CS3000系統(tǒng)在酸性水汽提裝置中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：介紹了酸性水汽提裝置的主要工藝流程及橫河CS3000集散控制系統(tǒng)等。從工程設(shè)計(jì)的角度，介紹了酸性水汽提裝置的控制系統(tǒng)硬件配置、主要控制方案、控制系統(tǒng)的組態(tài)、供電、接地及工程實(shí)施等方面。

關(guān)鍵詞：集散控制系統(tǒng)；酸性水汽提裝置；設(shè)計(jì)

1 概述

天津石化100萬噸/年乙烯及配套裝置是國內(nèi)新建大型石化生產(chǎn)裝置之一，為了滿足生產(chǎn)與環(huán)保的需要，各工藝裝置生產(chǎn)的含硫污水集中處理，為此，新建一套130噸/時酸性水汽提裝置。根據(jù)污染集中治理、節(jié)省投資與占地、綜合利用、節(jié)能降耗、合理優(yōu)化等原則，130噸/時酸性水汽提裝置與氣體脫硫及溶劑再生裝置聯(lián)合布置、統(tǒng)一管理、聯(lián)合操作，實(shí)現(xiàn)全廠酸性氣、酸性水處理的安全、穩(wěn)定、優(yōu)化、長效。

天津130噸/時酸性水汽提裝置、氣體脫硫及溶劑再生裝置與煉油工程新建生產(chǎn)裝置、輔助設(shè)施及相應(yīng)的公用工程共用一個中央控制室（CCR1）。采用中央控制室和現(xiàn)場機(jī)柜間分離設(shè)置的方式。中央控制室設(shè)置在非爆炸危險區(qū)域，操作管理人員在中央控制室完成生產(chǎn)裝置的控制、監(jiān)測、操作及管理等。現(xiàn)場機(jī)柜間設(shè)置在130噸/時酸性水汽提裝置/氣體脫硫及溶劑再生裝置內(nèi)（FRR1-08）?，F(xiàn)場儀表信號通過電纜連接到現(xiàn)場機(jī)柜間（FRR1-08），從中央控制室（CCR1）到現(xiàn)場機(jī)柜間（FRR1-08）的信號傳輸采用冗余光纜。

2 工藝流程簡述

自裝置外來的混合酸性水，進(jìn)入原料水脫氣罐，脫出的輕油氣送至工廠火炬系統(tǒng)，脫后的酸性水進(jìn)入原料水罐沉降除油，再經(jīng)原料水泵加壓后進(jìn)入原料水除油器進(jìn)一步除油，再脫出的輕污油間斷自流至地下污油罐。除油后的酸性水進(jìn)入原料水罐，經(jīng)原料水增壓泵加壓后送至酸性水汽提部分。具體原則流程圖如圖1所示。

來自預(yù)處理部分的酸性水，與主汽提塔底凈化水換熱至100℃后，進(jìn)入主汽提塔上部。塔底用0.4MPa蒸汽通過重沸器間接加熱汽提，以保證塔底溫度129.3℃；冷凝后的凝結(jié)水送至氣體脫硫及溶劑再生裝置凝結(jié)水回收罐。主汽提塔頂酸性氣經(jīng)空冷器冷卻至85℃后進(jìn)入塔頂回流罐，冷凝液經(jīng)塔頂回流泵返塔作為回流，酸性氣送至20萬噸/年硫磺回收裝置。主汽提塔底凈化水經(jīng)換熱器、空冷器冷卻至40℃，一部分送至上游裝置回用，剩余部分排至含油污水管網(wǎng)。具體原則流程圖如圖2所示。

酸性水汽提裝置的主要設(shè)備有主汽提塔、換熱器、重沸器、冷卻器、空冷器、原料水罐、原料水除油器、離心泵等。

3 自動化水平

本裝置自動控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)（以下簡稱DCS）。DCS系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，以微處理器為核心，對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中操作管理和分散控制，具有精確度高，可靠性好和維護(hù)工作量少等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的集中控制、平穩(wěn)操作、安全生產(chǎn)、從而提高生產(chǎn)產(chǎn)量和質(zhì)量，降低能耗，充分發(fā)揮工藝裝置的生產(chǎn)加工能力，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益。DCS系統(tǒng)建立了實(shí)時數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)整個工程項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)信息管理和生產(chǎn)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理，工藝數(shù)據(jù)報警均在DCS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

本裝置DCS系統(tǒng)采用橫河CS3000控制系統(tǒng)。中央控制室、機(jī)柜間系統(tǒng)配置圖如圖3、4所示。

3.1 CS3000系統(tǒng)概述

橫河CS3000控制系統(tǒng)（Vnet/IP）是基于TCP/IP協(xié)議的雙網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)采用廣播的方式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸速率為1GB/秒。CS300

0系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制器和人機(jī)界面?，F(xiàn)場控制器直接監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，人機(jī)界面為操作員提供了處理這些過程數(shù)據(jù)的界面，也為操作員提供了多種操作界面：如工藝流程圖、儀表操作面板、系統(tǒng)狀態(tài)報警及過程數(shù)據(jù)等；同時，CS3000系統(tǒng)通過RS485方式，與SIS、PLC等系統(tǒng)進(jìn)行通訊，為這些系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)操作界面。CS3000系統(tǒng)是一套規(guī)模適合、性能先進(jìn)、功能完整、設(shè)備可靠、具有開放性的控制系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件的基本組成包括操作站、工程師站、現(xiàn)場控制器和通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2.1 操作員站

操作員站主要是對現(xiàn)場的過程變量數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和監(jiān)控，并對整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及報警進(jìn)行監(jiān)控。每個操作員站配置了標(biāo)準(zhǔn)操作員鍵盤。

本裝置操作員站采用雙層的22\"寬屏顯示器，安裝了MS Windows XP操作系統(tǒng)。各個裝置的操作員站進(jìn)行分組，每組操作員站配置了一臺具有工程師組態(tài)功能的操作員站，并配置了相應(yīng)的軟件。

3.2.2 工程師站

工程師站主要是對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試，開車時離線下載，在線運(yùn)行時，可以在線修改組態(tài)并下載。

本裝置工程師站采用單層的22\"寬屏顯示器，安裝了MS Windows XP操作系統(tǒng)。

3.2.3 現(xiàn)場控制器

現(xiàn)場控制器完成過程數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和控制信號輸出等功能，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

本裝置采用雙冗余機(jī)架型控制器，配置應(yīng)用擴(kuò)展功能軟件包，最多可下掛的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)14個?，F(xiàn)場控制器包括2塊處理器單元，2個電源模塊，2塊ESB總線模塊，以及6個可以插I/O卡件的插槽，最多可以安裝6塊I/O卡。

（1）處理器單元采用了4個CPU，可靠性極高，實(shí)現(xiàn)了完全的容錯冗余功能。每塊處理器單元模件內(nèi)設(shè)計(jì)了2個獨(dú)立的CPU單元，將兩個獨(dú)立的CPU單元運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行一致性比較，如果比較結(jié)果一致，則該側(cè)控制器輸出運(yùn)算結(jié)果。這樣有效地診斷出任何硬件故障或隨機(jī)性運(yùn)算錯誤，阻止任何錯誤輸出，并保證不間斷地輸出正確的控制運(yùn)算結(jié)果。2塊處理器互為事實(shí)冗余，其中一塊出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動報警，切換到另一塊處理器，不會影響系統(tǒng)的控制功能。（2）現(xiàn)場控制器采用兩路獨(dú)立的供電模式，分別對處理器、I/O卡件及通訊模塊提供冗余的電源，其中的任何一路電源有故障時，都不會影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)會自動報警。（3）ESB總線通訊模塊是用來接連處理器和下掛Node的I/O通訊總線，2塊通訊模塊互為冗余，任何一個通訊模塊有故障時，都不會影響整個系統(tǒng)。

3.2.4 通訊網(wǎng)絡(luò)

CS3000 Vnet/IP控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.3和Vnet/IP協(xié)議的開放性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于天津項(xiàng)目裝置較多，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很大，傳輸數(shù)據(jù)量較大，為了降低整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷，把煉油裝置劃分為6個局域網(wǎng)LAN1～LAN5、LAN8，所有煉油裝置的人機(jī)界面主要集中在第一中央控制室（CCR1）進(jìn)行控制操作和監(jiān)視。每個LAN對應(yīng)1個相對獨(dú)立的域，各個LAN內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)單元的數(shù)據(jù)通訊配置了思科的2層交換機(jī)，主要是把本局域網(wǎng)LAN內(nèi)所有控制設(shè)備連接到一起，如現(xiàn)場控制器、操作員站、工程師站、數(shù)據(jù)采集終端等設(shè)備。在各個局域網(wǎng)之間，配置了思科的3層交換機(jī)，主要是把每個相關(guān)的局域網(wǎng)連接到一起，把各局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)，上層網(wǎng)絡(luò)中的工藝工程師站、GDS站以及全局工程師站等都可以通過3層交換機(jī)，對下層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)控。

4 酸性水裝置I/O點(diǎn)規(guī)模及I/O卡件配置

酸性水裝置控制系統(tǒng)I/O卡件配置規(guī)模見表1。

5 主要控制方案

酸性水汽提裝置控制回路以單回路控制系統(tǒng)為主，根據(jù)控制需要也設(shè)置了復(fù)雜控制回路。例如主汽提塔塔頂回流罐液位與主汽提塔塔頂回流流量串級控制回路；主汽提塔酸性水的進(jìn)料流量與重沸器蒸汽流量比值控制回路；原料水脫氣罐頂輕油氣至火炬壓力分程控制回路；脫臭系統(tǒng)壓力指示聯(lián)鎖控制回路等等。下面對串級控制及比值控制進(jìn)行簡要說明。

5.1 串級控制

串級控制系統(tǒng)是兩個控制器串接，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定，適用于時間常數(shù)及純滯后較大的被控制對象，具有可減小副控制對象的等效時間常數(shù)、提高系統(tǒng)的工作效率、抑制進(jìn)入副控制回路的擾動、適應(yīng)負(fù)荷變化等特點(diǎn)。

串級控制系統(tǒng)的目的是更好地穩(wěn)定主變量，使之等于給定值，主回路是給定值控制系統(tǒng)。副回路的給定值是主控制器的輸出值，在串級控制系統(tǒng)中，副變量不是不變的，而是隨主控制器的輸出變化而變化，它是一個隨動控制系統(tǒng)。

酸性水汽提裝置主汽提塔塔頂回流罐液位控制回路LICA-20201與主汽提塔塔頂回流流量控制回路FICQ-20201組成串級控制回路。LICA-20201作為主回路，F(xiàn)ICQ-20201作為副回路。主汽提塔塔頂回流罐控制流程圖如圖5所示。

任何一個控制系統(tǒng)在投運(yùn)前，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用，使控制作用的方向正確，否則在閉合回路中進(jìn)行的不是負(fù)反饋而是正反饋，它將不斷增大偏差，造成無法調(diào)節(jié)。

串級回路主、副調(diào)節(jié)器作用方式確定方法如下：副調(diào)節(jié)器的作用方式與副對象特性、控制閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)，按照使副回路成為1個負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定，根據(jù)此原則判斷副調(diào)節(jié)器的作用方式為正作用。在副回路構(gòu)成閉環(huán)回路之后，串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器作用方式與主對象特性有關(guān)，根據(jù)此原則判斷主調(diào)節(jié)器的作用方式為正作用。

在生產(chǎn)過程中，當(dāng)主汽提塔塔頂回流罐的液位LT-20201增加時，主調(diào)節(jié)器LIC-20201為正作用方式，所以輸出值增加。副回路為隨動控制系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器FIC-20201為正作用方式，所以調(diào)節(jié)閥FV-20201的開度增加，塔頂回流罐酸性水至主汽塔流量增加，液面下降，達(dá)到生產(chǎn)工藝控制要求。具體組態(tài)連接圖如圖6所示。

5.2 比值控制

在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要求兩種（或更多種）物料以一定的比例混合后參加化學(xué)反應(yīng)，以保證反應(yīng)時充分節(jié)約能量，為此需要運(yùn)用比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)分為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、串級比值控制系統(tǒng)及帶邏輯提量的比值控制系統(tǒng)。

酸性水汽提裝置主汽提塔酸性水進(jìn)料流量FIC-20301與重沸器蒸汽流量FIC-20101、FIC-20102組成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，具體流程圖如圖7所示。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是在保持比值控制的前提下，主動量和從動量兩個流量均構(gòu)成了閉環(huán)回路，這樣它能克服自身流量的干擾，使主、從流量都比較平穩(wěn)，并使得工藝總負(fù)荷也較穩(wěn)定。

主汽提塔酸性水進(jìn)料流量和重沸器蒸汽流量的比例是一定的，而酸性水的入塔量由上一道工序決定，這樣主汽提塔進(jìn)料流量為不控量。當(dāng)酸性水的流量FIC-20301產(chǎn)生波動時，調(diào)節(jié)蒸汽流量FIC-20101及FIC-20102，保證酸性水和蒸汽的比例不變。所以FIC-20301為主動量，F(xiàn)IC-20101及FIC-20102為從動量。具體組態(tài)連接圖如圖8所示。

圖8中，F(xiàn)IC-20301為主動控制回路，F(xiàn)IC-20101、FIC-10102為從動控制回路，RATIO 為比例設(shè)定器，F(xiàn)OUT為串級信號分配器，TT-20111、PT-20101為FIC-20101、FIC-10102的溫度補(bǔ)償及壓力補(bǔ)償。酸性水流量通過比例設(shè)定器作為蒸汽流量調(diào)節(jié)的給定值，通過串級信號分配器，將給定值等同的分配給兩路輸出。

6 控制系統(tǒng)工程組態(tài)

組態(tài)選用DCS系統(tǒng)所提供的軟硬件工具，對所選用儀表設(shè)備、所需的過程參數(shù)、控制方案運(yùn)行定義和連接，從而滿足工藝控制過程的要求。CS3000的組態(tài)主要包括系統(tǒng)COMMON組態(tài)，操作站（HIS）組態(tài)，流程圖組態(tài)，控制站組態(tài)（FCS）。

系統(tǒng)COMMON組態(tài)主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)，系統(tǒng)常數(shù)組態(tài)，工程單位組態(tài)，報警表組態(tài)，報警優(yōu)先級組態(tài)等。操作站（HIS）組態(tài)包括操作站構(gòu)成，操作分組，連接傳輸，趨勢記錄，畫面名，窗口名等。流程圖組態(tài)即帶控制點(diǎn)的工藝流程圖組態(tài)。通過這些部分組態(tài)設(shè)定，使操作站（HIS）具備了人機(jī)接口的功能，使操作員能夠通過操作站對生產(chǎn)過程操作。

控制站（FCS）組態(tài)主要包括控制站硬件組成、I/O卡件分配、控制回路圖的設(shè)計(jì)等?？刂苹芈穲D使根據(jù)工藝生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案，將現(xiàn)場信號分配給I/O卡，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，完成控制方案的功能塊的連接，達(dá)到控制目的，符合工藝生產(chǎn)要求。

7 供電及接地

7.1 供電

控制系統(tǒng)電源采用兩路UPS電源和一路IPS電源。由于DCS系統(tǒng)是生產(chǎn)裝置儀表控制的核心，可靠性要求高。而控制站是DCS系統(tǒng)最重要的部分，正常情況下，只要控制站部分運(yùn)行正常，其他部分即使短時間失電也不會給裝置生產(chǎn)造成大的影響。因此，保證控制站的供電基本上就保證裝置不會出現(xiàn)重大事故?？刂普颈旧砼渲昧穗p路供電的冗余電源系統(tǒng)，冗余電源系統(tǒng)的電源來自兩個獨(dú)立的電源，任何時候只要有一個回路的供電正常，系統(tǒng)就能夠正常工作?？刂葡到y(tǒng)電源配置具體如下：

（1）UPS電源的容量15KVAx2，供給各控制系統(tǒng)。

UPS電源要求：220V AC 50HZ，蓄電池容量應(yīng)保證電源故障時持續(xù)30分鐘供電， 切換時間≤5ms。

（2）IPS電源容量5KVA，供給機(jī)柜照明、維護(hù)插座和風(fēng)扇等。

儀表工業(yè)電源（IPS）要求：220V AC±10% 50HZ。

現(xiàn)場需要外部供電的儀表設(shè)備，由設(shè)置在機(jī)柜室（FRR1-08）的UPS電源配電柜提供。

7.2 接地

為了保護(hù)操作人員和系統(tǒng)設(shè)備本身的安全，以及所有儀表信號的準(zhǔn)確性，酸性水汽提裝置接地系統(tǒng)設(shè)置保護(hù)接地和工作接地。凡DCS系統(tǒng)柜、配電柜、服務(wù)器柜、網(wǎng)絡(luò)柜以及操作臺等用電設(shè)備的金屬外殼及控制設(shè)備正常不帶電的金屬部分，由于多種原因（如絕緣老化、零線接地?cái)嗑€等）而可能帶危險電壓者，均應(yīng)作保護(hù)接地。工作接地包括信號回路接地、屏蔽接地等。保護(hù)接地匯總板和工作接地匯總板經(jīng)過各自的接地干線接到接地匯總板，最終所有的接地都匯總到一個工廠電氣接地網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了等電位接地。

8 工程實(shí)施

整個項(xiàng)目調(diào)試、投運(yùn)工作開展順利，系統(tǒng)投運(yùn)效果良好。在DCS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了塔頂回流罐液位與主汽提塔塔頂回流流量串級控制，提高了工作效率；主汽提塔酸性水進(jìn)料流量和重沸器蒸汽流量比值控制，節(jié)約了能源；脫臭系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)功能強(qiáng)大，自動化程度較高，使復(fù)雜的操作和控制變得更直觀、更清晰。

9 結(jié)束語

CS3000控制系統(tǒng)在酸性水氣提裝置應(yīng)用取得良好效果。投運(yùn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制可靠，操作方便靈活，控制方案設(shè)計(jì)合理，控制功能完全滿足了工藝的要求，為提高該廠現(xiàn)代化管理水平打下了基礎(chǔ)。

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