HoneywellPKS在天然气净化厂的应用要点.pdf

Honeywell PKS 在天然气净化厂的应用 马尧安 成都皖东仪表电缆成套系统有限公司 摘 要：重庆天然气净化总厂大竹分厂系中国石油天然气股份有限公司投资、重庆 天然气净化总厂负责兴建的一座现代化天然气净化厂，工业过程采用Honeywell 公 司的 PKS实现工厂的生产过程自动化，在安全策略上采用了Honeywell紧急停车联 锁 ESD(Emergency Shut Down)S M (Safety Manager) 。 关键词： PKS ESD SCADA RTU 1 、引言： 大竹天然气净化厂位于大竹县石河镇刘家场村9 组，占地面积为111.947 亩。设计 日处理原料天然气200 万立方米，原料气硫化氢含量适应范围11-24 克/立方米。 设有过滤分离装置、脱硫装置、脱水装置、硫磺回收装置各1 套，硫磺成型装置2 列，并设有配套高低压放空系统、燃料气系统、污水处理装置等辅助生产设施。工 艺设计先进、可靠、配套齐全，采用甲基二乙醇胺（MDEA）法脱硫，三甘醇 （TEG ）法脱水，硫磺回收引进美国低温克劳斯冷床吸附（CBA ）专利技术，硫回 收率大于 99.2%。全厂设计工业控制： DCS系统大致 500点，ESD系统： 175 点。 2.工艺流程： 21、原料气过滤分离单元 本单元采用重力分离和过滤分离作用分离出原料气中夹带的凝析油、游离水和固体 杂质。 工艺流程简图（ 2-1） 图 2-1 2.2、脱硫单元 脱硫装置采用化学吸收法，利用甲基二乙醇胺(MDEA) 溶液脱除天然气中的硫化 氢，采用浓度为45%(w)的 MDEA 水溶液在吸收塔内通过气液逆流接触进行脱硫， 在 4.65.4MPa 、40下，将天然气中的酸性组份吸收，然后在0.08MPa 、104.9 下，将吸收的组份解吸出来。 工艺流程简图（ 2-2） 图 2-2 2.3、脱水单元 天然气脱水是一个物理过程。本单元是用三甘醇进行吸湿性液体脱水,将天然气 中的水份吸收进入三甘醇溶液中。吸收了水份的三甘醇富液，在常压高温情况下将 水份蒸发出去。用加热再生的方法，再加上干气汽提，可得到浓度约为99.7%的三 甘醇溶液。 工艺流程简图（ 2-3） 图 2-3 2.4、硫磺回收单元 装置采用美国 BV公司许可的四级转化冷床吸附（Cold Bed Adsorption ，简称 CBA）工艺，考虑调节切换影响，设计硫回收率为99.099.2%。硫磺产量为 45.4t/d。 工艺流程简图（ 2-4） 图 2-4 25、辅助装置，包括锅炉系统、空气压缩机、制氮装置、主风机系统等成套设 备。 3.EPKS系统硬件配置： 采用集散型控制系统（DCS ）对全厂工艺装置、辅助生产装置及重要的公用设施进 行集中监视、控制和管理。 31EPKS系统的核心部件是混合控制器(简称 C300) ，此次采用最新的，在国内 首次应用到石油天然气行业，该系统控制器配置为冗余，所有的RAM 内存具有 ECC （Error Correction Checking ）功能， Flash内存经过校验和（ check-summed）,带 有启动诊断与运行诊断程序，平均无故障时间（MTTF ）大大提高，冗余的C300可 用性99.999%。C300 由控制器模件、对应的输入输出安装接线组件（IOTA ）、控 制执行环境 CEE和机柜内电源构成。 32C系列控制防火墙模件，是专用的FTE （Fault Tolerant Ethernet ）,C300控制 器通过它与通用的FTE交换机并与FTE网络和Experion 服务器相连，它只允许 C300控制器的信息和一些与FTE有关的信息通过，在该项目中也采用冗余配置。 33FTE （Fault Tolerant Ethernet ）容错以太网络， FTE不仅提供网络容错功能， 而且满足工业控制应用的性能和安全要求。PKS和 ESD 系统共享同一冗余网 络，容错以太网（ FTE ），构成一个面向全厂的完整的控制系统。 34 C系列 I/O卡件，特点是垂直安装，占据空间较少；18 度倾斜有利于机柜内 热量的均匀散发；支持热拔插；与现场一体化供电； 在该项目采用的 I/O 卡件：（ DCS ，全部支持 HART协议） 模块型号数量总点数工程点数预留备注 AIR 5 80 70 10 AI 18 288 232 56 AOR 5 80 70 10 DI 6 192 70 122 DO 3 96 76 20 表 3-1 35、Experion PKS 系统结构图：（ -1） 图 3-1 36、系统组态： 石河净化厂主要的工艺流程的复杂控制、辑控制回路如下表：（3-2） 序号复杂回路 /逻辑描述备注 1 CBA切换顺序控制程序 2 1400单元配比回路 3 1300单元重沸器温度控制 4 PIC1465分程控制回路 5 PIC1467分程控制回路 6 LIC1408余热锅炉液位控制回路 7 消防泵启动控制回路 表 3-2 361、控制策略组态（ CM）： 控制策略组态组态软件-Control Builder，根据设计给出的I/O 清单，确定硬件配 置，所有的 I/O 卡件位置，分配好所有的I/O 点通道，从机箱 -卡件- 通道，以便随 时查到相关信息；进入Control Builder 程序，建立新的控制器，I/O 卡件 ，然后将 所有卡件分配到控制器中；然后将I/O 通道块分配定位到I/O 卡上；下装控制器， I/O卡，CM 。以下就 Honeywell PKS 在 CBA切换顺序控制程序中详细的组态： CBA工艺简图：（ 3-3）/（3-4）/（3-5）/（3-6） 1、克牢斯 NO ：1CBA NO：2CBA NO：3CBA 灼烧炉 图 3-2 2、克牢斯 NO ：2CBA NO：3CBA NO：1CBA 灼烧炉 图 3-3 3、克牢斯 NO ：3CBA NO：1CBA NO：2CBA 灼烧炉 图 3-4 3 个 CBA反应器以吸附模式进行操作越快，装置的硫磺回收率就越高。这可以通过 缩短再生时间和冷却时间来实现。系统控制7 个切换阀，根据时间进行阀门的依此 切换，程序一共有4 个时间段，时间可以根据需求修改，启动时可以从任意时间、 任意 CBA 反映炉开始，也可以依据现场工艺情况判断，人为手动执行下一步工 序，CM是针对此类模拟数字混合顺控应用设计，它的规则是：1 从初始步开始。 2 程序由步进入条件，执行步交替向下走，执行的指令采用公式形式，可以给变量 赋值，改变功能块操作方式等。3 可以有分支。 4 程序最后状态是：循环执行。 5 有异常处理能力，规定的异常条件发生时，程序转去执行另一个顺序序列。 切换阀有两通和三通两种型号，带有两个阀门模拟（420mA）反馈信号，对于两 通阀门表示全开（ 95%）、全关（ 5%），而对于三通阀门ABA（95%）, ABB（5%），一个输出控制信号，根据反馈，阀门可能有四种状态：全开，全 关，运行中，故障，当阀门开的输出信号发出后，经过时间T1，开反馈信号没 来，或者当阀门关的输出信号发出后，经过时间T，关反馈信号没来需要报警；自 动方式时由 CBA切换顺序控制程序驱动，发生报警时，停止顺控程序,在 PKS 系统 中，有一个DEVCTL （设备控制）功能块，专门针对此类应用，相当方便。如图， 只需将具体参数输入即可。 图 3-5 下图为 CBA切换顺序控制程序CM组态： 图 3-6 特殊的控制回路处理： PKS提供一个 Honeywell专利的 Profit Loop 控制算法，它是 单输入，单输出（ SISO ）模型预估调节器，是一个基于模型的调节器、Smith 预估 器、Gap 控制器和优化器。可取代控制中的每一个PID，减少阀门磨损和延长阀门 寿命，特别是 Profit Loop 的范围控制算法（ RAC ），在解决大滞后控制上有着优异 的表现，为实施离散或异步控制输入的调节器提供了一个理想的框架。由于只有一 个调节参数，降低控制人员的操作难度。该项目在 MEDA 吸收塔的液位控制回路 中应用了 Profit Loop，效果良好。 362、监控组态（ HMI）： HMIWEB Display Builder程序是图形组态工具，绘制流程画面，流程画面采用HTML 格式，支持 VB脚本， ACTIVE X 组件,支持弹出式画面，界面统一采用1024×768 的 分辨率。下图为 CBA切换顺序控制程序画面和标准的操作控制画面： 图 3-7 图 3-8 图 3-9 系统提供了大量的标准显示画面，除了需要绘制用户流程画面外，像控制分组，报 警，历史数据等其他功能显示界面，无需再进行图形绘制，系统是标准化的，只需 将参数填入即可。这对于界面统一，系统稳定运行，减少组态工作量，加快工程 速度很有意义。 其它流程画面有控制分组画面： 图 3-10 历史数据画面： 图 3-11 可通过操作员站（ Station）环境或 IE 浏览器来显示和操控过程显示画面。系统还 提供了大量的标准显示画面：菜单/导航，报警汇， ,事件汇， ,趋势，操作组，点细 目，系统状态，组态，回路调节，弹出控制面板，诊断和维护，汇总等。 4. 紧急停车联锁 ESD(Emergency Shut Down) 棗 S M （Safety Manager ）系统 。 在安全设计方面，石河项目的ESD系统必须达到 IEC （国际电工组织）提出的SIL2 级标准，采用Honeywell紧急停车联锁ESD(Emergency Shut Down)棗 S M （Safety Manager ）系统，与 DCS系统棗 Honeywell PKS 组成最佳无缝结合，系统网络配置 图 如 DCS 网 络 。系统 主 要硬 件（ 如 图 4-1 ） ：控 制器 （QPP） 、 通讯 卡件 （USI ）、电源卡件（ PSU ）设计为双重化。 图 4-1 系统中的一台PC 机，既担任工程师站、又担任SOE 站，工程师站和SOE 站由 Honeywell公司提供的 FSC Navigator 和 FSC SOE软件完成组态、维护， ESD系统与 Honeywell PKS 系统之间采用自适应10M/100M Ethernet通讯，在 DCS中实时记录历 史。FSC SOE完成系统的事件顺序记录功能，I/O 卡件通过 HBUS和 VBUS给中央控 制单元提供事件顺序能力，在每次扫描期间，控制单元检查所有指定变量的状态改 变。当一个事件发生时，控制器将变量的当前状态和时间协签存储在缓冲区内，以 便组态提取事件顺序。 SOE的识别时间间隔为 1ms，SOE的事件记录存储高达20 万条，可实时存贮在硬盘中，并可通过打印机打印出来。 41、石河 ESD联锁输入输出点的分配如下表： 模块型号数量型号总点数工程点数预留备注 AIR 2 10105 32 30 2 AI 8 10101 108 88 20 DIR 9 SDI- 1624 144 80 64 DOR 10 SDO- 0824 80 54 26 表 4-1 42、逻辑控制功能组态： 依据因果关系表、 ESD点火逻辑原理图、在SM Application Editor中对故障安全控制 系统的应用程序通过功能逻辑图来实现，功能逻辑图简称FLD ，系统提供大量的逻 辑、算术、计时、计数、PID 等运算模块，用户可根据设计需要，选择相应的I/O 符号，直接使用与、或、非的逻辑图的方式实现用户的逻辑功能，此外，用户还可 以用系统自带的Function Block 模块定义需要的功能块，以子程序形式在其他程序 中调用，实现较为复杂的逻辑控制。点火逻辑系统中定义了RS 触发器、温压补 偿、延时计数器、三取二、比较、计算、等逻辑功能块，多次应用其它的子逻辑程 序中。 下图为点火逻辑的FLD ： 图 4-2 ESD点火逻辑原理图： 图 4-3 因果关系表： 图 4-4 SM（ Safety Manager） 分 为 Configuration 离 线 组 态 和 Online 在 线 监 测 ， 在 Configuration 中 组 完 态 ， Application Compiler 无 误 下 装 后 ， 可以 在 Online 中 Application Viewer 在 线 监 测 逻 辑 功 能 的 实 现 与 否 ， 如 有 逻 辑 修 改 则 回 到 Configuration更改，再进行下装程序。 下图为石河主燃烧炉点火逻辑在DCS HMI中的操作、监测、控制： 主燃烧炉监控流程图： 图 4-5 主燃烧炉点火逻辑监控流程图： 图 4-6 5. SCADA系统： Honeywell PKS 系统与第三方系统的通信系统 石河净化厂有许多成套厂家设备与Honeywell PKS 系统之间进行通讯： Honeywell 公司统称为第三方系统，也就是SCADA系统。 5.1、石河净化厂第三方设备IO清单如下表： 序号装置名称第三方设备名称通信形式通信点数 (点) RS485接口数 量 1 脱硫装置 （1200 单元） 微量 H2S 分析仪 MODBUS RTU通 信 协议， RS485 接口 10 1 高 H2S 分析仪10 1 2 脱水装置 （1300 单元） 水露点分析仪10 1 三甘醇再生重沸器燃烧 设备 15 1 3 硫 磺 回 收 装 置 （1400 单元） 3420 40 1 SO2/H2S分析仪20 1 SO2 分析仪20 1 风机控制盘 20x2 2 4 硫磺成型 （2100 单元） 硫磺成型机 15x2 2 5 锅 炉 及 蒸 汽 系 统 （3200 单元） 蒸气锅炉 43x2 2 6 空氮站 （3300 单元） 空气压缩机 7x3 3 制氮系统橇块30 1 7 中央控制室F&GS 系统200 1 合计532 18 表 5-1 第三方设备通过 MOXA Terminal Server NPort 5650-16 与 Honeywell PKS系统之间通 讯，通讯协议为： MODBUS RTU RS 桼 485，通过 FTE网络、 CISCO交换机与 PKS 系统实现数据采集与交换，详见图：3-1。 52、SCADA系统组态： 第三方设备组态工具 数据库管理工具 Quick Builder ，Quick Builder提供窗口式的界 面进行操作，允许用户定义点及组态，定义数据通道、控制器、操作站(Station)、 服务器 (Server) 和打印机等。另外，通过Quick Builder可以在线对系统数据库进行修 改。 下图为 Quick Builder组态截面图： 图 5-1 6. RTU系统： 石河净化厂新鲜水系统包括取水泵房和水处理系统，其中取水泵房位于距厂区直线 距离 11km 的乌木水库，由于距离远，设计采用RTU方式通过光纤和GPRS集中由 DCS系统监控，实现无人值守。取水泵房的本地控制由BB公司的远程 RTU完成。 网络详见图： 3-1。 光纤和GPRS 互为冗余方式，在中控室通过CISCO路由器、 FTE 网络，采用 MODBUS TCP 协议，由 Honeywell PKS的 OPC Integrator 实现取水泵房本地控制与 中控室远程监控。 RTU系统的组态也采用Quick Builder ，下图为 Quick Builder组态截面图： 图 6-1 OPC组态图 7、总结： EPKS系统自 2008 年 3 月份系统上电后，先后经历了系统断电、频繁开停车、工作 环境恶劣等因素的影响。4 月底净化厂正式投产以来，系统在近4 个多月的运行中 工作一直稳定，经受住了考验，确保了天然气净化装置的安全稳定运行。完全能够 满足对天然气净化装置生产监视和控制的需要。 参考文献 大竹净化厂操作规程 . 西南石油设计院大竹净化厂设计资料 Experion Solutions Honeywell .Experion PKS Platform 4、Fail Safe Control Training Manual Honeywell Co ；LTD 5、Honeywell Experion PKS Knowledge Builder Honeywell Co ；LTD 作者简介： 作者姓名 ：马尧安 性别：男 出生年月： 1974年 3 月 3 日 单位名称： 成都皖东仪表电缆成套系统有限公司 专业技术职称： 自动化系统工程师、电气工程师 毕业学校及所学专业： 湖南湘潭矿业学院机电一体化 现从事的工作： 自动化系统组态、仪表、电气等方面的维护的工作 单位电话： 028-83395100 手机： 13982832677 通讯地址： 成都金牛区星辉东路4 号府河苑 1 栋 2208 室 邮编： 610081 电子邮件 ：mayaoan 163.com