新增伴生氣回收液化裝置儀表及控制系統(tǒng)設(shè)計研究

張錚一 高帥 于祥春 張曉敏 武岳

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

伴生氣在液化過程中具有溫度低、壓力高的特性，同時伴生氣還屬易燃易爆氣體。伴生氣回收液化裝置的儀表及控制系統(tǒng)，作為該裝置的神經(jīng)及大腦，對系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行起到至關(guān)重要的作用。

1 伴生氣回收液化裝置的控制系統(tǒng)

為了確保裝置的安全可靠穩(wěn)定運行，整套裝置采用冗余PLC（控制系統(tǒng)）、ESD（緊急停車系統(tǒng)）系統(tǒng)，集中在中央控制室，現(xiàn)場設(shè)置防爆控制盤，實現(xiàn)高度自動化控制管理。

1.1 控制功能

1) 一鍵啟停：本系統(tǒng)采用一鍵啟停功能，根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)，只需要操作人員單擊“一鍵啟動”按鈕，系統(tǒng)即可自動執(zhí)行相應(yīng)運行流程，并在運行過程中根據(jù)PID調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)到最佳工藝參數(shù)。當工藝系統(tǒng)出現(xiàn)故障報警時，會出現(xiàn)實時語音報警提示和相應(yīng)的聲光報警燈動作，提示相應(yīng)的故障點，并著重提示第一故障點，以方便處理問題和檢查。當需要停機點擊停機按鈕，系統(tǒng)將執(zhí)行正常停機流程。

2) 實現(xiàn)各個單元操作的集中監(jiān)控并能自動調(diào)整到最優(yōu)參數(shù)，包括：溫度、壓力、流量、液位、設(shè)備運行電流、電壓、功率等物理量的監(jiān)測與控制。在用戶在授權(quán)的范圍內(nèi)可以通過觸摸屏對相應(yīng)的參數(shù)進行調(diào)整。

1.2 管理功能

1) 依據(jù)PID圖紙進行建立的工藝流程圖，并通過不同顏色來區(qū)分不同的工藝介質(zhì)，簡單直觀高效。此外還有溫度、壓力、液位等參數(shù)趨勢圖、故障記錄和各種操作記錄并保證有最低30天的保存記錄。同時系統(tǒng)還具有生成和打印各種記錄的功能。

2) 可以和平臺管理網(wǎng)絡(luò)或 INTERTNET 聯(lián)網(wǎng)，可將裝置運行參數(shù)和數(shù)據(jù)上傳至管理計算機用于平臺管理、調(diào)度和數(shù)字統(tǒng)計。

1.3 故障診斷處理功能

1) 根據(jù)溫度、壓力、調(diào)節(jié)閥開度、開關(guān)閥位置、流量等參數(shù)，對工藝設(shè)備進行自動控制、調(diào)節(jié)或聯(lián)鎖處理。

2) 停電、工藝參數(shù)異常等情況，將會觸發(fā)工藝設(shè)備應(yīng)急關(guān)斷來保護關(guān)鍵設(shè)備。

3) 控制系統(tǒng)本身具有故障自診斷、故障自處理、同時對相應(yīng)的故障進行記錄。

1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計分為三部分：底層結(jié)構(gòu)、中間層結(jié)構(gòu)、上層結(jié)構(gòu)。

1) 底層結(jié)構(gòu)：即現(xiàn)場溫度、壓力等工藝參數(shù)采集、現(xiàn)場執(zhí)行控制及動作、數(shù)據(jù)交互。在每個橇上就地放置一臺PLC控制柜，其柜中含有電源、PLC及擴展模塊、交換機、無線發(fā)射器、儀表接線端子等構(gòu)成實時采集每個橇現(xiàn)場的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)。

2) 中間結(jié)構(gòu)：即現(xiàn)場儀表、執(zhí)行器與中控室之間數(shù)據(jù)的交互。PLC通過交換機將采集到的工藝數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厥摇?/p>

3) 上層結(jié)構(gòu)：利用組態(tài)軟件接收處理數(shù)據(jù)，再利用上位機進行數(shù)據(jù)顯示、閥門控制和參數(shù)設(shè)置等。

其結(jié)構(gòu)拓撲圖詳見圖1。

圖1 控制結(jié)構(gòu)圖

2 儀表選型

1)溫度儀表

LNG裝置的溫度范圍-200℃到300℃，裝置通過溫度變送器進行溫度數(shù)據(jù)采集，并對表頭處進行探桿延長處理，防止電氣元件受低溫或高溫影響。熱電阻配置溫井。部分關(guān)鍵位置進行冗余設(shè)計。指針式溫度采用雙金屬、萬向型結(jié)構(gòu)。

2)流量儀表

除了用于計量的入口天然氣流量計（渦輪轉(zhuǎn)子流量計）和LNG裝車流量計（科氏質(zhì)量流量計），其余均采用節(jié)流裝置配智能型差壓變送器來進行測量，即孔板流量計。采用高級孔板形式，孔板可在線進行更換。對關(guān)鍵位置的流量測量進行相應(yīng)的溫度和壓力補償，來增加測量的精度。

3)壓力儀表

壓力參數(shù)的檢測通過智能型壓力變送器將信號傳送到控制室供PLC或ESD系統(tǒng)使用，關(guān)鍵位置配壓力開關(guān)將信號傳送至ESD或PLC系統(tǒng)用于報警和聯(lián)鎖。就地儀表采用不銹鋼壓力表和普通壓力表實現(xiàn)，壓縮機和泵的出口采用耐震壓力表，其中腐蝕性介質(zhì)選用不銹鋼防腐型。

4)液位儀表

液位信號根據(jù)情況采用不同的檢測方式，主要有差壓液位變送器、磁滯伸縮液位變送器、液位開關(guān)。

5)調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥主要有低溫工況下應(yīng)用的調(diào)節(jié)閥和常溫工況下應(yīng)用的調(diào)節(jié)閥。低溫工況下應(yīng)用的調(diào)節(jié)閥采用長頸型調(diào)節(jié)閥，閥體材質(zhì)為鋁合金或低溫鋼。常溫工況下應(yīng)用的調(diào)節(jié)閥依據(jù)不同的流量、介質(zhì)特性、壓差等進行選型，調(diào)節(jié)閥配有電磁閥、閥門定位器、手動操作裝置。

6)在線分析儀表

LNG裝置采用的分析儀表有：1臺工業(yè)色譜儀分別用于天然氣成分和制冷劑成分分析，主要分析甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等。

在線二氧化碳分析儀，分析凈化氣中二氧化碳含量。

在線微量水分析儀，分析凈化氣中水含量。

3 緊急停車（ESD）系統(tǒng)

緊急停車系統(tǒng)是為緊急或特殊情況設(shè)計的。緊急停車系統(tǒng)能具有可靠、快速的特點，確保裝置和人身的安全。

本項目緊急停車系統(tǒng)作為獨立的控制系統(tǒng)，并配備單獨的工作站：

故障安全型設(shè)計，并具有電源冗余、控制器冗余、通訊卡件冗余、輸入和輸出點進行繼電器隔離等；I/O點不少于20%備用。

緊急停車系統(tǒng)內(nèi)儀表及執(zhí)行器單獨設(shè)置，并具有安全等級認證，保證系統(tǒng)的回路安全等級在要求范圍內(nèi)。現(xiàn)場執(zhí)行帶手動復(fù)位功能。

4 新增橇外儀表及中控系統(tǒng)改造

根據(jù)工藝流程方案，本項目管路改造上需要增加橇外儀表如壓力調(diào)節(jié)閥，先導(dǎo)式安全閥用來控制和調(diào)節(jié)取氣口壓力，孔板流量變送器，含氧分析儀用來測量天然氣的含氧量并在超過3%時切斷整個LNG系統(tǒng)，關(guān)斷閥，就地壓力表，壓力變送器，液位變送器，安全閥等。

LNG裝置儀表信號和執(zhí)行器和接入現(xiàn)場本地控制盤，由本地控制盤進行處理。并將裝置運行狀態(tài)，故障報警，緊急關(guān)斷通過5P硬線傳至中控室,其余信號通過RS485通訊接入中控系統(tǒng)并顯示。

對于新增儀表信號的處理如果LNG橇內(nèi)系統(tǒng)有足夠的容量可以考慮整合進LNG控制系統(tǒng)，利用LNG橇內(nèi)控制系統(tǒng)的PLC對信號進行處理，這樣可以節(jié)省硬件成本和不同廠家之間溝通的時間。

5 火氣系統(tǒng)

本項目橇內(nèi)火氣系統(tǒng)由火災(zāi)和可燃有毒氣體檢測報警系統(tǒng)（FGS）、消防用水、干粉滅火器、二氧化碳滅火器等共同構(gòu)成。

FGS系統(tǒng)探測和報告危險氣體的泄漏或火情，實現(xiàn)報警及相應(yīng)的聯(lián)動功能，同時將信號上傳PCS，PCS在中央控制室的操作屏上設(shè)模擬畫面。

FGS系統(tǒng)配備現(xiàn)場探測和報警設(shè)備，其檢測點數(shù)量、探測器類型、位置由危險評估工具確定。整個FGS系統(tǒng)按隔爆型或正壓通風系統(tǒng)設(shè)計，滿足危險區(qū)域的使用要求。電源要求：交流220V 50Hz單相；備用電源具有再充電裝置，蓄電池的容量應(yīng)充分滿足在報警的情況下，全部的探測器、送至消防壓力開關(guān)的報警信號以及手動報警按鈕4小時的負荷。

5.1 FGS系統(tǒng)主要包括以下部分：

火氣系統(tǒng)主要有現(xiàn)場探頭傳感器、手動報警、火災(zāi)控制盤，火氣系統(tǒng)主要涉及消防用水、干粉和二氧化碳。

5.2 平臺火氣布置改造

根據(jù)總圖布置，新增LNG處理設(shè)備，LNG儲罐及伴生氣緩沖罐布置于頂層甲板生活樓北側(cè)空余空間。LNG橇內(nèi)系統(tǒng)已經(jīng)為本次改裝提供了火災(zāi)和可燃性氣體檢測報警系統(tǒng)。橇外火氣改造的重點是整合新增LNG系統(tǒng)和平臺現(xiàn)有的FGS以保證整個平臺火警與消防系統(tǒng)的完整性，可以通過備用的RS485通信將LNG系統(tǒng)區(qū)域的火警及可燃氣體檢測報警信號傳輸?shù)狡脚_PCS并顯示，這部分的整合需要與現(xiàn)有的平臺FGS廠家溝通具體實施方案。

6 通訊系統(tǒng)

6.1 通訊設(shè)備布置

通過查閱平臺原有通訊設(shè)備布置圖，新增區(qū)域已有揚聲器（25W）及電話覆蓋。此次改造在上層新增設(shè)備區(qū)域和下層LNG加注區(qū)域新增兩臺CCTV攝像機，接入平臺現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)。

6.2 橇內(nèi)通訊

平臺上通訊設(shè)備主要包括電話系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、火災(zāi)報警系、呼叫系統(tǒng)、廣播報警系統(tǒng)、無線電話系統(tǒng)、船岸通信系統(tǒng)、局域網(wǎng)系統(tǒng)、安全監(jiān)視及門禁、航空無線通信及導(dǎo)航系統(tǒng)等。由于該LNG裝置是在現(xiàn)有的海上平臺上安裝，通訊各系統(tǒng)可以依托平臺現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施。

7 結(jié)語

新增伴生氣回收液化裝置可以將海上平臺大量的伴生氣加以回收利用，不僅可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價值，還可以減少對大氣的污染。如該方式將得以在海上開采平臺全面推廣，極大地促進環(huán)保、創(chuàng)造良好的社會與經(jīng)濟價值。