國產控制系統在浮式液化天然氣接收站的應用

翟建勇 蒙緒飛 洪 濤

(1.中國海洋石油總公司，北京 100010；2.浙江中控技術股份有限公司，杭州 310053)

我國的能源結構為“多煤少氣貧油”。為減少利用煤炭資源對環境造成的負面影響，我國未來能源戰略將逐漸調整為減少煤炭的使用，大力發展天然氣資源。而天然氣資源有限，產量遠小于需求，大量進口成為主要發展趨勢[1～3]。由于天然氣的跨洋長距離輸送，多采用液化天然氣(LNG)船運輸。LNG接收站作為海上引進天然氣的終端，同時擔負陸上天然氣供應的氣源，其重要性不言而喻。LNG利用是一項投資十分巨大、上下游各環節聯系十分緊密的鏈狀系統工程，由天然氣開采、天然氣液化、LNG運輸、LNG接收與汽化、天然氣外輸管線和天然氣最終用戶6個環節組成，任何環節出現問題都將使整個系統停車，而且必須對上下游環節做出巨額賠償[4]。LNG接收站作為LNG項目的核心環節之一，對其工藝與設備的安全性和可靠性有著非常高的要求，同時對其控制系統的要求也極為嚴格，需要達到極高的可靠性。

中海油天津浮式LNG項目為中國試點清潔能源浮式技術重點項目。該項目通過對碼頭部分、綜合控制中心(CCR)和管輸部分的設計構建，保證了LNG系統的可靠性與安全性。其中，通過對碼頭和CCR部分的過程控制系統(PCS)、安全儀表系統(SIS)和火氣檢測系統(FGS)的合理構建，在保證系統獨立性的前提下實現了系統融合；通過數據采集與監視控制系統(SCADA)對管輸部分的控制管理，進行系統生產數據的采集，為系統信息化提供基礎保障；同時，利用所采集的生產數據，進一步實現了生產信息管理系統，使系統可以利用當前準確的數據對生產及時進行指導，并對相應事件進行處理，實現了管控一體化功能，進一步保證了系統的可靠性與安全性。

1 總體設計①

1.1 網絡結構

為了保證浮式LNG接收站的安全性，采用PCS對整個生產過程進行集中監控和操作；采用SIS系統實現緊急停車和安全聯鎖功能；采用FGS系統預警火災和爆炸事故，保護人員和設備安全。同時，利用PCS與SCADA系統將全廠的重要數據通過隔離區(DMZ區)的服務器向企業管理網傳輸，實現了整個項目的管控一體化。天津浮式LNG接收站的結構如圖1所示，由綜合控制中心CCR、LNG卸船碼頭控制室JCR01、浮式碼頭控制室JCR02、分輸站和閥室5個機柜間組成。CCR是陸上汽化站和罐區的控制室，同時實現對全廠控制系統的監控；JCR01負責監控LNG碼頭各卸料臂的狀態、卸料管道狀態和LNG取樣分析；JCR02負責監控浮式碼頭各卸料臂的狀態和浮式汽化船的外輸管線狀態；分輸站和閥室實現管輸控制。

圖1 天津浮式LNG接收站控制系統結構簡圖

為了實現全廠控制系統的統一監控，JCR01與JCR02通過光纖與CCR連接；閥室、分輸站與首站(CCR)采用電信專用網絡連接；現場的PLC通過Modbus通信與PCS連接。所有控制系統的數據可以在CCR進行實時監控。

1.2 系統融合方案

為了進一步加強LNG系統的安全性，通過Modbus對SIS、FGS和PCS在物理上進行集成，實時對系統信息進行維護管理。3個系統共用工程師站、操作站和PCS人機界面。PCS上位機設置SIS和FGS操作小組，有專用的HMI界面，給操作員提供直觀的安全聯鎖和火氣報警監測信息。SIS和FGS的數據除進自身SOE外，也保存在PCS的歷史數據庫中。所有在PCS上位機的操作都保存在冗余的操作記錄服務器中，以便于查詢各系統的維護信息。

PCS控制程序、SIS聯鎖程序和FGS報警程序平行執行且相互獨立。FGS和SIS下位機組態也采用專用工程師站，保證系統組態下載的獨立性。正常情況下SIS處于靜態，不需要人為干預。作為安全保護系統，其安全級別高于DCS，凌駕于生產過程控制之上，實時在線監測裝置的安全性。只有當生產裝置出現緊急情況時，不需要經過DCS，而直接由SIS發出聯鎖保護信號，對現場設備進行保護[5]。

1.3 第三方異構通信

由于LNG接收站工藝的特殊性，全廠控制系統含有很多獨立的子系統，如靠泊系統、LNG卸料臂、CNG卸料臂、取樣分析儀表及BOG壓縮機等。這些設備均為獨立的成套設備，現場可完成其控制功能。然而，傳統LNG接收站沒有合理的第三方異構通信系統，無法在保證各子系統獨立性的前提下將系統整合。筆者通過硬接線和通信兩種方案，將分散的第三方設備數據通信接入PCS，提高了LNG接收站的監控能力。

在天津LNG項目中，第三方設備中參與聯鎖控制的數據通過硬接線方式進入PCS等，而其他數據通信到PCS中，這既保證了控制的安全可靠，又保證了監測信息的完整。操作員在PCS可以對全廠的儀表和控制系統進行監控，有效地降低了人力資源成本。該項目采用中控ECS-700過程控制系統，該系統具有開放的通信接口，可以很方便地與各種國際規約通信協議的其他設備交換數據。以ECS-700為核心，與各功能裝備的專用控制設備進行通信，實現了信息集成。各專用控制設備及其相關通信協議見表1。

表1 PCS主要通信設備及其通信協議

2 管控一體化方案

化工廠的管控一體化可以通過網絡實時獲取生產數據，為管理者制定計劃提供依據。當生產事件出現時，能及時做出反應并提供數據分析，同時可用當前的準確數據對生產進行指導并處理相關事件。為了實現管控一體化，系統通過配置OPC服務器為管理網提供準確的實時數據，利用生產信息管理系統軟件PIMS以Web實時發布生產信息。管理者可以用IE通過企業管理網登錄Web服務器，查看實時生產信息。

天津LNG項目配置了一臺OPC服務器兼Web發布服務器。該服務器從PCS和SCADA獲取數據并輸出至企業管理網。企業信息中心的ERP平臺可以通過OPC協議從服務器獲取數據，并作出分析。其網絡結構如圖2所示。

圖2 管控一體化結構簡圖

3 系統測實驗證

天津浮式LNG項目按計劃順利投運，投運以來實現了無故障連續對外輸氣，裝置的控制系統運行狀況穩定，未出現設備和工況異常現象，完全滿足安全生產的要求。

4 結束語

通過對LNG接收站的碼頭部分、CCR部分和管輸部分的構建，在保證各信息系統獨立的情況下，實現了系統信息的有效融合和異構通信，改善了傳統LNG接收站無法有效管理信息的弊端。通過建立管控一體化方案，給下游環節提供了實時有效的產量數據，為生產調度的決策提供數據支持。實際工況下的測試結果也證明該系統能夠很好地滿足生產需求，提高了系統的安全性與可靠性。