大型高含硫天然气净化厂仪表控制系统优化改造与应用

郑　磊

(中国石化达州天然气净化有限公司ꎬ四川达州　６３６１５６)

　　摘　要:针对高含硫天然气净化厂集散控制系统(ＤＣＳ)、安全仪表系统(ＳＩＳ)在日常生产运行、检维修等方面存在的问题进行分析研究ꎬ并提出了可行性建议ꎮ通过实施控制系统软硬件升级、分区改造等ꎬ保障了控制系统的安全可靠ꎬ确保了装置的长周期运行ꎮ

关键词:集散控制系统ꎻ安全仪表系统ꎻ高含硫天然气净化厂ꎻ分区改造ꎻ安全可靠

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２￣７９３２.２０２０.０５.００５１　概况

料ꎬＨ２Ｓ和ＣＯ２平均体积含量分别为１４％和８％ꎬ年净化天然气能力１２０×１０８ｍ３ꎬ年产硫黄能力２４０×１０４ｔꎬ是我国“十一五”国家重点工程“川气东送”置ꎬ是我国最大的高压高含硫天然气净化厂[１]ꎮ

国内某天然气净化厂以高含硫天然气为原

的连续监测控制以及安全联锁关断ꎮ２.１　集散控制系统

采用日本横河机电有限公司的ＣＳ３０００集散控制系统对工艺装置、辅助设施、公用设施进行集中检测控制ꎮ共有２７套系统ꎬ５４台操作站ꎮ２.２　安全仪表系统

承担着净化厂一、二、三、四级联锁系统ꎬ保证在危险情况下能够有效、迅速关断ꎬ防止事故的发４１ｑ组合的ＳＩＳ系统ꎬ联锁点多、逻辑复杂ꎮ３　控制系统存在问题分析

３.１　公用工程装置ＤＣＳ及中控室ＳＩＳ系统无法停机检修

净化厂６套联合装置相对ꎬ采取“３年一修”模式ꎬ每年检修２套联合ꎬ同时对联合装置的ＤＣＳ、ＳＩＳ进行检修ꎬ评估系统运行状况ꎬ消除设备隐患ꎮ

公用工程装置受川气东送连续供气影响ꎬ一直保持连续生产ꎮ循环水场、动力站、火炬单元各只有１套ＤＣＳ控制系统ꎬ中控室只有１套ＳＩＳ系统ꎬ且已连续运行多年ꎬ从未进行控制系统停工检修ꎬ存在系统性能下降、腐蚀、故障频发等问题ꎮ收稿日期:２０２０￣０１￣０６生ꎮ净化厂共采用２５套德国ＨＩＭＡ公司５１ｑ及

的气源地ꎮ净化厂共建设６套联合１２系列净化装

天然气净化厂生产装置全部采用集散控制系

统(ＤＣＳ)与安全仪表系统ＳＩＳꎬ以实现自动化控制ꎮ由于连续生产的ꎬ自２００９年投产以来ꎬ净化厂面临着公用工程装置ＤＣＳ系统/中控室ＳＩＳ系统无法停机检修、系统故障率增加、系统软硬件无法更新等问题ꎮ针对上述问题开展分析研究ꎬ提出建议ꎬ实施整改ꎬ保证了装置的安全平稳运行ꎮ２　控制系统简介

天然气净化厂生产装置采用集散控制系统、安全仪表系统以及多套ＰＬＣ相结合的控制方式ꎬ高度集成ꎬ工位点多ꎬ逻辑复杂ꎬ以实现装置生产

作者简介:郑磊ꎬ工程师ꎬ２００９年毕业于中国地质大学(北京)测控技术与仪器专业ꎬ现主要从事高含硫天然气净化装置仪表设备管理、控制系统管理及安全防护等方面的工作ꎮ　２２ＳＡＦＥＴＹＨＥＡＬＴＨ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ

２０２０年第２０卷第５期

郑磊.大型高含硫天然气净化厂仪表控制系统优化改造与应用

安全技术　　

由于系统涉及面广ꎬ一旦发生问题ꎬ将导致全厂停工ꎬ外供产品气中断ꎮ

３.２　控制系统操作站硬件无法采购、软件无法更新

净化厂ＤＣＳ系统从２００９年投产已连续运行多年ꎬ操作站、工程师站、历史服务器和ＯＰＣ服务器为２００７年产品(见表１)ꎬＤＣＳ控制系统应用软２９００、操作站ＤＥＬＬＰｒｅｃｉｓｉｏｎＴ５４００、ＤＥＬＬＰｒｅｃｉ￣件ＣＥＮＴＵＭＣＳ３０００运行在服务器ＰｏｗｅｒＥＤＧＥ

ｓｉｏｎＴ５５００上ꎬ操作系统为ＷＩＮＤＯＷＳＸＰＳＰ２ꎮ

常采购[２]ꎮ现有ＤＣＳ控制系统应用软件ＣＥＮＴＵＭ

目前原选型计算机硬件已停产ꎬ备件不能正

ＣＳ３０００系统运行在ＷＩＮＸＰ系统上ꎮ由于ＷＩＮ

ＸＰ系统从２０１４年４月８日起已经停止更新ꎬ且升级后的操作站及工程师站仅支持ＷＩＮ７操作系统ꎬ服务器和操作站只能支持同期的操作系统ꎮ最新ＣＥＮＴＵＭＶＰ无法运行在ＷＩＮＤＯＷＳＸＰ操作系统上ꎮ

表１　净化厂ＤＣＳ、ＳＩＳ控制系统软硬件配置

序号１２控制系统名称集散控制系统(ＤＣＳ)安全仪表系统(ＳＩＳ)操作站/工程师站型号ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００操作系统软件版本ＷＩＮＸＰＷＩＮＸＰ应用软件版本ＣＥＮＴＵＭ３０００ＥＬＯＰＩＩ３.３　公用工程装置控制系统故障增多

受连续生产ꎬ公用工程装置控制系统无法停机检修ꎬ控制系统运行情况无法准确评估ꎮ现主要存在网络通讯故障、卡件故障、系统运行负荷过高等安全隐患ꎮ正常生产中ꎬ采取在线监控、加强巡检等手段评估系统运行情况ꎮ４　解决方案

４.１　控制系统软硬件升级

改造[３]ꎬ３７台操作站主机更换为ＤＥＬＬＴ７８１０ꎻ１３台工程师站主机其中１２台更换为ＤＥＬＬＴ７８１０ꎬ１

对全厂ＤＣＳ操作站及服务器进行软硬件升级

台更换为ＤＥＬＬＴ６３０ꎮ所有操作站/工程师站的操作系统软件由ＷＩＮＸＰＳＰ２升级为ＷＩＮ７６４位中文操作系统ꎬ应用软件由ＣＳ３０００升级为ＣＥＮＴＵＭＶＰ(见表２)ꎮ

历史服务器、ＯＰＣＳｅｒｖｅｒ主机更换为ＤＥＬＬ

Ｒ８２０ꎬ操作系统软件由ＷＩＮＤＯＷＳＳＥＲＶＥＲ２００３升级为ＷＩＮＤＯＷＳＳＥＲＶＥＲ２００８ꎮ

全厂ＳＩＳ系统２５台操作站及工程师站主机更换为ＤＥＬＬＴ７８１０ꎮ所有操作站/工程师站的操作系统软件由ＷＩＮＸＰＳＰ２升级为ＷＩＮ７６４位中文操作系统ꎬ应用软件升级为ＥＬＯＰＩＩＶ５􀆰１ꎮ４.２　公用工程各单元ＤＣＳ分区扩容改造

表２　ＤＣＳ系统升级前后软硬件对比

主机名称ＤＣＳ操作站ＤＣＳ操作站ＤＣＳ工程师站ＰＲＭ服务器ＰＲＭ客户端组态服务器数量/台１２２５１２１２１１１原操作系统ＷＩＮＸＰＳＰ２ＷＩＮＸＰＳＰ２ＷＩＮＸＰＳＰ２ＷＩＮＸＰＳＰ２ＷＩＮＸＰＳＰ２ＷＩＮＸＰＳＰ２升级后操作系统ＷＩＮ７６４位中文操作系统ＷＩＮ７６４位中文操作系统ＷＩＮ７６４位中文操作系统ＷＩＮ７６４位中文操作系统ＷＩＮ７６４位中文操作系统ＷＩＮ７６４位中文操作系统原机型ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００ＤＥＬＬＴ５４００/Ｔ５５００ＰＯＷＥＲＥｄｇｅ２９００ＰＯＷＥＲＥｄｇｅ２９００升级后机型ＤＥＬＬＴ７８１０ＤＥＬＬＴ７８１０ＤＥＬＬＴ７８１０ＤＥＬＬＴ７８１０ＤＥＬＬＴ７８１０ＤＥＬＬＴ６３０ＤＣＳ工程师站ＯＰＣ服务器历史服务器ＷＩＮＤＯＷＳＳＥＲＶＥＲ２００３ＷＩＮＤＯＷＳＳＥＲＶＥＲ２００８ＷＩＮＤＯＷＳＳＥＲＶＥＲ２００３ＷＩＮＤＯＷＳＳＥＲＶＥＲ２００８ＤＥＬＬＲ８２０ＤＥＬＬＲ８２０ＳＡＦＥＴＹＨＥＡＬＴＨ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ

　２３󰀁󰀂、󰀄󰀅󰀆󰀇安全技术　　２０２０年第２０卷第５期　　公用工程循环水场装置、动力站装置、火炬装置现各只有１套ＤＣＳ控制系统进行检测控制ꎬ基于循环水场、动力站、火炬单元工艺流程特点ꎬ为实现各单元ＤＣＳ控制系统能够检修ꎬ对各单元工艺进行分离ꎬ并对各单元ＤＣＳ系统进行扩容ꎬ实现各单元工艺由２套ＤＣＳ控制系统分别控制ꎮ

４.２.１　工艺分离原则对各单元相对且完全具备该单元工艺生产的设备进行分离ꎬ划分为工艺１和工艺２ꎬ２套系统分别检测与控制ꎮ对于各单元公用的设备(容器及管线上的控制点)列入公用部分(见表３)ꎬ２套系统同时检测与控制ꎮ

表３　ＤＣＳ系统工艺分离

序号１２公用工程单元循环水场动力站１＃控制器(工艺１)二循及其配套工艺燃气锅炉８３１￣Ｂ￣１０１Ｂ、Ｃꎬ除锅炉给水泵８３１￣Ｐ￣４０２Ｂ/Ｄ/Ｅ３火炬单元７３４￣Ｄ￣００３、高压火炬水封罐７３４￣Ｄ￣００６/００７火炬塔架￣１、高压火炬分液罐２＃控制器(工艺２)一循及其配套工艺燃油燃气锅炉８３１￣Ｂ￣１０１Ａꎬ除氧器８３１￣Ｄ￣４０１Ａ/Ｂ、中压锅炉给水泵８３１￣Ｐ￣４０２Ａ/Ｃ、燃油系统及发电机组火炬塔架￣２、低压火炬分液罐７３４￣Ｄ￣００５、低压火炬水封罐７３４￣Ｄ￣０１０备用分液罐７３４￣Ｄ￣００４、备用火炬水封罐７３４￣Ｄ￣００８/００９等公共部分仪表信号１＃、２＃控制器(公共部分)２套循环水系统公共部分仪表信号２套除氧水系统、蒸汽系统及辅助系统的公共部分仪表信号氧器８３１￣Ｄ￣４０１Ｃ/Ｄ/Ｅ、中压４.２.２　实现方案

配置不变ꎬ将分离出该系统的工艺２的检测控制点组态删除ꎬ相应的接入信号电缆拆除ꎬ并进行调试ꎮ

ｂ)新增控制系统(２＃控制器):配置的控ｃ)公用点部分(１＃、２＃控制器同时显示控

ａ)原有控制系统(１＃控制器):ＤＣＳ系统硬件

组态ꎬ２套系统同时控制ꎮ正常生产时１用１备ꎻ③ＤＩ(数字量输入信号):信号进入继电器线圈ꎬ通同时进入２套ＤＣＳ控制系统ꎻ④ＤＯ(数字量输出信号):２套ＤＣＳ系统ＤＯ点继电器输出到端子排ꎬ由端子排并接ꎬ端子排另一端输出一组信号到现场或去电气柜ꎮ４.２.３　系统扩容配置

根据公用工程循环水场、动力站、火炬单元分离出的工艺２的检测控制点数ꎬ结合日本横河机电有限公司硬件配置特点[４]ꎬ确定系统扩容所需１０６块(见表４)ꎮ

配置的卡件数量ꎬ共需增加点数５７９个ꎬ配置卡件过控制线圈得电、失电ꎬ输出２组开关触点信号ꎬ

２检测控制点ꎬ进行接线并组态调试ꎮ

制站及配套卡件、电源等设备ꎬ移入该系统的工艺

制):①ＡＩ(模拟量输入信号):将原有的安全栅更换为一入二出的安全栅或信号分配器ꎬ信号同时接入２套控制系统ＡＩ卡件进行显示ꎻ②ＡＯ(模拟量输出信号):现场增加相应的调节阀门ꎬ并进行

表４　公用工程各单元ＤＣＳ扩容分区改造增加的点数及卡件数量

序号１２３总计公用工程单元循环水场动力站火炬单元(１＃控制器)火炬单元(２＃控制器)ＡＩ１１５１５２　４０　３４３４１Ａ０２４　３　４　５３６ＤＩ　４３　２７　２６　２０１１６ＤＯ３１１８２０１７８６点数１９２２２１　９０　７６５７９配置的卡件数量　２５　２７　２８　２６１０６　２４ＳＡＦＥＴＹＨＥＡＬＴＨ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ

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４.２.４　系统接线组态调试

硬件配置完成后ꎬ对控制系统进行接线ꎬ程序下装ꎬ并１００％组态调试ꎬ实现公用工程循环水场、动力站ＤＣＳ系统进行检测控制、火炬单元ＤＣＳ扩容ꎬ各单元分别有２套原系统四域共８个控制站ꎮ

ꎬ循环水场、动力

站、空分空压远程火炬单元各１个控制站ꎬ全厂装置共２７个ＤＣＳ系统控制站ꎮ

实施系统扩容改造后ꎬ四域共１２个控制站ꎬ循环水场、动力站、空分空压远程火炬单元各２个控制站ꎬ全厂装置共３１个ＤＣＳ系统控制站ꎮ４.３　中控室ＳＩＳ系统分区扩容改造

中控室单元ＳＩＳ系统ꎬ采用的是德国ＨＩＭＡ公司的Ｈ４１Ｑ逻辑控制器ꎬ主要实现紧急情况下气田的一、二级联锁关断ꎬ确保装置的安全ꎮ

在原１套控制器的基础上新增１套控制器ꎬ更换辅助操作台ꎬ并对原有的２５台操作站和工程师站软硬件升级ꎬ从而实现２套控制系统分别控制净化厂东、西区装置ꎬ达到分区运行ꎬ检修的目的ꎮ５　结论

针对大型高含硫天然气净化厂控制系统存在的问题进行分析研究ꎬ提出具体整改措施ꎬ通过实施升级、分区改造后ꎬ控制系统运行速度提高ꎬ稳定性增强ꎬ故障率降低ꎬ风险减小ꎬ不再受淘汰产品的制约ꎬ同时公用工程循环水场、动力站、火炬单元ＤＣＳ控制系统扩容改造后ꎬ可实现净化厂低负荷运行工况下ＤＣＳ控制系统检修ꎮ

６　参考文献

[１]　李伟华析[Ｊ].安全ꎬ李杰、健康和环境.高含硫天然气净化装置水冷器腐蚀分

ꎬ２０１８ꎬ１８(１２):１００￣１０４.[２]　刘武改造的ꎬ齐友探索ꎬ与赵榕实ꎬ践等[.Ｊ].某大型油气田仪器仪表用ＤＣＳ户ꎬ系统升级

２０１４ꎬ３２

[３]　(４):９４￣９６.

王德贝化工管理.某气田集气处理站ꎬ２０１７ꎬ３２(１):２３７.

ＤＣＳ系统升级改造[Ｊ].

[４]　姜兆海２００９ꎬ２２(２):３９￣４１.横河ＤＣＳ＋系统升级改造２０.

[Ｊ].乙烯工业ꎬ

ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｉｎＬａｒｇｅ￣ｓｃａｌｅＨｉｇｈ￣ｓｕｌｆｕｒＮａｔｕｒａｌＧａｓＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｌａｎｔ

(Ｌｔｄ.ꎬＳＩＮＯＰＥＣＡｂｓｔｒａｃｔＳｉｃｈｕａｎꎬＤａｚｈｏｕＺｈｅｎｇ:ＴｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓＤａｚｈｏｕꎬＮａｔｕｒａｌＬｅｉ

ＧａｓＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＣｏ.ꎬｅｘｉｓｔｉｎｇ６３６１５６)

ｉｎｔｈｅｄａｉｌｙｐｒｏｄｕｃ￣ａｎｄｔｉｏｎꎬＳＩＳｏｐｅｒａｔｉｏｎꎬｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｉｎｈｉｇｈｓｕｌｆｕｒｏｆｎａｔｕ￣ＤＣＳｒａｌｐｒｏｐｏｓｅｄ.ｇａｓｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄＢｙｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｎｔ.Ｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｕｐｇｒａｄｉｎｇｗｅｒｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｔｈｅｌｏｎｇ￣ｔｅｒｍｏｐｅｒａｔｉｏｎｒｅｆｏｒｍｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓꎬｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｈｅｉｓｓａｆｅｅｎｓｕｒｅｄａｎｄｔｅｅｄ.

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