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案例详细
标题 福建LNG接收站及分输站的一体化自动控制
技术领域工业无线
行业石油天然气
简介
内容     一、福建LNG项目描述

    天然气的主要成分是甲烷（CH4）。常压下将天然气冷却到-162℃左右，可使其变为液体即液化天然气（LNG）。LNG的体积约为其气态体积的1/600，液化后的天然气则更有利于远距离运输、储存及利用，因此，LNG已成为现今远洋运输天然气的主要方式。

    LNG通常由专用运输船从生产地输出终端运到目的地接收终端，经再气化后通过输气管线外输至用户。目前，已形成了包括LNG生产、储存、运输、接收、再气化及冷量利用等完整的产、运、销LNG产业链体系，其示意图见图1。

                                            图1  LNG产业链体系

    福建LNG项目有1座LNG接收终端和约360公里的输气管线，是第一个由国内企业自主管理建设和自主运营维护的项目。自2009年起，该项目用气由印尼东固气田供应，计划每年进口量为260万吨。输气管线途径福建省东南沿海福州、莆田、泉州、厦门、漳州5个地市，供气对象主要有5个城市燃气公司和3个燃气电厂。

    二、LNG接收终端和长输管线工艺系统

    LNG接收终端工艺系统

    LNG接收终端一般由LNG卸船、储存、再气化/外输、蒸发气处理、火炬/放空5部分工艺子系统组成，其示意图见图2。

                                           图2  LNG接收终端工艺系统

    LNG卸船与存储。LNG运输船靠泊码头后，经码头上卸料臂将船上LNG输出管线与岸上卸船管线连接起来，由船上储罐内的输送泵将LNG输送到终端的储罐内。随着LNG不断输出，船上储罐内气相压力逐渐下降，为维持其值恒定，将岸上储罐内一部分蒸发气经回流管线及回流臂送至船上储罐内。在非卸船期间，由岸上储罐输送泵出口分出一部分LNG保冷管线，通过保冷管线返回。

    LNG再气化与外输。储罐内LNG经罐内输送泵加压后部分LNG进入再冷凝器液化一定量的蒸发气。从再冷凝器中流出的LNG与来自低压泵的另一部分LNG混合后由高压泵加压进入气化器中蒸发，气化后的天然气通过输气管线经计量设施分别计量后输给下游用户。为保证罐内输送泵、罐外高压外输泵正常运行，泵出口均设有回流管线。当LNG输送量变化时，可利用回流管线调节流量。在停止输出时，可利用回流管线打循环，以保证工艺系统处于低温状态。

    LNG蒸发气处理与火炬/放空。蒸发气处理系统保证LNG储罐在一定压力范围内正常工作。储罐中设置压力变送器，并分别设定几个等级的超压值及欠压值，当压力超过或低于各级设定值时，蒸发气处理系统按照压力设定值进行相应动作，以控制储罐气相压力。为防止LNG储罐在运行中产生真空，在流程中配有真空补气系统。

    长输管线工艺系统

    长输管线由输气干线/支线、阀室和分输站组成。分输站内进行天然气的过滤、计量、加热和调压后输送给下游用户，包括城市门站和电厂。阀室则用来对管线进行截断。分输站工艺系统如图3所示。

                                           图3  分输站工艺系统

    三、LNG控制系统

    因为LNG项目工艺复杂，控制系统包括DCS、ESD、F&G和SCADA，既有就地操作控制又有远程监控系统，如何实现多系统的整合成为这个项目的技术难点。

    由于对接收终端内的泵直接操作，联动调度控制系统被内置于接收终端的DCS系统内。DCS和SCADA两个系统之间信息交流的畅通是综合设计考虑的重点问题。目前，各个不同厂家的DCS系统与DCS控制器内部通信协议多为自己开发的通信协议，不具备开放性，而SCADA系统则采用公认标准的通信协议与控制器进行信息沟通，具有很强的开放性和兼容性。要将SCADA系统和DCS系统整合在一起并非易事，尤其是整合不同厂家的系统更是难上加难。因此，在控制系统采办之初可考虑两个系统采用同一家厂家的产品，以降低整合系统的难度。福建LNG项目采用ABB公司的800xA DCS软件和SCADA Vantage软件分别作为LNG接收终端的DCS系统软件平台和输气管线的SCADA系统软件平台，接收站DCS、ESD、F&G都统一在800xA系统平台；输气部分能轻松实现中控和站控的同时监控功能。两者之间通过OPC通信协议互相交换数据，可做到无缝通信。

    LNG接收终端控制系统

    接收终端的自动化系统按控制区域可分为中心控制系统和码头控制系统，中控和码头各包括一套DCS系统、一套ESD系统和一套F&G系统。中控部分的控制对象是储罐、压缩机、再冷凝器、ORV、海水等除码头外的所有装置。

    集散控制系统DCS(Distributed Control System)是LNG接收终端的主要自动化系统，实现接收终端的工艺流程控制和监测，系统主要还包括以下2个独立的部分：紧急停车系统（ESD）：接收终端紧急停车隔离的联锁系统；火焰/气体监控系统（F&G）：探测火焰和LNG/NG泄漏系统。

    接收站DCS系统主要实现以下功能：

    1. 对生产工艺进行实时监控，如压力、液位、温度和流量等

    2. 动态显示接收站的生产流程、主要工艺参数及设备运行状态

    3. 对异常工况进行报警并打印记录备案、存贮重要参数

    4. 在线设定、修改工艺控制参数，对阀门、泵等设备进行远程操作

    5. 监控LNG卸船、储存、气化及天然气的外输和计量

    6. DCS还与以下系统保持实时通讯以完成对整个接收站生产信息的统一管理

       LNG储罐数据采集系统

       BOG压缩机

       罐内泵、高压泵振动监测系统

       外输管线SCADA控制系统

       码头靠泊系统

       船岸通讯系统

       PMS系统

       天然气分析仪

       槽车装车控制系统

       电解氯系统

       海水系统

       贸易计量系统

       紧急停车系统（ESD）

       火气系统（F&G）

    接收站的ESD系统选用ABB的安全控制系统，安全等级为SIL3。在出现工艺扰动或由于其他原因而导致的对人员安全、环境、设备、构成威胁或可能造成较大经济损失时，系统立即启动相应联锁保护，以防止危险的发生或事故的扩散。

    ESD系统主要实现以下功能：

    1. 通过ESD按钮手动触发紧急关停以隔离各个单元工艺设备

    2. 通过系统的自动检测仪表触发紧急关停，对于输入信号均经过系统表决以确保报警或关停信号的有效性

    3. 紧急关停的复位，连锁触发条件必须经人工确认并复位后，系统才能恢复正常状态以保证生产的安全

    4. 联锁旁路，ESD系统还提供了维修旁路和操作超驰按钮，用于在不影响正常生产的情况下对设备进行在线测试和工艺系统初始启动时关停信号的旁路，在旁路允许开关处于允许位置时，在ESD界面进行旁路操作

    接收站的F&G系统选用ABB的火气控制系统，安全等级为SIL3。用于探测和报告火情、危险气体的泄漏及LNG的泄漏，以便及时采取相应措施如隔离生产设备，启动消防泵、阀，开启泡沫或消防喷淋装置。

    F&G系统主要实现以下功能：

    1. 采集并显示可燃气体及火灾探测器的工作状态

    2. 检测LNG泄漏，可燃气体泄漏及火警并以声光形式对探测到的异常状态报警

    3. 采集并显示消防设备的及辅助设施的工作状态

    4. 执行紧急切断逻辑，显示紧急切断报警信号

    5. 消防设备的联动

    6. 向ESD输出紧急停车信号

    输气管线控制系统

    输气控制部分选用ABB SCADA Vantage,SCADA系统是输气管线的自动化系统，主要包括主、备调度控制中心，若干分输站的站控系统和远控阀室RTU系统。各分输站和阀室与控制中心通过主、备用通信线路进行数据交换，以确保SCADA系统数据通信的可靠性和安全性。SCADA系统支持MODBUS TCP/IP、OPC等多种通信协议。

    整合后的系统中，SCADA系统除对输气管线的分输站和远控阀室进行数据采集和控制外，还通过标准通信协议，如：OPC协议或是MODBUS TCP/IP，从DCS系统中采集接收终端运行的主要工艺参数以及LNG储罐液位、槽车外输量等数据，视其为SCADA系统的一个“分输站”，可实现对接收终端生产操作进行实时监视并通过WEB服务器供Intranet/Internet用户监视接收终端和输气管线的生产操作情况。同时，SCADA系统可从WEB服务器中收集下游用户的每日、每周、每月以及年提气计划和上游LNG运输船的运输计划连同各分输站外输量等数据传给DCS系统。通过防火墙，被授权的用户可以通过Internet网络登录WEB服务器提交和修改其提气计划。DCS系统的联动调度功能将根据储罐液位，LNG运输计划以及下游用户的提气计划来进行输气预测和分配，并根据接收终端外输给输气管线的入口压力和输气管线的管存量来调度控制接收终端的外输量。如图4所示。

                                            图4  联动调度控制

    联动调度控制逻辑中，DCS控制器首先判断外输压力是否在最小和最大操作压力范围内。操作压力高报（约为最大操作压力的90%）则进行减输操作，超过最大操作压力则ESD系统将进行外输紧急切断操作；若操作压力低报（约为最小操作压力的110%）则进行增输操作，低于最小操作压力则进行增输操作，并发出报警。

    然后，DCS控制器计算接收终端输出量与各分输站输出总量之差，估算输气管线内的管存量，并根据最近2小时内的提气计划，计算目前的外输量加上管存量在2小时后是否能满足需要，若无法满足则进行增输操作，若可以满足则保持外输量不变。

    系统再判断在增输或是减输操作时，若提气计划中最近2小时内无较大用气量的波动时只需开启或是停止1台高压泵，若变化量高于1台高压泵的最大外输量时则需开启或是停止2台高压泵，依次类推。增输或是减输操作时，还需根据外输量进行低压泵和海水泵等其它相关工艺设备的操作，当MCC（马达控制中心，包括对低、高压泵以及海水泵等的控制）控制无法满足控制逻辑的需要时，DCS控制器将自动发出报警以通知操作员进行人工处理。

    根据LNG运输船的运输计划，从当前到LNG运输船卸料期间判断LNG余量是否能满足输气管线外输计划量，无法满足则发出报警提醒操作员应与下游用户协商调整用气计划；另外，系统还需判断LNG运输船到达开始卸料时罐内是否具有足够的空间容纳该船LNG的卸货量，无法满足则发出报警提醒操作员应与下游用户协商调整提气计划或通过其它方式（如：槽车运输）多提气以使在LNG船到达卸料前留出足够的空间。

    四、控制系统总体结构

    控制系统的拓扑结构如图5所示，主控中心的接收站控制系统和分输站控制中心实现数据通信。分输站控制中心可以对各个分输站及阀室进行控制。服务器、控制器和网络均为冗余配置，保证了系统的安全。

                                         图5 福建LNG自控系统网络结构图

    五、控制系统技术特点

    800xA系统

    800xA提供了一个可视化的环境，为你的工程设计、控制策略组态、流程图绘制、信息管理、资源优化、现场设备集成提供了简单而又强大的工具和灵活的分布式工程环境。

    流程图功能设计

    800xA的流程图设计可以使你的工程师成为一个“工程师”而不是“程序员”。自动化的流程图设计使工程变得非常简单实用。由于流程图的设计是基于功能的，所以你不必对控制器和I/O有深入的了解就可以设计。另外，800xA还支持在线监测和整定功能。

    过程可视化

    运用800xA的综合库中的预定义的元素和符号，用户可以方便地定制交互式的流程图。系统还支持位图、照片和第三方的图像元素。

    现场总线管理

    现场总线管理包括HART、Foundation Fieldbus和Profibus，为工程师提供一个方便的总线设计工具，这个工具集成了上至网络拓扑，下至现场元素，如设备参数、应用程序计划、试车和详细的诊断信息。

    批量数据管理

    800xA系统的批量数据管理利用微软的Excel和Excel ADD-INS,允许外部数据的自动导入，如信号列表，标签名或文档。可以在任何时候将系统数据导出，进行验证和修改。

    灵活的报表生成和分发

    800xA支持灵活多样的报表功能，报表的格式是一种熟悉的易于使用的格式。不仅可以完全满足工厂和文档的需求，而且对用户的决策、计划来说都是一个可以改进性能的强大工具。

    完善的数据转换

    用户定义的数据架构和运算提供了强大的、可多次复用的算法和程序。用户可以以此将原始数据转换成信息，如KPI（关键性能指数）、原料属性和完善的控制支持。数据架构也可以用来将外部数据集成到系统中来。

    安全的历史数据存储和读取

    容错的分布式数据结构保证了可靠的数据存储和可用性，用户对这些数据访问是有权限限制的，同时这些数据可离线存储。电子数据符合企业需求，为决策提供可靠的依据。

    集成的管理和组态

    嵌入的历史数据处理功能采用系统内在的组态和管理。这允许单点改变的管理，消除了多个数据库不一致而需要另外工程复制的风险。

    保证批量生产的持续性、确保稳定的产品质量和生产周期

    800xA批量管理提供无与伦比的处方管理、批量控制及程序控制，遵守行业规范、安全性和可靠性。它不仅针对日益增加的产品要求，为您提供敏捷的、快速的、可控制的响应、同时减少运营成本；减少生产停工，从而在市场上获得长期的竞争优势。

    SCADA Vantage系统

    SCADA Vantage系统针对应用于特殊工业的解决方案为从单一节点模式安装到多服务器系统提供了可扩展性和开放性。加之，解决方案的执行所依据的是基于客户/服务器原理和冗余的面向目标系统。通过可组态的授权系统提供安全保证，防止未经授权的人员进入系统。通过如ODBC、COM、OPC和OLE的标准可以与系统进行开放性通讯。除了这些先进的特点之外，还具有冗余配置的完善的前端通信，以及当遇到通信中断时使用远程设备进行自动切换的功能。

    系统改进了管线设施和增压站的利用效率、结果是加快了周转，增强了功能。产品能够以最短的时间和最低的成本从生产地运送到消费地。ABB提供的解决方案保持尽可能低的运行费用。

    特点：

    冗余、开放的架构

    面向目标的实时数据库

    集成的历史记录服务器

    集成的管线模型，先进的流程图

    从单节点设备到多服务器系统的可扩展性

    在整个系统和应用中调用的直观组态工具

    支持OPC和工业标准的通信协议，例如IEC 870－5－101/104和DNP3.0

    能简单地与管线站控自动化解决方案相集成

    六、总结

    福建LNG投用以来，成功、顺利地接收了第一船LNG，比预期计划节省一周时间。优化的控制方案为LNG每月节省数百万元。天然气已经输送到莆田、惠安、泉州、宏路等站，下游的用户已经用上了福建LNG提供的天然气。

    充分利用自动化控制技术和信息处理技术，将不同但关联的生产工艺控制系统进行整合，实现之间的联动调度控制，提高生产调度的工作效率，避免人为操作的不确定性，以信息化带动LNG接收终端和输气管线联动调度控制的现代化，全面提升企业的生产、经营和管理的综合能力。

    【参考文献】

    [1] 王遇冬，天然气处理原理与工艺，中国，中国石化出版社，2007

    [2] 郭揆常，液化天然气（LNG）应用与安全，中国，中国石化出版社，2008

    [3] ABB 800xA 技术资料

    [4] ABB SCADA Version 技术资料

    [5] 中国石油天然气管道工程有限公司，福建LNG站线项目输气干线初步设计，2005

    [6] CBI、中国成达工程公司，福建LNG站线项目接收站工程FEED设计，2005





                                                                              此文摘自中国工控网