廖旭芳，王密

中國(guó)石油西南油氣田公司，四川成都，610500

0 引言

天然氣處理廠的主要功能是對(duì)開采出來(lái)的天然氣進(jìn)行凈化和加工，去除里面的雜質(zhì)（酸、水、硫等），提高天然氣的純度，避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步的加工處理，可以生產(chǎn)一系列的天然氣附加產(chǎn)品，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。在凈化和加工過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)諸多的工序，需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警響應(yīng)，因此配備DCS系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、安全化、可控化生產(chǎn)。

1 DCS系統(tǒng)在天然氣處理廠的應(yīng)用

1.1 天然氣處理廠工藝組成

阿姆河第二天然氣處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為年處理天然氣90×108m3/a、生產(chǎn)模凝析油54.16×104t/a。處理廠工藝裝置包括集氣裝置、脫硫脫碳裝置、脫水裝置、脫烴裝置、酸氣處理裝置、凝析油穩(wěn)定裝置、胺液凈化裝置、凈化氣外輸出站閥組區(qū)和凝析油外輸發(fā)送裝置；生產(chǎn)輔助裝置：火炬及放空系統(tǒng)、凝析油罐區(qū)、污水處理裝置、全廠工藝及熱力系統(tǒng)管道、氣田水蒸發(fā)、焚燒池等；公用工程：給排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、鍋爐房、空氣氮?dú)庹竞腿剂蠚庀到y(tǒng)等[1]。

1.2 DCS系統(tǒng)概述

根據(jù)工藝裝置分布及功能劃分情況，全廠設(shè)計(jì)了7套DCS控制站。DCS系統(tǒng)采用橫河電機(jī)公司的CENTUM VP系統(tǒng)。DCS控制系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、CRT和過(guò)程控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，在可操作性、可靠性、發(fā)生故障率等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，是天然氣處理系統(tǒng)中非常核心的、具有長(zhǎng)遠(yuǎn)前景的一項(xiàng)控制技術(shù)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，天然氣處理廠的自動(dòng)化水平逐步得到提高，對(duì)DCS系統(tǒng)的依賴程度也越來(lái)越突出。

DCS系統(tǒng)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可以保證當(dāng)某一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響到系統(tǒng)中其他功能的運(yùn)行。另外，DCS系統(tǒng)中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都承擔(dān)著相對(duì)單一的任務(wù)，故可以通過(guò)配備特定的系統(tǒng)，有針對(duì)性地在不同計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)所需功能，這種運(yùn)行方式間接性地提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS系統(tǒng)的控制功能相對(duì)開放。系統(tǒng)程序可以對(duì)任意任務(wù)預(yù)先設(shè)定優(yōu)先級(jí)和運(yùn)行周期，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)節(jié)回路功能的基礎(chǔ)上，可以做到開關(guān)量的快速控制。DCS的系統(tǒng)配置靈活多變。該系統(tǒng)通過(guò)在簡(jiǎn)單的調(diào)用算法庫(kù)中選擇適當(dāng)?shù)目刂瞥绦蚺浜蠌膱D形庫(kù)調(diào)用基本圖形來(lái)實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)控和報(bào)警畫面。DCS系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。由于DCS系統(tǒng)采用分散結(jié)構(gòu)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有特定功能，故對(duì)故障的檢測(cè)與維修相對(duì)簡(jiǎn)單。DCS系統(tǒng)的工作站之間具有相互協(xié)調(diào)性。工作站之間通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的傳送，以達(dá)到信息的共享及工作的協(xié)調(diào)，因此在優(yōu)化處理方面有一定的優(yōu)勢(shì)。

處理廠所采用的橫河電機(jī)CENTUM VP系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①采用千兆帶寬的控制網(wǎng)；②點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；③99.99999%（7個(gè)9）的系統(tǒng)可用性；④獨(dú)有的4CPU 控制技術(shù)；⑤靈活的結(jié)構(gòu)；⑥先進(jìn)的人機(jī)交互機(jī)制；⑦統(tǒng)一的報(bào)警管理；⑧便捷優(yōu)異的組態(tài)功能。

CENTUM VP系統(tǒng)采用非服務(wù)器/客戶端的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诘湫偷姆?wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)中，當(dāng)服務(wù)器停止工作后，所有的HMI客戶端也都將停止工作，而PC機(jī)服務(wù)器的可靠性有時(shí)并不是十分高。而此非服務(wù)器/客戶端的結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性體現(xiàn)為：雖然PC機(jī)的可靠性不是十分高，但是它并不影響橫河電機(jī)DCS過(guò)程操作功能的整體可靠性；每臺(tái)PC機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，互為冗余，規(guī)避了由單個(gè)設(shè)備故障引起整個(gè)處理廠一系列的事故。

2 變頻控制回路在天然氣處理工藝中的應(yīng)用

2.1 變頻控制回路的工藝應(yīng)用

變頻控制（DCS系統(tǒng)對(duì)變頻器的控制）在天然氣處理廠實(shí)際的應(yīng)用主要為工藝介質(zhì)溫度的冷卻風(fēng)機(jī)的變頻控制和再生氣壓縮機(jī)冷吹氣流量的變頻控制。天然氣處理廠共有四列主體裝置，每一列主體裝置有5臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)和2臺(tái)再生氣壓縮機(jī)（一備一用），其在工藝中的應(yīng)用主要為：①脫硫脫碳單元的貧液溫度控制。②脫硫脫碳單元的酸氣溫度控制。③脫水單元的富再生氣溫度控制。④脫水單元的冷吹氣流量的控制。

2.2 變頻控制回路的工作原理

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。

DCS系統(tǒng)對(duì)變頻器的控制，主要就是對(duì)變頻器的調(diào)速控制。而變頻器的調(diào)速實(shí)質(zhì)就是控制IGBT的觸發(fā)與導(dǎo)通。通過(guò)控制IGBT的觸發(fā)與導(dǎo)通，可以將經(jīng)整流后的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

3 變頻控制回路實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題

3.1 DCS系統(tǒng)故障問(wèn)題

從處理廠投產(chǎn)試運(yùn)起，自控儀表管理人員檢查DCS系統(tǒng)時(shí)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的AO卡件有頻繁的掉線現(xiàn)象，如圖2的DCS系統(tǒng)狀態(tài)中紅色卡件所示。雖然通過(guò)重新熱插拔可以暫時(shí)恢復(fù)AO卡件的使用，但對(duì)DCS系統(tǒng)的可靠性是個(gè)極大的隱患。

3.2 故障原因分析

為了弄清DCS系統(tǒng)AO卡件掉線原因，我們進(jìn)行了仔細(xì)的分析與實(shí)際排查工作。首先進(jìn)行了掉線AO卡件的完好性檢查，發(fā)現(xiàn)AO卡件本身并無(wú)故障問(wèn)題，而且并非每次都是該卡件掉線，所以更加排除了卡件本身質(zhì)量問(wèn)題。其次對(duì)掉線AO卡件上的控制電纜依次進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)線纜絕緣良好，對(duì)地也絕緣良好。最后檢查測(cè)試是否存在強(qiáng)干擾影響該卡件上的控制回路，最終檢查測(cè)試也排除了該可能性。我們從DCS系統(tǒng)和儀表本身運(yùn)行情況出發(fā)，并未找到導(dǎo)致AO卡頻繁掉線原因，故只有從其他地方查找原因。之后結(jié)合工藝操作和DCS系統(tǒng)AO卡掉線記錄研究發(fā)現(xiàn)，AO卡掉線總是在工藝操作人員停掉現(xiàn)場(chǎng)冷卻風(fēng)機(jī)或者再生氣壓縮機(jī)時(shí)出現(xiàn)的，并且該冷卻風(fēng)機(jī)或者再生氣壓縮機(jī)均為該AO卡件上的變頻控制回路對(duì)象。至此，我們基本上確定了AO卡掉線是由于變頻冷卻風(fēng)機(jī)或再生氣壓縮機(jī)停用，變頻器斷電所致[2]。

為了確定真正原因，我們對(duì)冷變頻器的控制回路電阻值進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)變頻器正常通電，電阻約為300Ω；斷電后，電阻值約為9000Ω，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出DCS系統(tǒng)模擬量輸出通道要求的可負(fù)載電阻范圍0～750Ω。故當(dāng)AO卡件檢測(cè)到負(fù)載回路電阻超出其負(fù)載范圍后，AO卡件將自動(dòng)掉線以保護(hù)其卡件及DCS系統(tǒng)。在變頻器恢復(fù)通電后，DCS系統(tǒng)的掉線AO卡件需要通過(guò)重新熱插拔的方式才能恢復(fù)正常使用。

DCS系統(tǒng)AO卡件掉線后，冗余的卡件啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)暫時(shí)工作正常。但如果回路負(fù)載沒(méi)有及時(shí)恢復(fù)正常，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)冗余啟動(dòng)的卡件精度和壽命造成影響，甚至損壞卡件，從而導(dǎo)致卡件其他正?；芈肥Э?，最終可能造成裝置的停車。

為了徹底解決AO卡掉線問(wèn)題，我們進(jìn)行了詳細(xì)分析。冷卻風(fēng)機(jī)和再生氣壓縮機(jī)變頻控制的變頻器均為施耐德的ATV61系列變頻器。由于ATV61系列變頻器的固有特性：其斷開三相輸入電源后，內(nèi)部直流模塊及相關(guān)保護(hù)停止工作，為了防止外部浪涌損壞板件，采用斷電后增大模擬輸入回路電阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于該固有特性的存在，不可能從改變變頻器方面解決AO卡掉線問(wèn)題，同時(shí)由于工藝操作的安全性及檢維修安全性考慮，也無(wú)法使變頻器永不斷電來(lái)保證其正常電阻值從而防止AO卡掉線，故只有從DCS系統(tǒng)方面想辦法解決該問(wèn)題。

4 AO卡掉線整改方案

由于確定了是變頻控制的風(fēng)機(jī)和再生氣壓縮機(jī)停用，變頻器斷電導(dǎo)致DCS系統(tǒng)AO卡掉線的原因后，我們從DCS系統(tǒng)控制回路方面著手整改措施。天然氣處理廠為易燃易爆區(qū)域，所以與DCS系統(tǒng)相連接的儀表設(shè)備均為防爆隔離型的，且滿足設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)。故DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制回路圖為：

由于變頻控制回路在變頻器斷電后，其回路阻抗不滿足0～750歐姆的要求，不能直接接入DCS控制系統(tǒng)，故可以在DCS系統(tǒng)與變頻器之間的輸出回路中通過(guò)增加隔離式安全柵的方式解決該問(wèn)題[3]。

4.1 安全柵介紹

安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它是安裝于安全場(chǎng)所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過(guò)限流和限壓電路限制了送往現(xiàn)場(chǎng)本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險(xiǎn)能量串入本安電路，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。由于安全柵被設(shè)計(jì)為介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無(wú)論控制室設(shè)備處于正?；蚬收蠣顟B(tài)，安全柵都能確保通過(guò)它傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。

隔離式安全柵除具有限壓與限流的作用之外，還帶有電流隔離的功能。隔離式安全柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號(hào)處理單元三部分組成?；芈废弈軉卧獮榘踩珫诺暮诵牟糠?。此外，輔助有用于驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的回路供電電路和用于儀表信號(hào)采集的檢測(cè)電路。信號(hào)處理單元?jiǎng)t根據(jù)安全柵的功能要求進(jìn)行信號(hào)處理。由于隔離式安全柵采用了限壓、限流、隔離等措施，不僅能防止危險(xiǎn)能量從本安端子進(jìn)入危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，而且還增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4.2 控制回路整改

本次整改是在控制回路中增加了隔離式安全柵的回路圖為：

4.3 KF系列隔離式安全柵特點(diǎn)

本次改造選用PEPPERL+FUCHS的KF系列隔離式安全柵（標(biāo)準(zhǔn)型）型號(hào)為KFD2-SCD-EX1.LK。此隔離式安全柵具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)瓮ǖ?、可安裝在危險(xiǎn)區(qū)zone2、短路與斷路檢測(cè)、HART信號(hào)傳遞（電氣隔離）、電磁兼容性符合NAMUR NE 21、根據(jù)IEC61508安全等級(jí)可達(dá)到SIL2等級(jí)[4]。

其功能主要為：將4～20mA電流從安全區(qū)傳遞到危險(xiǎn)區(qū)。智能數(shù)字信號(hào)疊加在安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的模擬信號(hào)上。HART信號(hào)允許安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)雙向傳輸。線路檢測(cè)，輸入特性：正常狀態(tài)下負(fù)載電阻，現(xiàn)場(chǎng)側(cè)帶載能力100Ω～700Ω；現(xiàn)場(chǎng)短路，安全側(cè)輸入阻抗小于50Ω；線路開路，當(dāng)I_ON=20mA時(shí)，安全側(cè)輸入阻抗大于2kΩ。負(fù)載電阻大于700Ω時(shí)，電流信號(hào)無(wú)法傳輸。當(dāng)線路短路時(shí)，輸入阻抗大于100kΩ，電流降到1mA以下，紅色故障指示燈LED閃爍。正常狀態(tài)下，輸入壓降小于4VDC(200Ω/20mA時(shí)），交流輸入阻抗與輸出阻抗相對(duì)應(yīng)。

5 變頻控制回路整改后的實(shí)際運(yùn)行情況及評(píng)價(jià)

為了天然氣處理廠的平穩(wěn)安全運(yùn)行，我們第一時(shí)間購(gòu)買了隔離式安全柵，以最快的速度完成了DCS系統(tǒng)控制回路整改。從整改后運(yùn)行至今，DCS系統(tǒng)的變頻控制回路所在AO卡件再?zèng)]出現(xiàn)過(guò)掉線情況，實(shí)際DCS系統(tǒng)狀態(tài)完好，如圖5：

從DCS系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況看，該變頻控制回路保護(hù)性改造非常成功，保證了DCS系統(tǒng)的完整、安全、可靠性。由于該變頻控制回路與其他的控制對(duì)象隸屬于同一塊DCS輸出卡件，一旦該變頻器斷電，DCS輸出回路負(fù)載電阻變大，超出負(fù)載要求范圍，整塊DCS輸出卡件將失效，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)，將有可能導(dǎo)致同一塊DCS輸出卡件的其他控制回路控制失效，甚至導(dǎo)致裝置停車。故為天然氣連續(xù)生產(chǎn)處理產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

6 結(jié)論

通過(guò)在DCS系統(tǒng)變頻控制回路中增加隔離式安全柵的措施，使系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行了隔離保護(hù)，很好地解決由于變頻器停用斷電后導(dǎo)致DCS系統(tǒng)模擬量輸出卡掉線的問(wèn)題。由于隔離式安全柵采用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)符合本安型限制能量的要求，因此可以應(yīng)用到很多其他類似場(chǎng)合。