集散控制系統(tǒng)在大型油氣處理站的應(yīng)用

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介 　　科威特西部油田GC27、GC28集油站和傳輸管線生產(chǎn)設(shè)施擴(kuò)建項(xiàng)目，是中國(guó)石油工程建設(shè)公司通過投標(biāo)的方式，在國(guó)外承包的最大的EPC總包合同，合同金額近四億美元。GC28站設(shè)計(jì)規(guī)模為原油 1270×104 m3/a (220MB/D)，天然氣 487×104 m3/a （170MMSCFD），工藝流程為凝析油采用分子篩脫水和凝析油脫色工藝；原油采用中質(zhì)油和輕質(zhì)油分別處理而且壓力等級(jí)不同的兩套流程；氣體處理采用三級(jí)壓縮，兩套裝置并聯(lián)運(yùn)行；采用了有煙火炬、無(wú)煙火炬、泄壓液體自動(dòng)燃燒等新工藝，新設(shè)備。油系統(tǒng)的操作范圍為25%－110%、氣系統(tǒng)為10％－115％。 油氣處理質(zhì)量指標(biāo)要求高：凈化原油含水量小于0.1%，含鹽量小于14毫克/升； 凝析油含水量小于50ppm，色度達(dá)到+20賽波特。該站生產(chǎn)過程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，自動(dòng)化控制設(shè)備由就地控制盤（Local Control Panel）、遠(yuǎn)程控制盤(Remote Control Panel)、和DCS控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成，每一部分均可獨(dú)立完成控制功能，靈活方便，可靠性高。 二、系統(tǒng)簡(jiǎn)介 　　其控制系統(tǒng)采用的是Fisher－Rosemount的RS3系統(tǒng)構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）和由TRICONIX PLC 構(gòu)成的安保系統(tǒng)SSS（Safety & Shutdown System）,它又包括ESD (Emergency Shut Down) 和 F&G (Fire & Gas)兩部分，另外，大型壓縮機(jī)等設(shè)備都采用PLC獨(dú)立控制，并以冗余RS232/422方式與PCS系統(tǒng)鏈接。該系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：一是規(guī)模大，GC28站的I/O點(diǎn)為11673點(diǎn)；二是控制方案及控制算法復(fù)雜，控制策略與工藝過程緊密結(jié)合，自動(dòng)化程度高；三是火氣檢測(cè)系統(tǒng)和緊急關(guān)斷系統(tǒng)采用了可靠的三冗余控制系統(tǒng)，嚴(yán)格按照四級(jí)關(guān)斷邏輯設(shè)計(jì)，安全等級(jí)高；四是火氣系統(tǒng)、 緊急關(guān)斷系統(tǒng)、壓縮機(jī)控制系統(tǒng)以冗余MODBUS通訊與過程控制系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合為一體，并采用一體化的組態(tài)編程方法，在操作站上為統(tǒng)一的操作平臺(tái)；五是系統(tǒng)的供電、總線、通訊、控制器、及I/O全冗余，可靠性高。該系統(tǒng)于2000年底投運(yùn)。 三、系統(tǒng)硬件 　　PCS系統(tǒng)由RS3系統(tǒng)的冗余高速數(shù)據(jù)總線及其上的各種功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它包括:4個(gè)操作員站和1個(gè)工程師站（按用途劃分）及相應(yīng)的外設(shè)，11個(gè)控制器站，每個(gè)站由通訊組件、緩沖器組件、協(xié)處理器組件、存貯器組件及4組1：1冗余控制器構(gòu)成，控制器下接冗余I/O。SSS系統(tǒng)包括ESD系統(tǒng)和F&G系統(tǒng)兩部分，由兩套獨(dú)立的TRICONEX PLC及其上位工程師站構(gòu)成，為總線、控制器三冗余，I/O四冗余結(jié)構(gòu)，兩套系統(tǒng)分別以冗余MODBUS接口與RS3系統(tǒng)的PLC接口連接，同時(shí)兩套系統(tǒng)之間以冗余RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。兩套大型的壓縮機(jī)組分別采用ABB的Freelance 2000和AB PLC 5/04 控制，通過冗余的MODBUS接口與PCS 系統(tǒng)連接。 四、邏輯、算法和程序 　　ESD系統(tǒng)完成各工藝系統(tǒng)間及同一工藝系統(tǒng)的各級(jí)之間的的關(guān)斷、隔離和動(dòng)設(shè)備的停車控制，ESD關(guān)斷邏輯設(shè)計(jì)為四級(jí)，第一級(jí)為全廠關(guān)斷并泄壓，第二級(jí)為全廠關(guān)斷，第三級(jí)為工藝系統(tǒng)關(guān)斷，第四級(jí)為工藝系統(tǒng)單元或單個(gè)設(shè)備關(guān)斷；關(guān)斷信號(hào)由ESD因果邏輯CAUSE & EFFECT（C&E）產(chǎn)生，并觸發(fā)相應(yīng)的緊急切斷閥(ESDV)、瀉壓閥(SBDV)完成工藝系統(tǒng)的關(guān)斷，或者觸發(fā)電機(jī)等動(dòng)設(shè)備完成停車；關(guān)斷源可為現(xiàn)場(chǎng)過程信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)火氣信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)觸發(fā)開關(guān)、控制室手動(dòng)觸發(fā)開關(guān)、操作員命令或邏輯連鎖等；在PCS中，對(duì)不同類型的關(guān)斷信號(hào)設(shè)開車旁路、維護(hù)旁路、和ESD信號(hào)禁止等邏輯；所有的關(guān)斷閥和動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)在PCS操作站上顯示。ESD邏輯（C&E）采用功能塊圖（FBD）的模式編輯，經(jīng)過編譯后下載至控制器運(yùn)行。 電機(jī)和緊急關(guān)斷閥的控制邏輯分別如下圖所示: 　?、?如下圖所示，電機(jī)的控制方案為：在ESD中，由因果邏輯（C&E）產(chǎn)生電機(jī)的緊急關(guān)斷信號(hào)，在PCS中，通過DMC模塊產(chǎn)生電機(jī)的手/自動(dòng)狀態(tài)選擇、切換；反饋指示；電機(jī)狀態(tài)指示；手動(dòng)啟/停；遠(yuǎn)程/就地選擇；手動(dòng)旁路等信號(hào)，PCS信號(hào)通過MODBUS與ESD數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接，并與ESD關(guān)斷信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，共同完成對(duì)電機(jī)的控制，同時(shí)在PCS操作站上，通過調(diào)用DMC模塊的面板，組態(tài)電機(jī)的操作界面。 　?、?如下圖所示，緊急關(guān)斷閥的控制方案為：在ESD中，由因果邏輯（C&E）產(chǎn)生閥的緊急關(guān)斷信號(hào)，在PCS中，通過DVC模塊產(chǎn)生閥的手/自動(dòng)狀態(tài)選擇；反饋指示；閥狀態(tài)指示；手動(dòng)開/關(guān)；ESD信號(hào)旁路；ESD信號(hào)復(fù)位；ESD信號(hào)組復(fù)位等信號(hào)，這些信號(hào)通過MODBUS與ESD數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接，并與ESD關(guān)斷信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，共同完成對(duì)緊急關(guān)斷閥的控制，同時(shí)在PCS操作站上，通過調(diào)用DVC模塊的面板，組態(tài)閥的操作界面。 　　根據(jù)控制邏輯，下圖所示的是一個(gè)常開型ESD閥的典型回路圖，在具體組態(tài)中，根據(jù)工藝控制的需要，會(huì)有幾十種不同的典型回路圖。 　　 　　F&G系統(tǒng)完成油氣區(qū)的可燃?xì)怏w、毒性氣體（H2S）的檢測(cè)和消防。消防系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)安裝的火焰探頭、毒氣（H2S）探頭、可燃?xì)怏w探頭、煙霧探頭；手動(dòng)報(bào)警站、聲/光報(bào)警器；水噴淋，泡沫噴淋和CO2噴射裝置；就地單元控制器（小型PLC系統(tǒng)）及控制系統(tǒng)構(gòu)成。F&G系統(tǒng)的基本邏輯為：根據(jù)探頭的監(jiān)測(cè)信號(hào)，完成火災(zāi)或毒氣泄漏邏輯判斷并報(bào)警，根據(jù)火警發(fā)生的位置，啟動(dòng)相應(yīng)的消防設(shè)施，在工藝區(qū)啟動(dòng)水噴淋系統(tǒng)，在儲(chǔ)罐區(qū)啟動(dòng)水噴淋和泡沫噴淋，在變電站及室內(nèi)無(wú)人職守區(qū)，啟動(dòng)CO2噴射裝置。消防水系統(tǒng)的壓力維持在8公斤，設(shè)充壓泵自動(dòng)維持壓力，消防泵為電動(dòng)/柴油雙驅(qū)動(dòng)，CO2氣瓶設(shè)泄漏自檢設(shè)施（為重力平衡機(jī)構(gòu)）。F&G系統(tǒng)的模擬信號(hào)具有線路診測(cè)功能，開關(guān)信號(hào)采用常閉信號(hào)，設(shè)開路報(bào)警并加線路檢測(cè)報(bào)警，確保系統(tǒng)的可靠性。 　　PCS系統(tǒng)完成對(duì)工藝過程的監(jiān)測(cè)和控制，工藝過程的主要參數(shù)為溫度、壓力、流量、液位、界面、密度、含水、轉(zhuǎn)速、震動(dòng)等的監(jiān)測(cè)控制和報(bào)警，常用的控制為PID控制，包括分程和串級(jí)等。PCS系統(tǒng)的核心是RS3控制系統(tǒng)，它是Rosemount 公司在70年代中期推出的DCS系統(tǒng)，經(jīng)過多次的升級(jí)和改進(jìn)，具有很好的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，功能完善，使用靈活等特點(diǎn)。RS3提供標(biāo)準(zhǔn)的PID模塊，可方便的組態(tài)PID控制功能，同時(shí)RS3系統(tǒng)的CB（Control Block）模塊提供方便連接功能，可以將各種基本的功能塊組合成復(fù)雜的控制方案。為保證過程控制的無(wú)擾動(dòng)切換,對(duì)單回路，由自動(dòng)狀態(tài)切換至手動(dòng)狀態(tài)時(shí)設(shè)定值（SP）值跟蹤過程值（PV）值；對(duì)串級(jí)回路，主回路鎖定在自動(dòng)模式，如果副回路不在遠(yuǎn)程模式（remote），則主回路的輸出跟蹤副回路的設(shè)定值，如果副回路在手動(dòng)模式，則副回路的設(shè)定值跟蹤過程值（PV）值。 　　下圖所示為兩列同軸的兩級(jí)壓縮機(jī)的級(jí)聯(lián)、負(fù)荷分配及進(jìn)出口壓力控制方案，兩列壓縮機(jī)可同時(shí)工作，也可單列工作，前后兩級(jí)的入口壓力變化與出口壓力變化的比較結(jié)果控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證壓縮機(jī)的負(fù)荷平衡和平穩(wěn)運(yùn)行。 如圖： ① 低壓（一級(jí)）入口的壓力由分程控制PIC-5131控制，其設(shè)定值由操作員設(shè)定。 ② PIC-5131的輸出同為FIC-5134和FIC-5135的遠(yuǎn)方設(shè)定值。如果一列壓縮機(jī)不運(yùn)行，則該列信號(hào)不影響壓力控制，壓力控制由運(yùn)行列完成。 ③ PIC-5131的參數(shù)應(yīng)當(dāng)在兩列同時(shí)運(yùn)行時(shí)整定，當(dāng)為一列運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的控制響應(yīng)將會(huì)較兩列同時(shí)運(yùn)行為慢，可確保控制效果的穩(wěn)定。 ④ 高壓（二級(jí)）入口的壓力由分程控制PIC-5252控制，其設(shè)定值由操作員設(shè)定。 ⑤ PIC-5252的輸出同為FIC-5255和FIC-5256的遠(yuǎn)方設(shè)定值。如果一列壓縮機(jī)不運(yùn)行，則該列信號(hào)不影響壓力控制，壓力控制由運(yùn)行列完成。 ⑥ PIC-5252的參數(shù)應(yīng)當(dāng)在兩列同時(shí)運(yùn)行時(shí)整定，當(dāng)為一列運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的控制響應(yīng)將會(huì)較兩列同時(shí)運(yùn)行為慢，可確保控制效果的穩(wěn)定。 ⑦ 高壓出口的壓力由兩個(gè)控制器控制：PIC-5612，其設(shè)定值為低值，和PIC-5612A，其設(shè)定值為高值。（PIC-5622,PIC-5622A控制第二列） ⑧ K-1502速度控制單元的設(shè)定值由PY-5612A給定。（PY-5622A控制第二列 K－2502） ⑨ PY-5612A(PY-5622A)輸出為PIC-5612A（PIC-5622A）和FY-5612（FY-5622）的低選信號(hào)。(PY-5622A、PIC-5622A和FY-5622控制第二列) ⑩ FY-5612（FY-5622）輸出為FIC-5134(FIC-5135)和PIC-5255(PIC-5256)的高選信號(hào)。（FY-5622、FIC-5135和PIC-5256控制第二列） 　　組態(tài)時(shí)根據(jù)控制邏輯功能圖組態(tài)各個(gè)功能塊，然后再確定信號(hào)的連接和跟蹤關(guān)系即可。用RS3的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，可以完成大部分的工藝控制方案的組態(tài)，同時(shí)RS3還提供復(fù)雜的順序控制功能和高精度浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算功能，支持復(fù)雜的順控邏輯和復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算。該站主要的過程控制策略有PID控制，比率控制，選擇控制，凝析油分子篩脫水單元順序控制，泵選邏輯，壓縮機(jī)加、減載控制，壓縮機(jī)啟停順序控制，壓縮機(jī)防喘振控制等；主要的流量計(jì)算有氣體在線補(bǔ)償AGA8算法計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)算，Annubar流量計(jì)流量計(jì)算，噴嘴流量計(jì)流量計(jì)算，凈油流量計(jì)算，流量的累計(jì)和換算等；另外還有一些針對(duì)大型撬裝設(shè)備，如制冷機(jī)、加熱爐、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、藝二醇接觸撬等的特殊控制方案，限于篇幅，在此不做詳細(xì)介紹。 五、結(jié)束語(yǔ) 　　該系統(tǒng)于2000年底投運(yùn)，一次投產(chǎn)成功，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，全站僅需操作人員5名，體現(xiàn)了目前世界上大型油、氣處理站的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)管理水平。自控系統(tǒng)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其高穩(wěn)定性，高安全性設(shè)計(jì)，和為工藝生產(chǎn)提供完善解決方案的設(shè)計(jì)理念，對(duì)我國(guó)的油氣生產(chǎn)和油氣田自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程建設(shè)，具有很好的借鑒和指導(dǎo)作用。 作者信息 　　任文忠，男，1993年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）自動(dòng)化系應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)，畢業(yè)以來(lái)一直從事油、氣田自<