Honeywell PKS在天然气净化厂的应用--控制网



Honeywell PKS在天然气净化厂的应用
企业：霍尼韦尔中国公司 日期：2010-10-24
领域：自动化软件 点击数：1681
    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： 

    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2-1

    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4.6～5.4MPa、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2-2

    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99.0～99.2%。硫磺产量为45.4t/d。

工艺流程简图（2-4）

               

                                                  图2-4

    2．5、　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。

    3．1 EPKS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。

    3．2 C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。

    3．3 FTE（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。

     3．4 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）

               

                                                     表3-1

    3．5、Experion PKS系统结构图：（-1）

               

                                           图3-1

    3．6、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）

               

                                               表3-2

    3．6．1、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（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。

    3．6．2、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。

    4．1、石河ESD联锁输入／输出点的分配如下表：

              

                                               表4-1

    4．2、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

    S M （Safety Manager）分为Configuration 离线组态和On桳ine在线监测，在Configuration中组完态，Application Compiler无误下装后，可以在On桳ine 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：


    MODBUS RTU通信协议，

               
               

                                               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。

    5．2、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。
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