集散控制系统在大型油气处理站的应用

一、项目简介 　　科威特西部油田GC27、GC28集油站和传输管线生产设施扩建项目，是中国石油工程建设公司通过投标的方式，在国外承包的最大的EPC总包合同，合同金额近四亿美元。GC28站设计规模为原油 1270×104 m3/a (220MB/D)，天然气 487×104 m3/a （170MMSCFD），工艺流程为凝析油采用分子筛脱水和凝析油脱色工艺；原油采用中质油和轻质油分别处理而且压力等级不同的两套流程；气体处理采用三级压缩，两套装置并联运行；采用了有烟火炬、无烟火炬、泄压液体自动燃烧等新工艺，新设备。油系统的操作范围为25%－110%、气系统为10％－115％。 油气处理质量指标要求高：净化原油含水量小于0.1%，含盐量小于14毫克/升； 凝析油含水量小于50ppm，色度达到+20赛波特。该站生产过程全部实现自动化控制，自动化控制设备由就地控制盘（Local Control Panel）、远程控制盘(Remote Control Panel)、和DCS控制系统三部分构成，每一部分均可独立完成控制功能，灵活方便，可靠性高。 二、系统简介 　　其控制系统采用的是Fisher－Rosemount的RS3系统构成的过程控制系统PCS（Process Control System）和由TRICONIX PLC 构成的安保系统SSS（Safety & Shutdown System）,它又包括ESD (Emergency Shut Down) 和 F&G (Fire & Gas)两部分，另外，大型压缩机等设备都采用PLC独立控制，并以冗余RS232/422方式与PCS系统链接。该系统主要有以下特点：一是规模大，GC28站的I/O点为11673点；二是控制方案及控制算法复杂，控制策略与工艺过程紧密结合，自动化程度高；三是火气检测系统和紧急关断系统采用了可靠的三冗余控制系统，严格按照四级关断逻辑设计，安全等级高；四是火气系统、 紧急关断系统、压缩机控制系统以冗余MODBUS通讯与过程控制系统有机的结合为一体，并采用一体化的组态编程方法，在操作站上为统一的操作平台；五是系统的供电、总线、通讯、控制器、及I/O全冗余，可靠性高。该系统于2000年底投运。 三、系统硬件 　　PCS系统由RS3系统的冗余高速数据总线及其上的各种功能节点构成，它包括:4个操作员站和1个工程师站（按用途划分）及相应的外设，11个控制器站，每个站由通讯组件、缓冲器组件、协处理器组件、存贮器组件及4组1：1冗余控制器构成，控制器下接冗余I/O。SSS系统包括ESD系统和F&G系统两部分，由两套独立的TRICONEX PLC及其上位工程师站构成，为总线、控制器三冗余，I/O四冗余结构，两套系统分别以冗余MODBUS接口与RS3系统的PLC接口连接，同时两套系统之间以冗余RS232进行数据交换。两套大型的压缩机组分别采用ABB的Freelance 2000和AB PLC 5/04 控制，通过冗余的MODBUS接口与PCS 系统连接。 四、逻辑、算法和程序 　　ESD系统完成各工艺系统间及同一工艺系统的各级之间的的关断、隔离和动设备的停车控制，ESD关断逻辑设计为四级，第一级为全厂关断并泄压，第二级为全厂关断，第三级为工艺系统关断，第四级为工艺系统单元或单个设备关断；关断信号由ESD因果逻辑CAUSE & EFFECT（C&E）产生，并触发相应的紧急切断阀(ESDV)、泻压阀(SBDV)完成工艺系统的关断，或者触发电机等动设备完成停车；关断源可为现场过程信号、现场火气信号、现场手动触发开关、控制室手动触发开关、操作员命令或逻辑连锁等；在PCS中，对不同类型的关断信号设开车旁路、维护旁路、和ESD信号禁止等逻辑；所有的关断阀和动设备的状态在PCS操作站上显示。ESD逻辑（C&E）采用功能块图（FBD）的模式编辑，经过编译后下载至控制器运行。 电机和紧急关断阀的控制逻辑分别如下图所示: 　　① 如下图所示，电机的控制方案为：在ESD中，由因果逻辑（C&E）产生电机的紧急关断信号，在PCS中，通过DMC模块产生电机的手/自动状态选择、切换；反馈指示；电机状态指示；手动启/停；远程/就地选择；手动旁路等信号，PCS信号通过MODBUS与ESD数据进行链接，并与ESD关断信号经过相应的逻辑运算，共同完成对电机的控制，同时在PCS操作站上，通过调用DMC模块的面板，组态电机的操作界面。 　　② 如下图所示，紧急关断阀的控制方案为：在ESD中，由因果逻辑（C&E）产生阀的紧急关断信号，在PCS中，通过DVC模块产生阀的手/自动状态选择；反馈指示；阀状态指示；手动开/关；ESD信号旁路；ESD信号复位；ESD信号组复位等信号，这些信号通过MODBUS与ESD数据进行链接，并与ESD关断信号经过相应的逻辑运算，共同完成对紧急关断阀的控制，同时在PCS操作站上，通过调用DVC模块的面板，组态阀的操作界面。 　　根据控制逻辑，下图所示的是一个常开型ESD阀的典型回路图，在具体组态中，根据工艺控制的需要，会有几十种不同的典型回路图。 　　 　　F&G系统完成油气区的可燃气体、毒性气体（H2S）的检测和消防。消防系统由现场安装的火焰探头、毒气（H2S）探头、可燃气体探头、烟雾探头；手动报警站、声/光报警器；水喷淋，泡沫喷淋和CO2喷射装置；就地单元控制器（小型PLC系统）及控制系统构成。F&G系统的基本逻辑为：根据探头的监测信号，完成火灾或毒气泄漏逻辑判断并报警，根据火警发生的位置，启动相应的消防设施，在工艺区启动水喷淋系统，在储罐区启动水喷淋和泡沫喷淋，在变电站及室内无人职守区，启动CO2喷射装置。消防水系统的压力维持在8公斤，设充压泵自动维持压力，消防泵为电动/柴油双驱动，CO2气瓶设泄漏自检设施（为重力平衡机构）。F&G系统的模拟信号具有线路诊测功能，开关信号采用常闭信号，设开路报警并加线路检测报警，确保系统的可靠性。 　　PCS系统完成对工艺过程的监测和控制，工艺过程的主要参数为温度、压力、流量、液位、界面、密度、含水、转速、震动等的监测控制和报警，常用的控制为PID控制，包括分程和串级等。PCS系统的核心是RS3控制系统，它是Rosemount 公司在70年代中期推出的DCS系统，经过多次的升级和改进，具有很好的稳定性和扩展性，功能完善，使用灵活等特点。RS3提供标准的PID模块，可方便的组态PID控制功能，同时RS3系统的CB（Control Block）模块提供方便连接功能，可以将各种基本的功能块组合成复杂的控制方案。为保证过程控制的无扰动切换,对单回路，由自动状态切换至手动状态时设定值（SP）值跟踪过程值（PV）值；对串级回路，主回路锁定在自动模式，如果副回路不在远程模式（remote），则主回路的输出跟踪副回路的设定值，如果副回路在手动模式，则副回路的设定值跟踪过程值（PV）值。 　　下图所示为两列同轴的两级压缩机的级联、负荷分配及进出口压力控制方案，两列压缩机可同时工作，也可单列工作，前后两级的入口压力变化与出口压力变化的比较结果控制压缩机的转速，保证压缩机的负荷平衡和平稳运行。 如图： ① 低压（一级）入口的压力由分程控制PIC-5131控制，其设定值由操作员设定。 ② PIC-5131的输出同为FIC-5134和FIC-5135的远方设定值。如果一列压缩机不运行，则该列信号不影响压力控制，压力控制由运行列完成。 ③ PIC-5131的参数应当在两列同时运行时整定，当为一列运行时，相应的控制响应将会较两列同时运行为慢，可确保控制效果的稳定。 ④ 高压（二级）入口的压力由分程控制PIC-5252控制，其设定值由操作员设定。 ⑤ PIC-5252的输出同为FIC-5255和FIC-5256的远方设定值。如果一列压缩机不运行，则该列信号不影响压力控制，压力控制由运行列完成。 ⑥ PIC-5252的参数应当在两列同时运行时整定，当为一列运行时，相应的控制响应将会较两列同时运行为慢，可确保控制效果的稳定。 ⑦ 高压出口的压力由两个控制器控制：PIC-5612，其设定值为低值，和PIC-5612A，其设定值为高值。（PIC-5622,PIC-5622A控制第二列） ⑧ K-1502速度控制单元的设定值由PY-5612A给定。（PY-5622A控制第二列 K－2502） ⑨ PY-5612A(PY-5622A)输出为PIC-5612A（PIC-5622A）和FY-5612（FY-5622）的低选信号。(PY-5622A、PIC-5622A和FY-5622控制第二列) ⑩ FY-5612（FY-5622）输出为FIC-5134(FIC-5135)和PIC-5255(PIC-5256)的高选信号。（FY-5622、FIC-5135和PIC-5256控制第二列） 　　组态时根据控制逻辑功能图组态各个功能块，然后再确定信号的连接和跟踪关系即可。用RS3的标准功能块，可以完成大部分的工艺控制方案的组态，同时RS3还提供复杂的顺序控制功能和高精度浮点数的运算功能，支持复杂的顺控逻辑和复杂的数据计算。该站主要的过程控制策略有PID控制，比率控制，选择控制，凝析油分子筛脱水单元顺序控制，泵选逻辑，压缩机加、减载控制，压缩机启停顺序控制，压缩机防喘振控制等；主要的流量计算有气体在线补偿AGA8算法计算，标准/非标准孔板流量计算，Annubar流量计流量计算，喷嘴流量计流量计算，净油流量计算，流量的累计和换算等；另外还有一些针对大型撬装设备，如制冷机、加热炉、应急发电机、艺二醇接触撬等的特殊控制方案，限于篇幅，在此不做详细介绍。 五、结束语 　　该系统于2000年底投运，一次投产成功，达到设计指标，全站仅需操作人员5名，体现了目前世界上大型油、气处理站的自动化水平和生产管理水平。自控系统完全达到设计要求，其高稳定性，高安全性设计，和为工艺生产提供完善解决方案的设计理念，对我国的油气生产和油气田自动化系统的设计和工程建设，具有很好的借鉴和指导作用。 作者信息 　　任文忠，男，1993年毕业于石油大学（华东）自动化系应用电子技术专业，毕业以来一直从事油、气田自<