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        分布式控制系統(tǒng)在油氣田站場模塊化中的應(yīng)用

        2021-02-06 06:36:48姚彬楊靜張玉恒
        石油化工自動化 2021年1期
        關(guān)鍵詞:控制柜機柜模塊化

        姚彬,楊靜,張玉恒

        (1. 中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司,新疆 烏魯木齊 830011; 2. 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830011; 3. 中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東 東營 257000)

        模塊化設(shè)計和制造的研究開始于19世紀(jì)50年代末60年代初。模塊化技術(shù)在現(xiàn)代多個工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展和實施,主要包括核電行業(yè)、遠洋船舶、大飛機制造行業(yè)。受其他行業(yè)發(fā)展的啟發(fā),石油行業(yè)在熱能機組、海洋平臺、煉油化工等領(lǐng)域,開始逐步應(yīng)用模塊化設(shè)計及建造技術(shù)。

        隨著非常規(guī)、邊際油氣田和海外項目的逐漸增多,對控制系統(tǒng)模塊化/撬裝化的需求也越來越多。典型的如海上中心平臺、油氣田集中處理站等,均有近百個工藝撬塊。目前,油氣田站場工藝撬塊集成度較高,而與之配套的控制系統(tǒng)仍沿用集中式布置,這樣造成撬塊到中控系統(tǒng)間的電纜較多,而且必須在現(xiàn)場敷設(shè),增加了現(xiàn)場施工和調(diào)試工作量。另外在撬塊搬遷時,大量電纜還必須重新敷設(shè),有些甚至還必須重新采購。因此,為適應(yīng)工藝模塊化/撬裝化的要求,控制系統(tǒng)的模塊化/撬裝化也勢在必行。

        1 模塊化控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

        傳統(tǒng)的工廠,控制系統(tǒng)一般多采用I/O卡件集中布置在機柜間/站控室,現(xiàn)場儀表閥門等信號一般采用從現(xiàn)場儀表端或接線箱通過控制電纜連接到控制機柜端子的方式。這樣的連接方式使得所有的控制電纜必須在現(xiàn)場進行敷設(shè),也使得儀表只能在現(xiàn)場進行調(diào)試[1]。

        隨著越來越多的傳感器被用于監(jiān)控環(huán)境信息、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過程的各類參數(shù),這些數(shù)據(jù)的有效采集,迫使PLC的I/O由集中安裝轉(zhuǎn)型為分布式安裝,即基于遠程I/O的分布式控制系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)在智能化生產(chǎn)時代會得到更廣泛的應(yīng)用,同時可組態(tài)分布式I/O模式的應(yīng)用使得系統(tǒng)搭建更為靈活。因此,在采用模塊化建設(shè)方式時,控制系統(tǒng)往往會采用遠程分布式I/O的方式,并將之集中在各個模塊設(shè)置的電儀室或者現(xiàn)場機柜間內(nèi)。各模塊的遠程I/O再通過光纖連接到中心控制室,而光纖則可采用預(yù)先埋地敷設(shè)的方式。這樣的方案使得現(xiàn)場施工的工作量降到最低,而且每一個模塊中的儀表都可以在模塊預(yù)制車間完成工藝安裝和撬塊內(nèi)接線的工作,運抵到現(xiàn)場后,僅需要連接預(yù)埋好的通信光纖即可。

        因此,在設(shè)計過程中應(yīng)盡早確定系統(tǒng)的I/O點數(shù)以及對控制柜的要求,以盡早開展現(xiàn)場電儀室/機柜間的設(shè)計。同時盡早邀請系統(tǒng)硬件供應(yīng)商的加入,提前確定控制系統(tǒng)的軟硬件方案以滿足現(xiàn)場電儀室/機柜間設(shè)計的要求。

        2 實際案例分析

        2.1 項目概況

        為了配合某含硫氣井的開發(fā),在該地區(qū)建造了一套滿足單井試采要求的單井撬裝脫硫裝置。該裝置采用雙塔工藝進行脫硫和硫磺回收,采用三甘醇脫水工藝脫水、采用熔硫和造粒工藝得到副產(chǎn)品硫磺。隨著試采結(jié)束,該套裝置需要考慮搬遷至其他試采井進行試采。該研究內(nèi)容立足于吸取前期項目經(jīng)驗教訓(xùn),通過論證優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計方案,更好滿足撬裝化的設(shè)計要求,為設(shè)備建設(shè)及搬遷提供方便。

        2.2 擬采用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        該套撬裝裝置在撬裝化控制室設(shè)置站場控制系統(tǒng)(SCS),完成站內(nèi)工藝參數(shù)的采集、控制、顯示和存儲,對于工藝參數(shù)越限、火災(zāi)和氣體泄漏實現(xiàn)報警和聯(lián)鎖保護。SCS由過程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)構(gòu)成。PCS采用通用的PLC,負(fù)責(zé)站內(nèi)的生產(chǎn)流程以及輔助流程的數(shù)據(jù)采集和控制[1]。SIS采用SIL2認(rèn)證的PLC,為故障安全型,負(fù)責(zé)站內(nèi)SIS儀表信號的采集和聯(lián)鎖控制。

        2.2.1不設(shè)置現(xiàn)場遠程I/O方案

        SCS均設(shè)置于控制室內(nèi),信號電纜由現(xiàn)場儀表設(shè)備敷設(shè)至控制室。

        2.2.2設(shè)置區(qū)域遠程I/O機柜方案

        按照區(qū)域布置遠程I/O機柜,分別位于天然氣處理區(qū)、硫磺回收區(qū)、硫磺成型區(qū)、公用工程區(qū)、變配電撬/UPS撬/變頻撬,分別根據(jù)現(xiàn)場I/O點數(shù)設(shè)置一面或多面遠程I/O機柜。各區(qū)域檢測與控制點分別將信號引入本區(qū)域的遠程I/O機柜中,再通過光纖與控制室內(nèi)的SCS機柜進行通信。I/O機柜采用增安或隔爆設(shè)計。

        由于可能存在井口區(qū)與脫硫站場分別分開設(shè)置的情況,因此井口區(qū)可能單獨設(shè)置遠程I/O機柜。另外除井口與天然氣處理區(qū)外,SIS檢測控制點僅在天然氣處理區(qū)較多,因此可僅考慮在井口區(qū)與天然氣處理區(qū)設(shè)置SIS的遠程I/O機柜。

        2.2.3設(shè)置撬塊遠程I/O箱方案

        該方案在每個需要檢測控制的撬塊上設(shè)置1面遠程I/O箱,撬塊遠程I/O箱可隨撬塊一同成撬,該遠程I/O箱替代了原控制方案中隨撬塊成撬的接線箱。

        根據(jù)現(xiàn)場檢測控制點布置情況,井口區(qū)、公用工程區(qū)、變配電撬/UPS撬/變頻撬、機柜間的I/O配置與區(qū)域遠程I/O箱方案相同。由于該方案中,每個撬塊SIS點數(shù)較少,因此不考慮設(shè)置撬塊SIS遠程I/O箱,采用上述方案中的區(qū)域SIS I/O箱或不設(shè)置SIS現(xiàn)場遠程I/O機柜。

        2.3 對比分析

        2.3.1硬件成本

        對無現(xiàn)場I/O機柜方案、區(qū)域I/O機柜方案和采用配置撬塊I/O箱方案進行定量對比分析,見表1所列。

        表1 無現(xiàn)場I/O機柜方案、區(qū)域I/O機柜和撬塊I/O箱方案對比

        設(shè)置區(qū)域I/O機柜或撬塊I/O箱的方案,不但增加了機柜或箱體數(shù)量、系統(tǒng)用電負(fù)荷,還需要考慮防爆區(qū)內(nèi)的機柜/箱體的防爆要求。由于增加了系統(tǒng)輸入輸出模塊數(shù)量,因此提高了控制系統(tǒng)的硬件投資,但可以有效減少電纜長度,大幅減少現(xiàn)場施工工作量。

        2.3.2施 工

        隨撬塊一同成撬的撬塊遠程I/O箱方案可以將控制系統(tǒng)集成于撬塊當(dāng)中,作為撬塊一部分,僅需要增加電源以及SCS的光纖敷設(shè)的現(xiàn)場施工工程量,并且減少了接線箱的安裝工程量。因此撬塊遠程I/O箱方案現(xiàn)場施工工程量最低。

        不管設(shè)置撬塊遠程I/O箱還是區(qū)域遠程I/O機柜,均能夠使大部分的施工工程量調(diào)整到加工工廠中安裝完成,并且有利于撬塊整體搬遷。同時,電纜工程量大幅度減少,與之配套的橋架、鋼管等材料也相應(yīng)減少。而電纜、橋架、鋼管現(xiàn)場安裝的工作量很大,可以減少現(xiàn)場的施工工程量,加快項目進度。

        2.3.3調(diào) 試

        系統(tǒng)調(diào)試難度增加,現(xiàn)場調(diào)試檢測難度降低,減少現(xiàn)場側(cè)物理接線的檢查工作量,大部分工作改為總線通信調(diào)試,軟件調(diào)試工作量增加,但軟件的修改相較硬件調(diào)試更為直接方便,提高了調(diào)試效率,但前提是調(diào)試人員要具備相應(yīng)的技術(shù)能力。

        2.3.4維 護

        維護要求門檻提高,原先的硬接線形式對于維護人員的要求不高,熟悉基本的電氣原理即可勝任。采用遠程I/O技術(shù)后,維護工作量集中在通信和軟件調(diào)試,需要有一定軟件操作基礎(chǔ)的工程師才可以勝任。

        2.3.5經(jīng)濟效益

        隨著采集測控點數(shù)量的增加,使用優(yōu)化后的系統(tǒng)有更為明顯的經(jīng)濟效益: 首先,由于分布式I/O技術(shù)的總線數(shù)據(jù)傳輸,減少了現(xiàn)場的接線和調(diào)試工作量;其次,大部分工作為軟件調(diào)試,通信一旦建立,可以不受不良天氣的影響,可以縮短工期,有效減少投資。

        3 防爆和防護及環(huán)境控制

        對于設(shè)置于非防爆區(qū)、溫濕度可控的環(huán)境,常規(guī)控制柜即可滿足要求的情況,本文不再做進一步的論述,下面主要討論在防爆2區(qū)、室外情況下的控制柜防爆、防護及環(huán)境控制。

        3.1 遠程I/O控制柜防爆及防護

        3.1.1隔爆型控制柜

        采用隔爆型控制柜,最大的優(yōu)點就是可以采用普通的卡件,選擇范圍廣,成本低。但相應(yīng)的需要面對以下問題:

        1)I/O卡件、電源安裝在隔爆控制柜內(nèi),隔爆控制柜露天安裝,無遮陽,長期運行,內(nèi)部散熱只能依靠柜體本身與外界的溫差自然散熱,且由于隔爆殼體厚重,炎熱及陽光直曬環(huán)境下散熱效率低,造成內(nèi)部高溫,加快電子原件的老化甚至由于溫度過高而無法工作。

        2)隔爆控制柜造價高,且殼體厚重,如果接入的測控點較多,控制柜的體積和質(zhì)量難以控制。

        3)現(xiàn)場檢修、維護及測試工作進行前,需切斷電源,且必須確保周圍環(huán)境中可燃?xì)怏w含量在安全范圍內(nèi),同時防爆型柜體開關(guān)相對費時費力。

        3.1.2增安型控制柜

        采用本安型遠程I/O機柜及配套的電源、空氣開關(guān)等,理論上選擇防護等級滿足室外防護要求的控制柜即可,不需考慮防爆要求,但根據(jù)實際的案例和經(jīng)驗,業(yè)主方往往要求選擇增安型控制柜以增加可靠性和安全性。采用增安型控制柜,需要注意以下問題:

        1)I/O模板、電源、空氣開關(guān)、保險等均需有防爆2區(qū)認(rèn)證,硬件成本高。

        2)對施工水平和質(zhì)量要求高,日后維護成本也較采用普通卡件加隔爆控制柜的方式要高。

        3)由于增安型控制柜對密封的要求,其內(nèi)部散熱也與隔爆型控制柜類似,只是殼體相對較薄,內(nèi)部元件散熱量相對較少,但極端環(huán)境下的散熱仍是需要考慮的問題。

        3.1.3建 議

        雖然隔爆型控制柜在柜體上造價較高,但是在總體成本上仍遠低于本安卡件及其相關(guān)聯(lián)硬件,如電源、空氣開關(guān)等帶來的費用增加。

        對于本安型遠程I/O系統(tǒng),目前西門子公司可以提供全套的解決方案,由于防爆2區(qū)認(rèn)證的電源、空氣開關(guān)市面上相對較多,羅克韋爾公司和倍加福公司則只提供I/O卡件本身,需要另外配套本安電源等。

        綜合來說,環(huán)境情況良好時,即溫度適宜、無太陽直曬等,可以考慮采用隔爆型控制柜加普通卡件的方式以節(jié)約成本;環(huán)境相對嚴(yán)苛?xí)r,若業(yè)主方可以忽略成本的前提下,增安型控制柜加本安型卡件是優(yōu)先選擇。

        3.2 遠程I/O控制柜環(huán)境控制

        遠程I/O控制柜的環(huán)境控制,主要是保證其內(nèi)部環(huán)境工作溫度在電子器件適宜的范圍內(nèi)。對于低溫區(qū)域,采用隔爆型的電伴熱即可滿足要求,且技術(shù)成熟,選擇范圍廣。因此,本節(jié)主要討論的是隔爆和增安型控制柜內(nèi)部散熱的方法及對應(yīng)的環(huán)境策略。

        3.2.1控制柜的散熱方式

        目前市面上常見的遠程I/O模塊,其工作溫度范圍基本為-20~60 ℃,有些廠家的產(chǎn)品可以做到-40~70 ℃。因此,如果環(huán)境溫度適宜,適當(dāng)增加遮陽等措施,在國內(nèi)大多數(shù)區(qū)域是可以滿足現(xiàn)場使用要求的。

        在氣候環(huán)境相對嚴(yán)苛的條件下,比如熱帶沙漠地區(qū),太陽光照強烈,環(huán)境溫度常年高溫,建議從以下方面加以完善:

        1)露天陽光直射的防爆控制柜應(yīng)加裝遮陽板,注意遮陽板與柜體間留有一定通風(fēng)間隙。

        2)防爆控制柜后端加裝散熱板,易于柜體的散熱,且注意柜體內(nèi)的發(fā)熱元件安裝布置擺放應(yīng)盡量松散一些,留出散熱空間。

        3)出于安全考慮可以采用正壓防爆控制柜,控制柜內(nèi)通壓縮空氣或氮氣均可。尤其是體積較大的控制柜,采用正壓防爆型。

        3.2.2新技術(shù)的應(yīng)用

        半導(dǎo)體制冷技術(shù)也叫溫差制冷技術(shù)或者熱電制冷技術(shù),它是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法,是基于帕爾貼效應(yīng)的原理達到制冷目的,即在兩種不同金屬組成的閉合線路中,通以直流電流,一端會產(chǎn)生熱量,一端會吸收熱量[3]。

        將半導(dǎo)體制冷片固定在控制箱隔壁外殼壁內(nèi),熱端一側(cè)緊貼隔爆外殼壁,在外殼壁與半導(dǎo)體制冷片冷端之間涂導(dǎo)熱硅膠,使外殼壁和半導(dǎo)體制冷片充分接觸,減少因接觸空隙產(chǎn)生的溫差,提高了半導(dǎo)體制冷的效率[3]。為了使熱量能夠及時散發(fā)出去,一般情況下還需要在外殼外部焊接輔助散熱翹片,提升散熱能力。

        利用半導(dǎo)體制冷法具有易于調(diào)控、無制冷劑、無機械轉(zhuǎn)動部件、無噪聲以及無污染等優(yōu)點。但仍有以下兩點問題需要解決:

        1)市面上缺少成熟的、有實際應(yīng)用案例的并取得防爆2區(qū)及以上認(rèn)證的半導(dǎo)體制冷設(shè)備。

        2)半導(dǎo)體制冷產(chǎn)生的冷凝水處理問題,尤其是機柜內(nèi)部產(chǎn)生的冷凝水會對電子元件造成損害,因此需要考慮機柜內(nèi)部的溫濕度控制。

        4 結(jié)束語

        模塊化建設(shè)較傳統(tǒng)建設(shè)模式能更好地適應(yīng)油氣田地面建設(shè)工程,可以縮短工程施工周期,降低現(xiàn)場的管控風(fēng)險,提高施工質(zhì)量,讓業(yè)主方更早投產(chǎn),及早見到效益[4]。采用基于遠程I/O的和撬塊I/O的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計方案與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思路相比,結(jié)構(gòu)簡單、易于現(xiàn)場實施,同時可實現(xiàn)傳統(tǒng)方案不具備的系統(tǒng)復(fù)用性。對于實際項目控制系統(tǒng)方案的選擇,還需根據(jù)實際情況及項目后期安排在初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計過程中進行優(yōu)化,以更好地服務(wù)于模塊化建設(shè)。

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