倪智灝 彭亦功

(華東理工大學(xué)，上海 200237)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)和能源需求量的不斷擴(kuò)大，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)因其清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)，在化工、電力及城市燃?xì)獾裙I(yè)和民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，給世界油氣工業(yè)快速發(fā)展注入了全新的活力[1]。我國(guó)的能源市場(chǎng)在近些年也出現(xiàn)了翻天覆地的變化，對(duì)天然氣的使用越來(lái)越多，在某些領(lǐng)域甚至正在逐步代替煤和液化石油氣，因此我國(guó)現(xiàn)正在大力發(fā)展LNG進(jìn)口項(xiàng)目，在沿海各地建設(shè)LNG接收站以彌補(bǔ)天然氣需求與產(chǎn)能的不足，已成為目前中國(guó)天然氣行業(yè)較為關(guān)注的焦點(diǎn)，廣東珠海金灣LNG項(xiàng)目也應(yīng)運(yùn)而生。

由于接收站裝置內(nèi)的主要傳輸介質(zhì)為易燃、易爆物質(zhì)，儲(chǔ)存區(qū)域又遠(yuǎn)離城市，缺少消防機(jī)構(gòu)的依托，并且通常接收站建于沿海地區(qū)，一年四季天氣變化較為頻繁，尤其是夏季多雷暴雨天氣，因此，為L(zhǎng)NG接收站設(shè)計(jì)合適的火氣系統(tǒng)(FGS)，確保其工藝安全、可靠是非常重要的。

通常選擇FGS系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮：系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)潔適用，盡量減少不必要的中間環(huán)節(jié)，避免系統(tǒng)外的干擾，以此保證系統(tǒng)可靠；FGS按照獨(dú)立原則要求，獨(dú)立于DCS單獨(dú)設(shè)置，其安全級(jí)別高于DCS，并要求可以和DCS進(jìn)行通信；FGS的主要構(gòu)件應(yīng)包含控制器、工程師站及操作站等，其中，控制器的CPU、系統(tǒng)總線和卡件至少為二重化冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，安全等級(jí)應(yīng)達(dá)到TUV AK5或IEC SIL3標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)軟件和硬件先進(jìn)可靠，具有開放結(jié)構(gòu)，軟硬件具有自動(dòng)診斷功能；系統(tǒng)具有能提供事件順序的記錄功能。

西門子PCS7自帶的F System可較好地滿足這些要求，并能與DCS系統(tǒng)整合在一起，達(dá)到一體化操作，所以針對(duì)廣東珠海金灣LNG項(xiàng)目而言，選用西門子的PCS7系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建LNG接收站火氣系統(tǒng)，以確保LNG接收站安全。

1 PCS7系統(tǒng)①

西門子PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)是西門子全集成自動(dòng)化(TIA)理念的核心部分，通過(guò)該系統(tǒng)，西門子可以將客戶所有的過(guò)程自動(dòng)化整合在統(tǒng)一的平臺(tái)上，包括企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)層、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)層、過(guò)程控制層和現(xiàn)場(chǎng)層，由此促進(jìn)客戶整個(gè)公司的運(yùn)作優(yōu)化。由于其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，PCS7控制系統(tǒng)在石化行業(yè)中得到了廣泛地應(yīng)用，包括青島大煉油項(xiàng)目和撫順石化的百萬(wàn)噸乙烯項(xiàng)目。PCS7這種全平臺(tái)統(tǒng)一的自動(dòng)化方案可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而減少接口數(shù)量，并且還可以將上位機(jī)和不同的工業(yè)控制器有效地整合在一起，其功能強(qiáng)大、維護(hù)簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了工廠的全自動(dòng)化，從而明顯地提高了生產(chǎn)效率。而基于PCS7的火氣系統(tǒng)則已經(jīng)在海上石油平臺(tái)得到良好的應(yīng)用，其可以對(duì)平臺(tái)上發(fā)生的火災(zāi)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制，對(duì)氣體泄漏進(jìn)行探測(cè)與報(bào)警，對(duì)溢油等安全相關(guān)事件進(jìn)行手動(dòng)報(bào)警，在確認(rèn)發(fā)生危險(xiǎn)的情況時(shí)進(jìn)行火氣關(guān)斷和(或)啟動(dòng)相應(yīng)消防設(shè)備?；饸庀到y(tǒng)還可在人員的警示與疏導(dǎo)、消防指揮及救生救助等方面起到重要的輔助作用[2]。海上石油平臺(tái)和LNG接收站無(wú)論是周圍環(huán)境、天氣因素和傳輸介質(zhì)特性上都具有相似性，其應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)于LNG接收站火氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都有十分重要的指導(dǎo)意義。顯然，這類西門子PCS7系統(tǒng)為廣東珠海金灣LNG項(xiàng)目的安全實(shí)施提供了良好的自動(dòng)化平臺(tái)。

2 基于PCS7的LNG接收站火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 LNG接收站工藝

為了使金灣項(xiàng)目設(shè)計(jì)的LNG接收站火氣系統(tǒng)滿足安全要求，首先對(duì)接收站工藝進(jìn)行分析。LNG接收站的工藝系統(tǒng)主要包括LNG卸船、LNG儲(chǔ)存、BOG(Boil-off Gas)處理和LNG氣化/外輸系統(tǒng)，其工藝流程如圖1所示。

圖1 LNG接收站工藝流程

LNG船抵達(dá)接收站碼頭后，打開船上的卸料泵，通過(guò)液相卸船臂和卸船管線將LNG送入接收站的儲(chǔ)罐內(nèi)。卸船期間，由于熱量傳入和物理位移，儲(chǔ)罐內(nèi)會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)氣，即BOG。這些蒸發(fā)氣部分經(jīng)氣相返回臂和返回管線重回LNG船的料艙，以平衡料艙內(nèi)壓力；另一部分先通過(guò)BOG壓縮機(jī)進(jìn)行升壓，升壓之后進(jìn)入再冷凝器冷凝，然后與外輸?shù)腖NG一起經(jīng)高壓輸出泵輸入氣化器氣化成氣態(tài)天然氣，最后進(jìn)入輸氣管網(wǎng)，形成整個(gè)LNG接收站工藝過(guò)程[3]。

2.2 火氣系統(tǒng)及安全邏輯設(shè)計(jì)

LNG接收站火氣系統(tǒng)包含火焰檢測(cè)、可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)、溫度檢測(cè)、消防系統(tǒng)以及輸出(燈、喇叭、釋放按鈕)系統(tǒng)等。其主要功能要求是在火災(zāi)和低溫液體泄漏的情況下，能準(zhǔn)確探測(cè)火災(zāi)和液體泄漏的程度和事故地點(diǎn)，并在觸發(fā)聲光報(bào)警設(shè)備的同時(shí)，根據(jù)事故發(fā)生的嚴(yán)重性等級(jí)來(lái)確定是否啟動(dòng)消防設(shè)施，從而控制和避免災(zāi)難的發(fā)生，防止造成對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和人員的傷害及對(duì)環(huán)境的影響。根據(jù)其安全控制要求，系統(tǒng)主要對(duì)火焰探測(cè)器和溫度探測(cè)器進(jìn)行安全邏輯設(shè)計(jì)，其中火焰探測(cè)器要求設(shè)置在接收站的所有裝置區(qū)內(nèi)以防火災(zāi)發(fā)生；溫度檢測(cè)器則需安裝在輸送管道和氣化器周圍，從而能夠?qū)σ后w泄漏進(jìn)行報(bào)警，具體的安全邏輯設(shè)計(jì)如下：

a. 火焰報(bào)警。當(dāng)觸發(fā)單探頭火焰報(bào)警時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，提醒站區(qū)人員及時(shí)撤離；在中控室人機(jī)界面上則設(shè)計(jì)成顯示火災(zāi)報(bào)警并自動(dòng)記錄事件，而當(dāng)裝置區(qū)內(nèi)任意兩臺(tái)火焰探測(cè)探頭觸發(fā)報(bào)警時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警并自動(dòng)開啟消防閥；中控室除設(shè)計(jì)在人機(jī)界面上顯示多探頭火災(zāi)報(bào)警并記錄事件外，還設(shè)計(jì)產(chǎn)生要求控制人員手動(dòng)確認(rèn)報(bào)警的信號(hào)，由控制人員確認(rèn)后按下，從而開啟緊急停車裝置，關(guān)閉儲(chǔ)罐區(qū)所有進(jìn)液閥門，并連鎖啟動(dòng)消防噴淋水系統(tǒng)，對(duì)罐體進(jìn)行噴淋降溫，以確保罐區(qū)設(shè)備的安全。

b. 溫度報(bào)警。在每臺(tái)氣化器管道前后都設(shè)置兩臺(tái)低溫探測(cè)器，每臺(tái)溫度探測(cè)器中，當(dāng)單探頭低溫探測(cè)達(dá)-30℃時(shí)，在氣化器控制室人機(jī)界面上設(shè)計(jì)顯示低溫報(bào)警并記錄事件。當(dāng)單探頭低溫探測(cè)達(dá)-50℃時(shí)，在控制室的人機(jī)界面上設(shè)計(jì)顯示單探頭超低溫報(bào)警并記錄事件，同時(shí)設(shè)計(jì)產(chǎn)生要求操作員確認(rèn)的信號(hào)，在操作員確認(rèn)后關(guān)閉氣化器前后閥門，以確保氣化器設(shè)備的安全。

在全接收站范圍內(nèi)，當(dāng)多個(gè)低溫探頭中同時(shí)有兩個(gè)探頭檢測(cè)值達(dá)到-30℃時(shí)，不僅中控室人機(jī)界面設(shè)計(jì)顯示多探頭低溫報(bào)警并自動(dòng)記錄事件，還設(shè)計(jì)啟動(dòng)聲光報(bào)警器提醒人員撤離。當(dāng)多個(gè)探頭中同時(shí)有兩個(gè)探頭檢測(cè)值達(dá)到-50℃時(shí)，在中控室人機(jī)界面上設(shè)計(jì)顯示多探頭超低溫報(bào)警并記錄事件，產(chǎn)生要求操作員手動(dòng)確認(rèn)報(bào)警信號(hào)，同時(shí)發(fā)信號(hào)至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲(chǔ)罐的進(jìn)、出液閥和氣化器的進(jìn)口閥(圖1)，以確保氣化器設(shè)備的安全。

2.3 火氣系統(tǒng)硬件配置

2.3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置

LNG接收站火氣系統(tǒng)控制器主要使用西門子標(biāo)準(zhǔn)安全控制器AS417F-4H和AS414F-2H，并通過(guò)ET200M遠(yuǎn)程IO和冗余的PROFIBUS-DP總線電纜來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，以滿足LNG接收站工藝的安全要求。對(duì)于遠(yuǎn)程站，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與安全性，選擇光纖作為傳輸介質(zhì)，并在通信兩端分別加上一臺(tái)光電耦合器(Photoelectric Coupler，OLM)來(lái)完成PROFIBUS-DP信號(hào)與光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在每根DP電纜的起始端和終端加入一個(gè)終端電阻，以消除信號(hào)反射所帶來(lái)的干擾，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

LNG接收站的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用西門子標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器客戶機(jī)結(jié)構(gòu)且所有通道都設(shè)計(jì)成具有冗余的功能，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，控制器分布在4個(gè)不同的生產(chǎn)區(qū)域(碼頭區(qū)域、罐區(qū)、氣化器區(qū)域和行政區(qū)域)，而每個(gè)區(qū)域又都有各自獨(dú)立的系統(tǒng)總線并形成環(huán)網(wǎng)。由于西門子PCS7系統(tǒng)可以無(wú)縫連接各種不同系統(tǒng)并保證之間數(shù)據(jù)交互的安全性與準(zhǔn)確性，因此不同區(qū)域獨(dú)立環(huán)網(wǎng)中的FGS控制器都可連接至中央環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，交互后中央環(huán)網(wǎng)在與冗余服務(wù)器相連的基礎(chǔ)上，通過(guò)冗余總線跟終端環(huán)網(wǎng)連接形成整個(gè)接收站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

目前，地外天體采樣探測(cè)最為直接且最為有效的手段是無(wú)人自主鉆取采樣[1]。我國(guó)探月三期工程計(jì)劃發(fā)射一個(gè)搭載無(wú)人自主鉆取采樣設(shè)備的月面探測(cè)器，以獲得深度為2 m且保持原有剖面層理信息的月壤樣品，并將封裝的月壤樣品帶回地球[2-3]。月面探測(cè)器的一側(cè)搭載鉆取采樣設(shè)備，采樣設(shè)備主要有與探測(cè)器一同經(jīng)歷的發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月、動(dòng)力下降、月面著陸以及著陸后的鉆取采樣等6個(gè)工作階段[4-5]。鉆具可看作一個(gè)細(xì)長(zhǎng)型的簡(jiǎn)支梁，且鉆取采樣設(shè)備在飛行工作階段會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)載振動(dòng)，所以鉆具極易產(chǎn)生撓曲變形[6]。

圖2 LNG接收站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3.2自診斷功能配置

基于LNG接收站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)特定的控制回路自診斷功能進(jìn)行硬件配置是非常必要的。由于FGS為非故障安全系統(tǒng)，采用的工作模式是Energize-to-trip模式。其中，信號(hào)“1”為動(dòng)作條件，信號(hào)“0”則為正常工作狀態(tài)，所以對(duì)于火氣系統(tǒng)而言，無(wú)論是輸入回路還是輸出回路都應(yīng)具有自診斷功能，以確保當(dāng)故障發(fā)生的時(shí)候能夠準(zhǔn)確地接收信息和發(fā)送控制命令。

對(duì)火焰檢測(cè)、可燃?xì)怏w檢測(cè)及有毒氣體檢測(cè)等智能儀表，出廠時(shí)已配置了自診斷功能；對(duì)于煙感、溫感及手動(dòng)報(bào)警等簡(jiǎn)單開關(guān)設(shè)備，則需在回路中串入電阻以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的監(jiān)視，從而通過(guò)電流值來(lái)判斷回路狀態(tài)。在此，采用3種硬件配置方案：

a. 將數(shù)字量開關(guān)信號(hào)加上電阻回路來(lái)形成4～20mA輸出，接收卡件的數(shù)字量改為模擬量；

b. 采用西門子提供的F-NAMUR卡件，對(duì)回路進(jìn)行斷線檢測(cè)，根據(jù)電流信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析，在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)加入電阻回路；

c. 采用普通F-DI卡件和NAMUR安全柵配合的方式，實(shí)現(xiàn)回路檢測(cè)功能，把回路檢測(cè)功能放于安全柵中，安全柵具有NAMUR功能，并使用額外的普通DI卡件通道傳輸F-DI卡件的通道檢測(cè)信號(hào)。

2.4 火氣系統(tǒng)軟件組態(tài)

2.4.1自診斷模塊組態(tài)

自診斷模塊采用PCS7系統(tǒng)自帶的DET_DIAG(Detector Diagnostic)模塊，實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器的自診斷功能，典型的診斷條件可以是開路、短路、校準(zhǔn)、灰塵故障以及設(shè)備損壞等。PCS7系統(tǒng)的DET_DIAG模塊如圖3所示。

圖3 DET_DIAG模塊

與一般智能儀表(如火焰和氣體探測(cè)器)使用超過(guò)操作范圍的電流值來(lái)顯示各種診斷狀況所不同的是，DET_DIAG模塊通過(guò)檢測(cè)來(lái)自儀表的電流值來(lái)顯示這些特定事件或報(bào)警事件，運(yùn)用模塊上的Cond_LV和Cond_HV引腳配置每個(gè)事件的觸發(fā)范圍；對(duì)于觸發(fā)范圍的上下限值，根據(jù)自診斷功能的硬件配置來(lái)確定；在配置時(shí)采用不同電阻會(huì)產(chǎn)生不同的限值。如圖3中Cond1_LV是事件1觸發(fā)的低限值，而Cond1_HV則相反；當(dāng)輸入在這區(qū)間內(nèi)時(shí)，輸出Cond_1所代表的事件或動(dòng)作就會(huì)被啟動(dòng)，同時(shí)結(jié)果會(huì)顯示在人機(jī)界面上。

DET_DIAG也適用于短路和斷路檢測(cè)，在Short_V和Open_V引腳處設(shè)置要求的參數(shù)，任何低于Short_V的輸入值都會(huì)被顯示為短路狀態(tài)，任何高于Open_V的輸入值都被顯示為斷路狀態(tài)。

2.4.2安全邏輯組態(tài)

對(duì)于安全邏輯的組態(tài)，使用安全矩陣軟件來(lái)完成，以直觀顯示安全邏輯的條件和后果；通過(guò)對(duì)行列交叉點(diǎn)的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)邏輯的設(shè)置。當(dāng)完成組態(tài)進(jìn)行編譯時(shí)，可在CFC(Continuous Function Chart)圖中生成相應(yīng)的模塊，驅(qū)動(dòng)塊與連線由系統(tǒng)自動(dòng)完成。

火氣系統(tǒng)在安全矩陣中的條件是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器的輸出值或是由一組現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸出值的簡(jiǎn)單邏輯，其觸發(fā)結(jié)果會(huì)對(duì)特定設(shè)備或旁路設(shè)備產(chǎn)生影響；安全矩陣支持使用不與現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的輸入輸出作為條件和結(jié)果。當(dāng)接收站相關(guān)裝置啟動(dòng)時(shí)，作為條件的事件觸發(fā)后，火氣系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)組態(tài)好的邏輯觸發(fā)結(jié)果，在操作員站上顯示結(jié)果和條件。

使用安全矩陣進(jìn)行組態(tài)先根據(jù)之前的安全邏輯確定事件觸發(fā)的原因及其后果。不過(guò)，原因可由多個(gè)事件的簡(jiǎn)單邏輯構(gòu)成，單個(gè)原因可同時(shí)觸發(fā)多個(gè)結(jié)果，但是一個(gè)結(jié)果只由單個(gè)事件組成。然后，開始組態(tài)邏輯的原因行。在組態(tài)選項(xiàng)中，根據(jù)觸發(fā)條件的特定情況，設(shè)置合適的輸入類型，啟用Energize-to-trip模式作為工作狀態(tài)；根據(jù)安全邏輯選擇是否開啟Bypass模式來(lái)滿足需操作員手動(dòng)確認(rèn)信號(hào)的要求，配置原因事件的輸入端口，根據(jù)控制要求確定是否開啟延時(shí)等其他特殊功能，最后在描述欄內(nèi)填入對(duì)觸發(fā)條件的簡(jiǎn)單說(shuō)明，以方便現(xiàn)場(chǎng)人員的操作。

完成原因的組態(tài)后，開始對(duì)結(jié)果列進(jìn)行組態(tài)。先在組態(tài)選項(xiàng)內(nèi)確定所需的控制動(dòng)作，如果是報(bào)警則選擇輸出信號(hào)的目標(biāo)端口；進(jìn)行閥門動(dòng)作則需選擇目標(biāo)閥門的位號(hào)并且定義動(dòng)作為開或閉，然后設(shè)置安全功能回路或是輸出延時(shí)等其他所需要求，必要時(shí)啟用Enable Process Data Pass Through功能，允許系統(tǒng)在非安全緊急的情況下，接收來(lái)自操作員的控制信號(hào)。

最后，對(duì)矩陣行列交叉點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)，即因果關(guān)系及特性。其中，N是安全矩陣中最為常用的因果關(guān)系的交叉點(diǎn)，表示結(jié)果不儲(chǔ)存，即當(dāng)原因激活時(shí)，結(jié)果也觸發(fā)；當(dāng)原因取消時(shí)，結(jié)果也將消除，其完成后結(jié)果如圖4所示。

圖4 矩陣交叉點(diǎn)組態(tài)

通過(guò)實(shí)施后，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：上述從LNG接收站的火氣系統(tǒng)、安全邏輯設(shè)計(jì)及其軟/硬件配置角度設(shè)計(jì)的基于西門子PCS7的LNG接收站火氣系統(tǒng)符合了工藝安全要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于LNG接收站的工藝和安全邏輯分析、通過(guò)PCS7控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)工具、由此設(shè)計(jì)完成的LNG接收站火氣系統(tǒng)能夠有效地保證接收站在第一時(shí)間內(nèi)對(duì)各種危險(xiǎn)做出反應(yīng)，并采取相應(yīng)的緊急措施，將可能發(fā)生的損失減至最小，從而達(dá)到良好的應(yīng)用效果，為火氣系統(tǒng)在更多的領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用提供了成功的案例。