简述天然气处理装置仪控设计

袁杰

摘要：天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分，它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。目前天然气消费在世界能源消费结构中的比重仅次于石油的第二大能源。天然气是一种洁净的能源。我国具有丰富的天然气资源。随着我国西部大开发中四大工程之一的“西气东输”工程的实施，将有力地促进天然气的开发和利用。本文主要对天然气处理装置仪控设计进行分析探讨。

关键词：天然气处理装置；仪控设计

1前言

世界上已建成投产LNG大型装置160多套，液化生产能力年平均产量以20%的速度增长。世界上普遍认为液化天然气工业是当代天然气工业的革命，具有左右国际燃料贸易的能力。LNG工业在世界上已60多年的发展历史，技术成熟，已形成了从液化、储存、运输、气化到终端利用的一整套工艺，LNG工业包括生产、储存、装运、接收再气化、冷量利用、调峰等过程的完整工业体系。

2大型LNG装置的仪控系统整体架构设计

大型LNG工厂仪控系统主要包括DCS、SIS、FGS、现场仪表、智能设备管理系统、信息集成系统等，基于“现场控制-生产操作管理-系统集成-远程访问和维护”的逻辑层次，采用网络分层设计方案,从上至下，主要分为三层网络结构：信息管理层(信息中心)、生产操作层(CCR)、现场控制层(FCR)。

3大型LNG装置的仪控系统及关键子系统的设计

在大型LNG装置三个层次的仪控方案与网络设计方案中，根据LNG工厂基础自动化系统“高可靠性”、“开放性”、“可维护性”、“一致性”的应用需求，遵循以下设计原则，对现场控制层、生产操作层、信息管理层进行了详细设计。

—现场控制层（FCR）

·各功能子系统独立设置

·各系统的无缝集成

·高安全性和可靠性的软硬件支持

·完善与便利的系统现场维护支持

—生产操作层（CCR）

·统一的生产操作和监控平台

·可靠的多服务器分类存储和统一访问平台

·高等级的多层安全防护网络

·安全的数据访问支撑

—信息管理层（信息中心）

·灵活的软硬件集成应用

·可靠的防病毒方案

·高安全的远程访问机制

·方便的远程智能设备管理

3.1现场控制层

大型LNG装置的现场控制层主要包括DCS主控制系统及安全仪表系统(SIS)、压缩机组控制系统(CCS)、火气监控系统(FGS)、振动检测系统(VMS)、视频监控系统(CCTV)等各控制功能子系统。在大型LNG装置中，作为全厂级的系统控制平台，PCS/DCS完成常规控制和整体监控平台，同时完成部分的先进控制和优化控制策略，而大部分的大型、专用设备由专用的设备控制系统来进行控制（如压缩机组控制系统、汽机控制系统等）。现场信号以常规I/O或智能I/O的形式接入各功能控制系统；各子功能控制系统通过冗余通讯的方式和DCS控制系统进行通讯。基于网络高可靠性要求，在设计中应将各功能控制系统分别配置独立网络、独立工程师站；确保各功能子系统不会互相干扰，并通过冗余光纤以星型或总线环网的方式布线至中央控制室（CCR）中。

3.1.1DCS主控制系统

DCS控制系统是工程基础自动化层的核心系统，在大型LNG装置中，DCS系统除完成全厂自动化的基础控制和生产操作以外，同时作为主控制系统连接其他各功能子系统，实现全厂的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的全集成的综合自动化工程。

3.1.2SIS控制系统

出于安全生产考虑，大型LNG装置中均应设立独立的安全仪表系统（SIS），对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护，使生产装置进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可以接受的最低程度，以保证人员、设备、生产装置和环境的安全。

LNG装置的SIS系统除完成常规的整体装置联锁控制外，还需要完成非常核心的离心式冷剂压缩机等设备的紧急联锁停车保护功能，以及重要设备参数的报警和处理等。典型的SIS系统主要包括检测部分、逻辑控制单元和最终执行部分，再配合相应的软件组成；符合IEC61508标准并至少通过TüV6/IECSIL3等级认证。通常与过程控制系统(如DCS系统)有冗余通讯要求，共同组成生产装置的过程仪表控制系统[6]。

3.1.3CCS控制系统

针对大型LNG装置的离心式压缩机等设备的控制，应配置独立的压缩机组控制系统（CCS），同样的，CCS系统一般均采用符合IEC61508标准或者TüVAK1~AK6/IECSIL1~SIL3等级认证的安全仪表系统产品。

3.1.4FGS控制系统

火气系统(FGS)能有效地监测和预防火灾、爆炸及人员中毒等事故的发生，保障人身和设备的安全。将现场火灾和可燃气探测报警信号接入具有TUV安全认证的PLC系统中进行显示、报警和联锁控制等。每个建筑物内（如CCR、ITR'S、办公楼等）有自己的火灾报警系统，其中火灾报警控制器通过Modbus进FGS系统。火气系统（FGS）配置独立的工程师站及操作员站。

3.1.5辅助控制系统

大型LNG装置辅助控制系统主要包括振动监测系统（VMS）、废水处理系统等。振动监测系统（VMS）能对大型特殊机械设备如机组的运行状态做监测及分析，不仅可以随时反映机械设备的故障及故障程度，而且可以预示今后什么时间机器的故障达到不可接受的程度而应停机维修。振动监测系统一般由振动检测模块及配套电源、检测探头组成，无独立监控HMI，需要通过标准Modbus信号通讯至DCS进行集中监控。废水处理系统作为独立子单元配套PLC进行控制，可以通过Modbus及Profibus-DP协议和DCS进行通讯。

3.2生产操作层

LNG装置仪控系统生产操作层的主要功能是完成全厂装置的仪控系统监控、操作、数据记录、报警处理、打印、系统管理和维护等功能，同时提供硬手操功能。

通常，各FCR的功能子系统通过冗余光纤以星型连接方式将海量数据汇总至中央控制室（CCR），从总体的生产操作管理来说，CCR根据功能区分原则，建议可划成四个分区：工程师区、操作员区、服务器区、外部数据区。同时，根据不同的设计和管理要求，可配置大屏幕系统、时钟同步系统等。由于SIS系统与FGS系统在CCR中有硬手操的功能需要，根据实际应用需求，一般在CCR中同样会配置SIS与FGS的控制柜硬件系统，接收硬手操的物理信号，同时通过远程通讯的方式，与现场控制层进行连接，实现对SIS系统或FGS系统的远程控制功能。

3.3信息管理层

大型LNG工程项目一般具有工程建设周期长，生产运营期长等特点，有大量的天然气液化厂及其配套工程的图形、图像、数据、文档、报表需要进行信息化处理，同时各类信息需要及时、准确的交互、协调和沟通。大型LNG装置的MES系统建立了生产信息集成和功能集成管控一体化平台，建设综合信息集成平台（工厂模型管理）、实验室信息管理、生产过程监控、生产计划优化、生产调度优化、操作管理、生产分析、能量管理、储运管理以及生产信息综合展示平台（包括各种生产数据展示、统计报表等）等功能模块，通过提升工厂的生产管理与操作水平，实现了综合信息管理，降低了原料与能量消耗，提高产品产量与质量，提高生产效率，使企业效益最大化。

4总结

本文提出的面向大型LNG装置的仪控系统设计方案，实现了综合信息管理，提高了产品产量和质量，提升了工厂生产效率，满足了大型和超大型项目的建设需要。

参考文献：

[1]赵文洁，陈钢．HCNG加气站的设计与实现[J]．中外能源，2013，18(7)：25-27

[2]李勇，马凡华，刘海全等．HCNG发动机掺氢比选择试验研究[J]．车用发动机，2007(2)：14-17．