集散控制系統(tǒng)在大型油氣處理站的應(yīng)用
2004/11/30 18:48:00
一、項目簡介 科威特西部油田GC27、GC28集油站和傳輸管線生產(chǎn)設(shè)施擴建項目,是中國石油工程建設(shè)公司通過投標的方式,在國外承包的最大的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不同的兩套流程;氣體處理采用三級壓縮,兩套裝置并聯(lián)運行;采用了有煙火炬、無煙火炬、泄壓液體自動燃燒等新工藝,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,色度達到+20賽波特。該站生產(chǎn)過程全部實現(xiàn)自動化控制,自動化控制設(shè)備由就地控制盤(Local Control Panel)、遠程控制盤(Remote Control Panel)、和DCS控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成,每一部分均可獨立完成控制功能,靈活方便,可靠性高。 二、系統(tǒng)簡介 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,大型壓縮機等設(shè)備都采用PLC獨立控制,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:一是規(guī)模大,GC28站的I/O點為11673點;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,自動化程度高;三是火氣檢測系統(tǒng)和緊急關(guān)斷系統(tǒng)采用了可靠的三冗余控制系統(tǒng),嚴格按照四級關(guān)斷邏輯設(shè)計,安全等級高;四是火氣系統(tǒng)、 緊急關(guān)斷系統(tǒng)、壓縮機控制系統(tǒng)以冗余MODBUS通訊與過程控制系統(tǒng)有機的結(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;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。 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)點構(gòu)成,它包括:4個操作員站和1個工程師站(按用途劃分)及相應(yīng)的外設(shè),11個控制器站,每個站由通訊組件、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,同時兩套系統(tǒng)之間以冗余RS232進行數(shù)據(jù)交換。兩套大型的壓縮機組分別采用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)的各級之間的的關(guān)斷、隔離和動設(shè)備的停車控制,ESD關(guān)斷邏輯設(shè)計為四級,第一級為全廠關(guān)斷并泄壓,第二級為全廠關(guān)斷,第三級為工藝系統(tǒng)關(guān)斷,第四級為工藝系統(tǒng)單元或單個設(shè)備關(guān)斷;關(guān)斷信號由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)電機等動設(shè)備完成停車;關(guān)斷源可為現(xiàn)場過程信號、現(xiàn)場火氣信號、現(xiàn)場手動觸發(fā)開關(guān)、控制室手動觸發(fā)開關(guān)、操作員命令或邏輯連鎖等;在PCS中,對不同類型的關(guān)斷信號設(shè)開車旁路、維護旁路、和ESD信號禁止等邏輯;所有的關(guān)斷閥和動設(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行。 電機和緊急關(guān)斷閥的控制邏輯分別如下圖所示: ?、?如下圖所示,電機的控制方案為:在ESD中,由因果邏輯(C&E)產(chǎn)生電機的緊急關(guān)斷信號,在PCS中,通過DMC模塊產(chǎn)生電機的手/自動狀態(tài)選擇、切換;反饋指示;電機狀態(tài)指示;手動啟/停;遠程/就地選擇;手動旁路等信號,PCS信號通過MODBUS與ESD數(shù)據(jù)進行鏈接,并與ESD關(guān)斷信號經(jīng)過相應(yīng)的邏輯運算,共同完成對電機的控制,同時在PCS操作站上,通過調(diào)用DMC模塊的面板,組態(tài)電機的操作界面。 ?、?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,在PCS中,通過DVC模塊產(chǎn)生閥的手/自動狀態(tài)選擇;反饋指示;閥狀態(tài)指示;手動開/關(guān);ESD信號旁路;ESD信號復(fù)位;ESD信號組復(fù)位等信號,這些信號通過MODBUS與ESD數(shù)據(jù)進行鏈接,并與ESD關(guān)斷信號經(jīng)過相應(yīng)的邏輯運算,共同完成對緊急關(guān)斷閥的控制,同時在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)的可燃氣體、毒性氣體(H2S)的檢測和消防。消防系統(tǒng)由現(xiàn)場安裝的火焰探頭、毒氣(H2S)探頭、可燃氣體探頭、煙霧探頭;手動報警站、聲/光報警器;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)測信號,完成火災(zāi)或毒氣泄漏邏輯判斷并報警,根據(jù)火警發(fā)生的位置,啟動相應(yīng)的消防設(shè)施,在工藝區(qū)啟動水噴淋系統(tǒng),在儲罐區(qū)啟動水噴淋和泡沫噴淋,在變電站及室內(nèi)無人職守區(qū),啟動CO2噴射裝置。消防水系統(tǒng)的壓力維持在8公斤,設(shè)充壓泵自動維持壓力,消防泵為電動/柴油雙驅(qū)動,CO2氣瓶設(shè)泄漏自檢設(shè)施(為重力平衡機構(gòu))。F&G系統(tǒng)的模擬信號具有線路診測功能,開關(guān)信號采用常閉信號,設(shè)開路報警并加線路檢測報警,確保系統(tǒng)的可靠性。 PCS系統(tǒng)完成對工藝過程的監(jiān)測和控制,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、震動等的監(jiān)測控制和報警,常用的控制為PID控制,包括分程和串級等。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)過多次的升級和改進,具有很好的穩(wěn)定性和擴展性,功能完善,使用靈活等特點。RS3提供標準的PID模塊,可方便的組態(tài)PID控制功能,同時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擾動切換,對單回路,由自動狀態(tài)切換至手動狀態(tài)時設(shè)定值(SP)值跟蹤過程值(PV)值;對串級回路,主回路鎖定在自動模式,如果副回路不在遠程模式(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壓縮機的級聯(lián)、負荷分配及進出口壓力控制方案,兩列壓縮機可同時工作,也可單列工作,前后兩級的入口壓力變化與出口壓力變化的比較結(jié)果控制壓縮機的轉(zhuǎn)速,保證壓縮機的負荷平衡和平穩(wěn)運行。 如圖: ① 低壓(一級)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的遠方設(shè)定值。如果一列壓縮機不運行,則該列信號不影響壓力控制,壓力控制由運行列完成。 ③ PIC-5131的參數(shù)應(yīng)當在兩列同時運行時整定,當為一列運行時,相應(yīng)的控制響應(yīng)將會較兩列同時運行為慢,可確保控制效果的穩(wěn)定。 ④ 高壓(二級)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的遠方設(shè)定值。如果一列壓縮機不運行,則該列信號不影響壓力控制,壓力控制由運行列完成。 ⑥ PIC-5252的參數(shù)應(yīng)當在兩列同時運行時整定,當為一列運行時,相應(yīng)的控制響應(yīng)將會較兩列同時運行為慢,可確??刂菩Ч姆€(wěn)定。 ⑦ 高壓出口的壓力由兩個控制器控制: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。(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。(FY-5622、FIC-5135和PIC-5256控制第二列) 組態(tài)時根據(jù)控制邏輯功能圖組態(tài)各個功能塊,然后再確定信號的連接和跟蹤關(guān)系即可。用RS3的標準功能塊,可以完成大部分的工藝控制方案的組態(tài),同時RS3還提供復(fù)雜的順序控制功能和高精度浮點數(shù)的運算功能,支持復(fù)雜的順控邏輯和復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算。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,壓縮機加、減載控制,壓縮機啟停順序控制,壓縮機防喘振控制等;主要的流量計算有氣體在線補償AGA8算法計算,標準/非標準孔板流量計算,Annubar流量計流量計算,噴嘴流量計流量計算,凈油流量計算,流量的累計和換算等;另外還有一些針對大型撬裝設(shè)備,如制冷機、加熱爐、應(yīng)急發(fā)電機、藝二醇接觸撬等的特殊控制方案,限于篇幅,在此不做詳細介紹。 五、結(jié)束語 該系統(tǒng)于2000年底投運,一次投產(chǎn)成功,達到設(shè)計指標,全站僅需操作人員5名,體現(xiàn)了目前世界上大型油、氣處理站的自動化水平和生產(chǎn)管理水平。自控系統(tǒng)完全達到設(shè)計要求,其高穩(wěn)定性,高安全性設(shè)計,和為工藝生產(chǎn)提供完善解決方案的設(shè)計理念,對我國的油氣生產(chǎn)和油氣田自動化系統(tǒng)的設(shè)計和工程建設(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)自動化系應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè),畢業(yè)以來一直從事油、氣田自<
提交
查看更多評論
其他資訊
基于Modbus的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
不要忽略PC總線技術(shù)的發(fā)展
基于PLC的電梯高精度位置控制的實現(xiàn)
藍牙工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用模型
一種基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解耦控制方法的研究 /