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案例頻道大竹天然氣凈化廠位于大竹縣石河鎮(zhèn)劉家場(chǎng)村9組，占地面積為111.947畝。設(shè)計(jì)日處理原料天然氣200萬立方米，原料氣硫化氫含量適應(yīng)范圍11-24克/立方米。設(shè)有過濾分離裝置、脫硫裝置、脫水裝置、硫磺回收裝置各1套，硫磺成型裝置2列，并設(shè)有配套高低壓放空系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、污水處理裝置等輔助生產(chǎn)設(shè)施。工藝設(shè)計(jì)先進(jìn)、可靠、配套齊全，采用甲基二乙醇胺（MDEA）法脫硫，三甘醇（TEG）法脫水，硫磺回收引進(jìn)美國低溫克勞斯冷床吸附（CBA）專利技術(shù)，硫回收率大于99.2%。全廠設(shè)計(jì)工業(yè)控制：DCS系統(tǒng)大致500點(diǎn)，ESD系統(tǒng)：175點(diǎn)。
2. 工藝流程：
2．1、原料氣過濾分離單元
本單元采用重力分離和過濾分離作用分離出原料氣中夾帶的凝析油、游離水和固體雜質(zhì)。
工藝流程簡(jiǎn)圖（2-1）
圖2-1
2. 2、脫硫單元
脫硫裝置采用化學(xué)吸收法，利用甲基二乙醇胺(MDEA)溶液脫除天然氣中的硫化氫，采用濃度為 45%(w)的MDEA水溶液在吸收塔內(nèi)通過氣液逆流接觸進(jìn)行脫硫，在4.6～5.4MPa、40℃下，將天然氣中的酸性組份吸收，然后在0.08MPa、104.9℃下，將吸收的組份解吸出來。
工藝流程簡(jiǎn)圖（2-2）
圖2-2
2. 3、脫水單元
天然氣脫水是一個(gè)物理過程。本單元是用三甘醇進(jìn)行吸濕性液體脫水,將天然氣中的水份吸收進(jìn)入三甘醇溶液中。吸收了水份的三甘醇富液，在常壓高溫情況下將水份蒸發(fā)出去。用加熱再生的方法，再加上干氣汽提，可得到濃度約為99.7%的三甘醇溶液。
工藝流程簡(jiǎn)圖（2-3）
圖2-3
2. 4、硫磺回收單元
裝置采用美國BV公司許可的四級(jí)轉(zhuǎn)化冷床吸附（Cold Bed Adsorption，簡(jiǎn)稱CBA）工藝，考慮調(diào)節(jié)切換影響，設(shè)計(jì)硫回收率為99.0～99.2%。硫磺產(chǎn)量為45.4t/d。
工藝流程簡(jiǎn)圖（2-4）
圖2-4
2．5、 輔助裝置，包括鍋爐系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)、制氮裝置、主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等成套設(shè)備。
3. EPKS系統(tǒng)硬件配置：
采用集散型控制系統(tǒng)（DCS）對(duì)全廠工藝裝置、輔助生產(chǎn)裝置及重要的公用設(shè)施進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理。
3．1 EPKS系統(tǒng)的核心部件是混合控制器(簡(jiǎn)稱C300)，此次采用最新的，在國內(nèi)首次應(yīng)用到石油天然氣行業(yè)，該系統(tǒng)控制器配置為冗余，所有的RAM內(nèi)存具有ECC（Error Correction Checking）功能，F(xiàn)lash內(nèi)存經(jīng)過校驗(yàn)和（check-summed）,帶有啟動(dòng)診斷與運(yùn)行診斷程序，平均無故障時(shí)間（MTTF）大大提高，冗余的C300可用性>99.999%。C300由控制器模件、對(duì)應(yīng)的輸入輸出安裝接線組件（IOTA）、控制執(zhí)行環(huán)境CEE和機(jī)柜內(nèi)電源構(gòu)成。
3．2 C系列控制防火墻模件，是專用的FTE（Fault Tolerant Ethernet）,C300控制器通過它與通用的FTE交換機(jī)并與FTE網(wǎng)絡(luò)和Experion服務(wù)器相連，它只允許C300控制器的信息和一些與FTE有關(guān)的信息通過，在該項(xiàng)目中也采用冗余配置。
3．3 FTE（Fault Tolerant Ethernet）容錯(cuò)以太網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)TE不僅提供網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)功能，而且滿足工業(yè)控制應(yīng)用的性能和安全要求。PKS 和ESD系統(tǒng)共享同一冗余網(wǎng)絡(luò)，容錯(cuò)以太網(wǎng)（FTE），構(gòu)成一個(gè)面向全廠的完整的控制系統(tǒng)。
3．4 C系列I/O卡件，特點(diǎn)是垂直安裝，占據(jù)空間較少；18度傾斜有利于機(jī)柜內(nèi)熱量的均勻散發(fā)；支持熱拔插；與現(xiàn)場(chǎng)一體化供電；
在該項(xiàng)目采用的I/O卡件：（DCS，全部支持HART協(xié)議）
表3-1
3．5、Experion PKS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：（-1）
圖3-1
3．6、系統(tǒng)組態(tài)：
石河凈化廠主要的工藝流程的復(fù)雜控制、輯控制回路如下表：（3-2）
表3-2
3．6．1、控制策略組態(tài)（CM）：
控制策略組態(tài)組態(tài)軟件-Control Builder，根據(jù)設(shè)計(jì)給出的I/O清單，確定硬件配置，所有的I/O卡件位置，分配好所有的I/O點(diǎn)通道，從機(jī)箱-卡件-通道，以便隨時(shí)查到相關(guān)信息；進(jìn)入Control Builder程序，建立新的控制器，I/O卡件 ，然后將所有卡件分配到控制器中；然后將I/O通道塊分配定位到I/O卡上；下裝控制器，I/O卡，CM 。以下就Honeywell PKS在CBA切換順序控制程序中詳細(xì)的組態(tài)：
CBA工藝簡(jiǎn)圖：（3-3）/（3-4）/（3-5）/（3-6）
1、克牢斯→ NO：1CBA → NO：2CBA → NO：3CBA → 灼燒爐
圖3-2
2、克牢斯→ NO：2CBA → NO：3CBA → NO：1CBA → 灼燒爐
圖3-3
3、克牢斯→ NO：3CBA → NO：1CBA → NO：2CBA → 灼燒爐
圖3-4
3個(gè)CBA反應(yīng)器以吸附模式進(jìn)行操作越快，裝置的硫磺回收率就越高。這可以通過縮短再生時(shí)間和冷卻時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制7個(gè)切換閥，根據(jù)時(shí)間進(jìn)行閥門的依此切換，程序一共有4個(gè)時(shí)間段，時(shí)間可以根據(jù)需求修改，啟動(dòng)時(shí)可以從任意時(shí)間、任意CBA反映爐開始， 也可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況判斷，人為手動(dòng)執(zhí)行下一步工序，CM是針對(duì)此類模擬數(shù)字混合順控應(yīng)用設(shè)計(jì)，它的規(guī)則是：1從初始步開始 。2程序由步進(jìn)入條件，執(zhí)行步交替向下走，執(zhí)行的指令采用公式形式，可以給變量賦值，改變功能塊操作方式等 。3 可以有分支。 4程序最后狀態(tài)是： 循環(huán)執(zhí)行。 5有異常處理能力，規(guī)定的異常條件發(fā)生時(shí)，程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個(gè)順序序列。
切換閥有兩通和三通兩種型號(hào)，帶有兩個(gè)閥門模擬（4～20mA）反饋信號(hào)，對(duì)于兩通閥門表示全開（＞95%）、全關(guān)（＜5%），而對(duì)于三通閥門AB→A（＞95%）,
AB→B（＜5%），一個(gè)輸出控制信號(hào)，根據(jù)反饋，閥門可能有四種狀態(tài)：全開，全關(guān)，運(yùn)行中，故障，當(dāng)閥門開的輸出信號(hào)發(fā)出后，經(jīng)過時(shí)間T1，開反饋信號(hào)沒來，或者當(dāng)閥門關(guān)的輸出信號(hào)發(fā)出后，經(jīng)過時(shí)間T，關(guān)反饋信號(hào)沒來 需要報(bào)警；自動(dòng)方式時(shí)由CBA切換順序控制程序驅(qū)動(dòng)，發(fā)生報(bào)警時(shí)，停止順控程序,在PKS系統(tǒng)中，有一個(gè)DEVCTL（設(shè)備控制）功能塊，專門針對(duì)此類應(yīng)用，相當(dāng)方便。如圖，只需將具體參數(shù)輸入即可。
圖3-5
下圖為CBA切換順序控制程序CM組態(tài)：
圖3-6
特殊的控制回路處理：PKS提供一個(gè)Honeywell專利的Profit Loop控制算法，它是單輸入，單輸出（SISO）模型預(yù)估調(diào)節(jié)器，是一個(gè)基于模型的調(diào)節(jié)器、Smith預(yù)估器、Gap控制器和優(yōu)化器。可取代控制中的每一個(gè) PID，減少閥門磨損和延長閥門壽命，特別是Profit Loop的范圍控制算法（RAC），在解決大滯后控制上有著優(yōu)異的表現(xiàn)，為實(shí)施離散或異步控制輸入的調(diào)節(jié)器提供了一個(gè)理想的框架。由于只有一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，降低控制人員的操作難度。 該項(xiàng)目在MEDA吸收塔的液位控制回路中應(yīng)用了Profit Loop，效果良好。
3．6．2、監(jiān)控組態(tài)（HMI）：
HMIWEB Display Builder程序是圖形組態(tài)工具，繪制流程畫面，流程畫面采用HTML格式，支持VB腳本，ACTIVE X組件,支持彈出式畫面，界面統(tǒng)一采用1024×768的分辨率。下圖為CBA切換順序控制程序畫面和標(biāo)準(zhǔn)的操作控制畫面：
圖3-7
圖3-8
圖3-9
系統(tǒng)提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)顯示畫面，除了需要繪制用戶流程畫面外，像控制分組，報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)等其他功能顯示界面，無需再進(jìn)行圖形繪制，系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)化的，只需將參數(shù)填入即可。 這對(duì)于界面統(tǒng)一，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少組態(tài)工作量，加快工程速度很有意義。
其它流程畫面有控制分組畫面：
圖3-10
歷史數(shù)據(jù)畫面：
圖3-11
可通過操作員站（Station）環(huán)境或IE瀏覽器來顯示和操控過程顯示畫面。系統(tǒng)還提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)顯示畫面：菜單/導(dǎo)航，報(bào)警匯，,事件匯，,趨勢(shì)，操作組，點(diǎn)細(xì)目，系統(tǒng)狀態(tài)，組態(tài)，回路調(diào)節(jié)，彈出控制面板，診斷和維護(hù)，匯總等。
4. 緊急停車聯(lián)鎖ESD(Emergency Shut Down)棗S M （Safety Manager）系統(tǒng) 。
在安全設(shè)計(jì)方面，石河項(xiàng)目的ESD系統(tǒng)必須達(dá)到IEC（國際電工組織）提出的SIL2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用Honeywell緊急停車聯(lián)鎖ESD(Emergency Shut Down)棗S M （Safety Manager）系統(tǒng)，與DCS系統(tǒng)棗Honeywell PKS 組成最佳無縫結(jié)合，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖如DCS網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主要硬件（如圖4-1）：控制器（QPP）、通訊卡件（USI）、電源卡件（PSU）設(shè)計(jì)為雙重化。
圖4-1
系統(tǒng)中的一臺(tái)PC機(jī)，既擔(dān)任工程師站、又擔(dān)任SOE站，工程師站和SOE站由Honeywell公司提供的FSC Navigator 和FSC SOE軟件完成組態(tài)、維護(hù)，ESD系統(tǒng)與Honeywell PKS 系統(tǒng)之間采用自適應(yīng)10M/100M Ethernet通訊，在DCS中實(shí)時(shí)記錄歷史。FSC SOE完成系統(tǒng)的事件順序記錄功能，I/O卡件通過HBUS和VBUS給中央控制單元提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制單元檢查所有指定變量的狀態(tài)改變。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，控制器將變量的當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間協(xié)簽存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)，以便組態(tài)提取事件順序。SOE的識(shí)別時(shí)間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲(chǔ)高達(dá)20萬條，可實(shí)時(shí)存貯在硬盤中，并可通過打印機(jī)打印出來。
4．1、石河ESD聯(lián)鎖輸入／輸出點(diǎn)的分配如下表：
表4-1
4．2、邏輯控制功能組態(tài)：
依據(jù)因果關(guān)系表、ESD點(diǎn)火邏輯原理圖、在SM Application Editor中對(duì)故障安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序通過功能邏輯圖來實(shí)現(xiàn)，功能邏輯圖簡(jiǎn)稱FLD，系統(tǒng)提供大量的邏輯、算術(shù)、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、PID等運(yùn)算模塊，用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選擇相應(yīng)的I/O符號(hào)，直接使用與、或、非的邏輯圖的方式實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯功能，此外，用戶還可以用系統(tǒng)自帶的Function Block模塊定義需要的功能塊，以子程序形式在其他程序中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的邏輯控制。點(diǎn)火邏輯系統(tǒng)中定義了RS觸發(fā)器、溫壓補(bǔ)償、延時(shí)計(jì)數(shù)器、三取二、比較、計(jì)算、等邏輯功能塊，多次應(yīng)用其它的子邏輯程序中。
下圖為點(diǎn)火邏輯的FLD：
圖4-2
ESD點(diǎn)火邏輯原理圖：
圖4-3
因果關(guān)系表：
圖4-4
S M （Safety Manager）分為Configuration 離線組態(tài)和On桳ine在線監(jiān)測(cè)，在Configuration中組完態(tài)，Application Compiler無誤下裝后，可以在On桳ine 中Application Viewer在線監(jiān)測(cè)邏輯功能的實(shí)現(xiàn)與否，如有邏輯修改則回到Configuration更改，再進(jìn)行下裝程序。
下圖為石河主燃燒爐點(diǎn)火邏輯在DCS HMI中的操作、監(jiān)測(cè)、控制：
主燃燒爐監(jiān)控流程圖：
圖4-5
主燃燒爐點(diǎn)火邏輯監(jiān)控流程圖：
圖4-6
5. SCADA系統(tǒng)：Honeywell PKS系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通信系統(tǒng)
石河凈化廠有許多成套廠家設(shè)備與Honeywell PKS系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊：Honeywell 公司統(tǒng)稱為第三方系統(tǒng)，也就是SCADA系統(tǒng)。
5．1、石河凈化廠第三方設(shè)備IO清單如下表：
MODBUS RTU通信協(xié)議，
表5-1
第三方設(shè)備通過MOXA Terminal Server NPort 5650-16 與Honeywell PKS系統(tǒng)之間通訊，通訊協(xié)議為：MODBUS RTU RS桼485，通過FTE網(wǎng)絡(luò)、CISCO交換機(jī)與PKS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與交換，詳見圖：3-1。
5．2、SCADA系統(tǒng)組態(tài)：
第三方設(shè)備組態(tài)工具—數(shù)據(jù)庫管理工具Quick Builder，Quick Builder提供窗口式的界面進(jìn)行操作，允許用戶定義點(diǎn)及組態(tài)，定義數(shù)據(jù)通道、控制器、操作站(Station)、服務(wù)器(Server)和打印機(jī)等。另外，通過Quick Builder可以在線對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改。
下圖為Quick Builder組態(tài)截面圖：
圖5-1
6. RTU系統(tǒng)：
石河凈化廠新鮮水系統(tǒng)包括取水泵房和水處理系統(tǒng)，其中取水泵房位于距廠區(qū)直線距離11km的烏木水庫，由于距離遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)采用RTU方式通過光纖和GPRS集中由DCS系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守。取水泵房的本地控制由BB公司的遠(yuǎn)程RTU完成。網(wǎng)絡(luò)詳見圖：3-1。
光纖和GPRS互為冗余方式，在中控室通過CISCO路由器、FTE網(wǎng)絡(luò)，采用MODBUS TCP協(xié)議，由Honeywell PKS的 OPC Integrator實(shí)現(xiàn)取水泵房本地控制與中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控。
RTU系統(tǒng)的組態(tài)也采用Quick Builder，下圖為Quick Builder組態(tài)截面圖：
圖6-1
OPC組態(tài)圖
7、總結(jié)：
EPKS系統(tǒng)自2008年3月份系統(tǒng)上電后，先后經(jīng)歷了系統(tǒng)斷電、頻繁開停車、工作環(huán)境惡劣等因素的影響。4月底凈化廠正式投產(chǎn)以來，系統(tǒng)在近4個(gè)多月的運(yùn)行中工作一直穩(wěn)定，經(jīng)受住了考驗(yàn)，確保了天然氣凈化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。完全能夠滿足對(duì)天然氣凈化裝置生產(chǎn)監(jiān)視和控制的需要。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)