1 、引言：

    大竹天然氣凈化廠(chǎng)位于大竹縣石河鎮劉家場(chǎng)村9組，占地面積為111.947畝。設計日處理原料天然氣200萬(wàn)立方米，原料氣硫化氫含量適應范圍11-24克/立方米。設有過(guò)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，并設有配套高低壓放空系統、燃料氣系統、污水處理裝置等輔助生產(chǎn)設施。工藝設計先進(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(zhuān)利技術(shù)，硫回收率大于99.2%。全廠(chǎng)設計工業(yè)控制：DCS系統大致500點(diǎn)，ESD系統：175點(diǎn)。

    2. 工藝流程： 

    2．1、原料氣過(guò)濾分離單元

    本單元采用重力分離和過(guò)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水溶液在吸收塔內通過(guò)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(lái)。

    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(guò)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B(niǎo)V公司許可的四級轉化冷床吸附（Cold Bed Adsorption，簡(jiǎn)稱(chēng)CBA）工藝，考慮調節切換影響，設計硫回收率為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、空氣壓縮機、制氮裝置、主風(fēng)機系統等成套設備。

    3. EPKS系統硬件配置：

    采用集散型控制系統（DCS）對全廠(chǎng)工藝裝置、輔助生產(chǎn)裝置及重要的公用設施進(jìn)行集中監視、控制和管理。

    3．1 EPKS系統的核心部件是混合控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)C300)，此次采用最新的，在國內首次應用到石油天然氣行業(yè)，該系統控制器配置為冗余，所有的RAM內存具有ECC（Error Correction Checking）功能，Flash內存經(jīng)過(guò)校驗和（check-summed）,帶有啟動(dòng)診斷與運行診斷程序，平均無(wú)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、對應的輸入輸出安裝接線(xiàn)組件（IOTA）、控制執行環(huán)境CEE和機柜內電源構成。

    3．2 C系列控制防火墻模件，是專(zhuān)用的FTE（Fault Tolerant Ethernet）,C300控制器通過(guò)它與通用的FTE交換機并與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(guò)，在該項目中也采用冗余配置。

    3．3 FTE（Fault Tolerant Ethernet）容錯以太網(wǎng)絡(luò )，FTE不僅提供網(wǎng)絡(luò )容錯功能，而且滿(mǎn)足工業(yè)控制應用的性能和安全要求。PKS 和ESD系統共享同一冗余網(wǎng)絡(luò )，容錯以太網(wǎng)（FTE），構成一個(gè)面向全廠(chǎng)的完整的控制系統。

     3．4 C系列I/O卡件，特點(diǎn)是垂直安裝，占據空間較少；18度傾斜有利于機柜內熱量的均勻散發(fā)；支持熱拔插；與現場(chǎng)一體化供電；

    在該項目采用的I/O卡件：（DCS，全部支持HART協(xié)議）

               

                                                     表3-1

    3．5、Experion PKS系統結構圖：（-1）

               

                                           圖3-1

    3．6、系統組態(tài)：

    石河凈化廠(chǎng)主要的工藝流程的復雜控制、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，根據設計給出的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(guò)縮短再生時(shí)間和冷卻時(shí)間來(lái)實(shí)現。系統控制7個(gè)切換閥，根據時(shí)間進(jìn)行閥門(mén)的依此切換，程序一共有4個(gè)時(shí)間段，時(shí)間可以根據需求修改，啟動(dòng)時(shí)可以從任意時(shí)間、任意CBA反映爐開(kāi)始， 也可以依據現場(chǎng)工藝情況判斷，人為手動(dòng)執行下一步工序，CM是針對此類(lèi)模擬數字混合順控應用設計，它的規則是：1從初始步開(kāi)始 。2程序由步進(jìn)入條件，執行步交替向下走，執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)執行。 5有異常處理能力，規定的異常條件發(fā)生時(shí)，程序轉去執行另一個(gè)順序序列。

    切換閥有兩通和三通兩種型號，帶有兩個(gè)閥門(mén)模擬（4～20mA）反饋信號，對于兩通閥門(mén)表示全開(kāi)（＞95%）、全關(guān)（＜5%），而對于三通閥門(mén)AB→A（＞95%）,

    AB→B（＜5%），一個(gè)輸出控制信號，根據反饋，閥門(mén)可能有四種狀態(tài)：全開(kāi)，全關(guān)，運行中，故障，當閥門(mén)開(kāi)的輸出信號發(fā)出后，經(jīng)過(guò)時(shí)間T1，開(kāi)反饋信號沒(méi)來(lái)，或者當閥門(mén)關(guān)的輸出信號發(fā)出后，經(jīng)過(guò)時(shí)間T，關(guān)反饋信號沒(méi)來(lái) 需要報警；自動(dòng)方式時(shí)由CBA切換順序控制程序驅動(dòng)，發(fā)生報警時(shí)，停止順控程序,在PKS系統中，有一個(gè)DEVCTL（設備控制）功能塊，專(zhuān)門(mén)針對此類(lèi)應用，相當方便。如圖，只需將具體參數輸入即可。

               

                                          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(zhuān)利的Profit Loop控制算法，它是單輸入，單輸出（SISO）模型預估調節器，是一個(gè)基于模型的調節器、Smith預估器、Gap控制器和優(yōu)化器?？扇〈刂浦械拿恳粋€(gè) PID，減少閥門(mén)磨損和延長(cháng)閥門(mén)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(zhù)優(yōu)異的表現，為實(shí)施離散或異步控制輸入的調節器提供了一個(gè)理想的框架。由于只有一個(gè)調節參數，降低控制人員的操作難度。 該項目在MEDA吸收塔的液位控制回路中應用了Profit Loop，效果良好。

    3．6．2、監控組態(tài)（HMI）：

    HMIWEB Display Builder程序是圖形組態(tài)工具，繪制流程畫(huà)面，流程畫(huà)面采用HTML格式，支持VB腳本，ACTIVE X組件,支持彈出式畫(huà)面，界面統一采用1024×768的分辨率。下圖為CBA切換順序控制程序畫(huà)面和標準的操作控制畫(huà)面：

               

                                                   圖3-7

               

                                           圖3-8

               

                                            圖3-9

    系統提供了大量的標準顯示畫(huà)面，除了需要繪制用戶(hù)流程畫(huà)面外，像控制分組，報警，歷史數據等其他功能顯示界面，無(wú)需再進(jìn)行圖形繪制，系統是標準化的，只需將參數填入即可。 這對于界面統一，系統穩定運行，減少組態(tài)工作量，加快工程速度很有意義。

    其它流程畫(huà)面有控制分組畫(huà)面： 

               

                                       圖3-10

    歷史數據畫(huà)面：

              

                               圖3-11

    可通過(guò)操作員站（Station）環(huán)境或IE瀏覽器來(lái)顯示和操控過(guò)程顯示畫(huà)面。系統還提供了大量的標準顯示畫(huà)面：菜單/導航，報警匯，,事件匯，,趨勢，操作組，點(diǎn)細目，系統狀態(tài)，組態(tài)，回路調節，彈出控制面板，診斷和維護，匯總等。

    4. 緊急停車(chē)聯(lián)鎖ESD(Emergency Shut Down)棗S M （Safety Manager）系統 。

    在安全設計方面，石河項目的ESD系統必須達到IEC（國際電工組織）提出的SIL2級標準，采用Honeywell緊急停車(chē)聯(lián)鎖ESD(Emergency Shut Down)棗S M （Safety Manager）系統，與DCS系統棗Honeywell PKS 組成最佳無(wú)縫結合，系統網(wǎng)絡(luò )配置圖如DCS網(wǎng)絡(luò )。系統主要硬件（如圖4-1）：控制器（QPP）、通訊卡件（USI）、電源卡件（PSU）設計為雙重化。

               

                                       圖4-1

    系統中的一臺PC機，既擔任工程師站、又擔任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，ESD系統與Honeywell PKS 系統之間采用自適應10M/100M Ethernet通訊，在DCS中實(shí)時(shí)記錄歷史。FSC SOE完成系統的事件順序記錄功能，I/O卡件通過(guò)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。當一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，控制器將變量的當前狀態(tài)和時(shí)間協(xié)簽存儲在緩沖區內，以便組態(tài)提取事件順序。SOE的識別時(shí)間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲高達20萬(wàn)條，可實(shí)時(shí)存貯在硬盤(pán)中，并可通過(guò)打印機打印出來(lái)。

    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)：

    依據因果關(guān)系表、ESD點(diǎn)火邏輯原理圖、在SM Application Editor中對故障安全控制系統的應用程序通過(guò)功能邏輯圖來(lái)實(shí)現，功能邏輯圖簡(jiǎn)稱(chēng)FLD，系統提供大量的邏輯、算術(shù)、計時(shí)、計數、PID等運算模塊，用戶(hù)可根據設計需要，選擇相應的I/O符號，直接使用與、或、非的邏輯圖的方式實(shí)現用戶(hù)的邏輯功能，此外，用戶(hù)還可以用系統自帶的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用，實(shí)現較為復雜的邏輯控制。點(diǎn)火邏輯系統中定義了RS觸發(fā)器、溫壓補償、延時(shí)計數器、三取二、比較、計算、等邏輯功能塊，多次應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(xiàn)組態(tài)和On桳ine在線(xiàn)監測，在Configuration中組完態(tài)，Application Compiler無(wú)誤下裝后，可以在On桳ine 中Application Viewer在線(xiàn)監測邏輯功能的實(shí)現與否，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、監測、控制：
    主燃燒爐監控流程圖：

               

                                        圖4-5

    主燃燒爐點(diǎn)火邏輯監控流程圖：

               

                                       圖4-6

    5. SCADA系統：Honeywell PKS系統與第三方系統的通信系統

    石河凈化廠(chǎng)有許多成套廠(chǎng)家設備與Honeywell PKS系統之間進(jìn)行通訊：Honeywell 公司統稱(chēng)為第三方系統，也就是SCADA系統。

    5．1、石河凈化廠(chǎng)第三方設備IO清單如下表：


    MODBUS RTU通信協(xié)議，

               
               

                                               表5-1

    第三方設備通過(guò)MOXA Terminal Server NPort 5650-16 與Honeywell PKS系統之間通訊，通訊協(xié)議為：MODBUS RTU RS桼485，通過(guò)FTE網(wǎng)絡(luò )、CISCO交換機與PKS系統實(shí)現數據采集與交換，詳見(jiàn)圖：3-1。

    5．2、SCADA系統組態(tài)：

    第三方設備組態(tài)工具—數據庫管理工具Quick Builder，Quick Builder提供窗口式的界面進(jìn)行操作，允許用戶(hù)定義點(diǎn)及組態(tài)，定義數據通道、控制器、操作站(Station)、服務(wù)器(Server)和打印機等。另外，通過(guò)Quick Builder可以在線(xiàn)對系統數據庫進(jìn)行修改。

    下圖為Quick Builder組態(tài)截面圖：

               

                                      圖5-1

    6. RTU系統：

    石河凈化廠(chǎng)新鮮水系統包括取水泵房和水處理系統，其中取水泵房位于距廠(chǎng)區直線(xiàn)距離11km的烏木水庫，由于距離遠，設計采用RTU方式通過(guò)光纖和GPRS集中由DCS系統監控，實(shí)現無(wú)人值守。取水泵房的本地控制由BB公司的遠程RTU完成。網(wǎng)絡(luò )詳見(jiàn)圖：3-1。

    光纖和GPRS互為冗余方式，在中控室通過(guò)CISCO路由器、FTE網(wǎng)絡(luò )，采用MODBUS TCP協(xié)議，由Honeywell PKS的 OPC Integrator實(shí)現取水泵房本地控制與中控室遠程監控。

    RTU系統的組態(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：

    EPKS系統自2008年3月份系統上電后，先后經(jīng)歷了系統斷電、頻繁開(kāi)停車(chē)、工作環(huán)境惡劣等因素的影響。4月底凈化廠(chǎng)正式投產(chǎn)以來(lái)，系統在近4個(gè)多月的運行中工作一直穩定，經(jīng)受住了考驗，確保了天然氣凈化裝置的安全穩定運行。完全能夠滿(mǎn)足對天然氣凈化裝置生產(chǎn)監視和控制的需要。