Honeywell-PKS在天然气净化厂的应用

HoneywellPKS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(EmergencyShutDown)——SM(SafetyManager)。关键词：PKSESDSCADARTU1、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：2．1、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2-12.2、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4.6～5.4MPa、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2-22.3、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2-32.4、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（ColdBedAdsorption，简称CBA）工艺，考虑调节切换影响，设计硫回收率为99.0～99.2%。硫磺产量为45.4t/d。工艺流程简图（2-4）图2-42．5、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。3．1EPKS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（ErrorCorrectionChecking）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。3．2C系列控制防火墙模件，是专用的FTE（FaultTolerantEthernet）,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。3．3FTE（FaultTolerantEthernet）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。3．4C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AIR5807010AI1828823256AOR5807010DI619270122DO3967620表3-13．5、ExperionPKS系统结构图：（-1）图3-13．6、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1CBA切换顺序控制程序21400单元配比回路31300单元重沸器温度控制4PIC1465分程控制回路5PIC1467分程控制回路6LIC1408余热锅炉液位控制回路7消防泵启动控制回路表3-23．6．1、控制策略组态（CM）：控制策略组态组态软件-ControlBuilder，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ControlBuilder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HoneywellPKS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3-22、克牢斯→NO：2CBA→NO：3CBA→NO：1CBA→灼烧炉图3-33、克牢斯→NO：3CBA→NO：1CBA→NO：2CBA→灼烧炉图3-43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（4～20mA）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AB→A（＞95%）,AB→B（＜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ProfitLoop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ProfitLoop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ProfitLoop，效果良好。3．6．2、监控组态（HMI）：HMIWEBDisplayBuilder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，ACTIVEX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(EmergencyShutDown)棗SM（SafetyManager）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(EmergencyShutDown)棗SM（SafetyManager）系统，与DCS系统棗HoneywellPKS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FSCNavigator和FSCSOE软件完成组态、维护，ESD系统与HoneywellPKS系统之间采用自适应10M/100MEthernet通讯，在DCS中实时记录历史。FSCSOE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。4．1、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AIR21010532302AI8101011088820DIR9SDI-16241448064DOR10SDO-0824805426表4-14．2、逻辑控制功能组态：依据因果关系表、ESD点火逻辑原理图、在SMApplicationEditor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FunctionBlock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4-2ESD点火逻辑原理图：图4-3因果关系表：图4-4SM（SafetyManager）分为Configuration离线组态和Online在线监测，在Configuration中组完态，ApplicationCompiler无误下装后，可以在Online中ApplicationViewer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DCSHMI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4-65.SCADA系统：HoneywellPKS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HoneywellPKS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MODBUSRTU通信协议，RS485接口101高H2S分析仪1012脱水装置（1300单元）水露点分析仪101三甘醇再生重沸器燃烧设备1513硫磺回收装置