常生產(chǎn)工況下的相關(guān)安全技術(shù)措施，以確保LNG裝置的平穩(wěn)、長周期安全生產(chǎn)，確?，F(xiàn)場人員安全、設(shè)備安全及環(huán)境安全[6]。