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    一、福建LNG項目描述

    天然氣的主要成分是甲烷（CH4）。常壓下將天然氣冷卻到-162℃左右，可使其變?yōu)橐后w即液化天然氣（LNG）。LNG的體積約為其氣態(tài)體積的1/600，液化后的天然氣則更有利于遠距離運輸、儲存及利用，因此，LNG已成為現(xiàn)今遠洋運輸天然氣的主要方式。

    LNG通常由專用運輸船從生產(chǎn)地輸出終端運到目的地接收終端，經(jīng)再氣化后通過輸氣管線外輸至用戶。目前，已形成了包括LNG生產(chǎn)、儲存、運輸、接收、再氣化及冷量利用等完整的產(chǎn)、運、銷LNG產(chǎn)業(yè)鏈體系，其示意圖見圖1。

                                            圖1  LNG產(chǎn)業(yè)鏈體系

    福建LNG項目有1座LNG接收終端和約360公里的輸氣管線，是第一個由國內(nèi)企業(yè)自主管理建設和自主運營維護的項目。自2009年起，該項目用氣由印尼東固氣田供應，計劃每年進口量為260萬噸。輸氣管線途徑福建省東南沿海福州、莆田、泉州、廈門、漳州5個地市，供氣對象主要有5個城市燃氣公司和3個燃氣電廠。

    二、LNG接收終端和長輸管線工藝系統(tǒng)

    LNG接收終端工藝系統(tǒng)

    LNG接收終端一般由LNG卸船、儲存、再氣化/外輸、蒸發(fā)氣處理、火炬/放空5部分工藝子系統(tǒng)組成，其示意圖見圖2。

                                           圖2  LNG接收終端工藝系統(tǒng)

    LNG卸船與存儲。LNG運輸船靠泊碼頭后，經(jīng)碼頭上卸料臂將船上LNG輸出管線與岸上卸船管線連接起來，由船上儲罐內(nèi)的輸送泵將LNG輸送到終端的儲罐內(nèi)。隨著LNG不斷輸出，船上儲罐內(nèi)氣相壓力逐漸下降，為維持其值恒定，將岸上儲罐內(nèi)一部分蒸發(fā)氣經(jīng)回流管線及回流臂送至船上儲罐內(nèi)。在非卸船期間，由岸上儲罐輸送泵出口分出一部分LNG保冷管線，通過保冷管線返回。

    LNG再氣化與外輸。儲罐內(nèi)LNG經(jīng)罐內(nèi)輸送泵加壓后部分LNG進入再冷凝器液化一定量的蒸發(fā)氣。從再冷凝器中流出的LNG與來自低壓泵的另一部分LNG混合后由高壓泵加壓進入氣化器中蒸發(fā)，氣化后的天然氣通過輸氣管線經(jīng)計量設施分別計量后輸給下游用戶。為保證罐內(nèi)輸送泵、罐外高壓外輸泵正常運行，泵出口均設有回流管線。當LNG輸送量變化時，可利用回流管線調(diào)節(jié)流量。在停止輸出時，可利用回流管線打循環(huán)，以保證工藝系統(tǒng)處于低溫狀態(tài)。

    LNG蒸發(fā)氣處理與火炬/放空。蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)保證LNG儲罐在一定壓力范圍內(nèi)正常工作。儲罐中設置壓力變送器，并分別設定幾個等級的超壓值及欠壓值，當壓力超過或低于各級設定值時，蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)按照壓力設定值進行相應動作，以控制儲罐氣相壓力。為防止LNG儲罐在運行中產(chǎn)生真空，在流程中配有真空補氣系統(tǒng)。

    長輸管線工藝系統(tǒng)

    長輸管線由輸氣干線/支線、閥室和分輸站組成。分輸站內(nèi)進行天然氣的過濾、計量、加熱和調(diào)壓后輸送給下游用戶，包括城市門站和電廠。閥室則用來對管線進行截斷。分輸站工藝系統(tǒng)如圖3所示。

                                           圖3  分輸站工藝系統(tǒng)

    三、LNG控制系統(tǒng)

    因為LNG項目工藝復雜，控制系統(tǒng)包括DCS、ESD、F&G和SCADA，既有就地操作控制又有遠程監(jiān)控系統(tǒng)，如何實現(xiàn)多系統(tǒng)的整合成為這個項目的技術(shù)難點。

    由于對接收終端內(nèi)的泵直接操作，聯(lián)動調(diào)度控制系統(tǒng)被內(nèi)置于接收終端的DCS系統(tǒng)內(nèi)。DCS和SCADA兩個系統(tǒng)之間信息交流的暢通是綜合設計考慮的重點問題。目前，各個不同廠家的DCS系統(tǒng)與DCS控制器內(nèi)部通信協(xié)議多為自己開發(fā)的通信協(xié)議，不具備開放性，而SCADA系統(tǒng)則采用公認標準的通信協(xié)議與控制器進行信息溝通，具有很強的開放性和兼容性。要將SCADA系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)整合在一起并非易事，尤其是整合不同廠家的系統(tǒng)更是難上加難。因此，在控制系統(tǒng)采辦之初可考慮兩個系統(tǒng)采用同一家廠家的產(chǎn)品，以降低整合系統(tǒng)的難度。福建LNG項目采用ABB公司的800xA DCS軟件和SCADA Vantage軟件分別作為LNG接收終端的DCS系統(tǒng)軟件平臺和輸氣管線的SCADA系統(tǒng)軟件平臺，接收站DCS、ESD、F&G都統(tǒng)一在800xA系統(tǒng)平臺；輸氣部分能輕松實現(xiàn)中控和站控的同時監(jiān)控功能。兩者之間通過OPC通信協(xié)議互相交換數(shù)據(jù)，可做到無縫通信。

    LNG接收終端控制系統(tǒng)

    接收終端的自動化系統(tǒng)按控制區(qū)域可分為中心控制系統(tǒng)和碼頭控制系統(tǒng)，中控和碼頭各包括一套DCS系統(tǒng)、一套ESD系統(tǒng)和一套F&G系統(tǒng)。中控部分的控制對象是儲罐、壓縮機、再冷凝器、ORV、海水等除碼頭外的所有裝置。

    集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)是LNG接收終端的主要自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)接收終端的工藝流程控制和監(jiān)測，系統(tǒng)主要還包括以下2個獨立的部分：緊急停車系統(tǒng)（ESD）：接收終端緊急停車隔離的聯(lián)鎖系統(tǒng)；火焰/氣體監(jiān)控系統(tǒng)（F&G）：探測火焰和LNG/NG泄漏系統(tǒng)。

    接收站DCS系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

    1. 對生產(chǎn)工藝進行實時監(jiān)控，如壓力、液位、溫度和流量等

    2. 動態(tài)顯示接收站的生產(chǎn)流程、主要工藝參數(shù)及設備運行狀態(tài)

    3. 對異常工況進行報警并打印記錄備案、存貯重要參數(shù)

    4. 在線設定、修改工藝控制參數(shù)，對閥門、泵等設備進行遠程操作

    5. 監(jiān)控LNG卸船、儲存、氣化及天然氣的外輸和計量

    6. DCS還與以下系統(tǒng)保持實時通訊以完成對整個接收站生產(chǎn)信息的統(tǒng)一管理

       LNG儲罐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

       BOG壓縮機

       罐內(nèi)泵、高壓泵振動監(jiān)測系統(tǒng)

       外輸管線SCADA控制系統(tǒng)

       碼頭靠泊系統(tǒng)

       船岸通訊系統(tǒng)

       PMS系統(tǒng)

       天然氣分析儀

       槽車裝車控制系統(tǒng)

       電解氯系統(tǒng)

       海水系統(tǒng)

       貿(mào)易計量系統(tǒng)

       緊急停車系統(tǒng)（ESD）

       火氣系統(tǒng)（F&G）

    接收站的ESD系統(tǒng)選用ABB的安全控制系統(tǒng)，安全等級為SIL3。在出現(xiàn)工藝擾動或由于其他原因而導致的對人員安全、環(huán)境、設備、構(gòu)成威脅或可能造成較大經(jīng)濟損失時，系統(tǒng)立即啟動相應聯(lián)鎖保護，以防止危險的發(fā)生或事故的擴散。

    ESD系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

    1. 通過ESD按鈕手動觸發(fā)緊急關(guān)停以隔離各個單元工藝設備

    2. 通過系統(tǒng)的自動檢測儀表觸發(fā)緊急關(guān)停，對于輸入信號均經(jīng)過系統(tǒng)表決以確保報警或關(guān)停信號的有效性

    3. 緊急關(guān)停的復位，連鎖觸發(fā)條件必須經(jīng)人工確認并復位后，系統(tǒng)才能恢復正常狀態(tài)以保證生產(chǎn)的安全

    4. 聯(lián)鎖旁路，ESD系統(tǒng)還提供了維修旁路和操作超馳按鈕，用于在不影響正常生產(chǎn)的情況下對設備進行在線測試和工藝系統(tǒng)初始啟動時關(guān)停信號的旁路，在旁路允許開關(guān)處于允許位置時，在ESD界面進行旁路操作

    接收站的F&G系統(tǒng)選用ABB的火氣控制系統(tǒng)，安全等級為SIL3。用于探測和報告火情、危險氣體的泄漏及LNG的泄漏，以便及時采取相應措施如隔離生產(chǎn)設備，啟動消防泵、閥，開啟泡沫或消防噴淋裝置。

    F&G系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

    1. 采集并顯示可燃氣體及火災探測器的工作狀態(tài)

    2. 檢測LNG泄漏，可燃氣體泄漏及火警并以聲光形式對探測到的異常狀態(tài)報警

    3. 采集并顯示消防設備的及輔助設施的工作狀態(tài)

    4. 執(zhí)行緊急切斷邏輯，顯示緊急切斷報警信號

    5. 消防設備的聯(lián)動

    6. 向ESD輸出緊急停車信號

    輸氣管線控制系統(tǒng)

    輸氣控制部分選用ABB SCADA Vantage,SCADA系統(tǒng)是輸氣管線的自動化系統(tǒng)，主要包括主、備調(diào)度控制中心，若干分輸站的站控系統(tǒng)和遠控閥室RTU系統(tǒng)。各分輸站和閥室與控制中心通過主、備用通信線路進行數(shù)據(jù)交換，以確保SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的可靠性和安全性。SCADA系統(tǒng)支持MODBUS TCP/IP、OPC等多種通信協(xié)議。

    整合后的系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)除對輸氣管線的分輸站和遠控閥室進行數(shù)據(jù)采集和控制外，還通過標準通信協(xié)議，如：OPC協(xié)議或是MODBUS TCP/IP，從DCS系統(tǒng)中采集接收終端運行的主要工藝參數(shù)以及LNG儲罐液位、槽車外輸量等數(shù)據(jù)，視其為SCADA系統(tǒng)的一個“分輸站”，可實現(xiàn)對接收終端生產(chǎn)操作進行實時監(jiān)視并通過WEB服務器供Intranet/Internet用戶監(jiān)視接收終端和輸氣管線的生產(chǎn)操作情況。同時，SCADA系統(tǒng)可從WEB服務器中收集下游用戶的每日、每周、每月以及年提氣計劃和上游LNG運輸船的運輸計劃連同各分輸站外輸量等數(shù)據(jù)傳給DCS系統(tǒng)。通過防火墻，被授權(quán)的用戶可以通過Internet網(wǎng)絡登錄WEB服務器提交和修改其提氣計劃。DCS系統(tǒng)的聯(lián)動調(diào)度功能將根據(jù)儲罐液位，LNG運輸計劃以及下游用戶的提氣計劃來進行輸氣預測和分配，并根據(jù)接收終端外輸給輸氣管線的入口壓力和輸氣管線的管存量來調(diào)度控制接收終端的外輸量。如圖4所示。

                                            圖4  聯(lián)動調(diào)度控制

    聯(lián)動調(diào)度控制邏輯中，DCS控制器首先判斷外輸壓力是否在最小和最大操作壓力范圍內(nèi)。操作壓力高報（約為最大操作壓力的90%）則進行減輸操作，超過最大操作壓力則ESD系統(tǒng)將進行外輸緊急切斷操作；若操作壓力低報（約為最小操作壓力的110%）則進行增輸操作，低于最小操作壓力則進行增輸操作，并發(fā)出報警。

    然后，DCS控制器計算接收終端輸出量與各分輸站輸出總量之差，估算輸氣管線內(nèi)的管存量，并根據(jù)最近2小時內(nèi)的提氣計劃，計算目前的外輸量加上管存量在2小時后是否能滿足需要，若無法滿足則進行增輸操作，若可以滿足則保持外輸量不變。

    系統(tǒng)再判斷在增輸或是減輸操作時，若提氣計劃中最近2小時內(nèi)無較大用氣量的波動時只需開啟或是停止1臺高壓泵，若變化量高于1臺高壓泵的最大外輸量時則需開啟或是停止2臺高壓泵，依次類推。增輸或是減輸操作時，還需根據(jù)外輸量進行低壓泵和海水泵等其它相關(guān)工藝設備的操作，當MCC（馬達控制中心，包括對低、高壓泵以及海水泵等的控制）控制無法滿足控制邏輯的需要時，DCS控制器將自動發(fā)出報警以通知操作員進行人工處理。

    根據(jù)LNG運輸船的運輸計劃，從當前到LNG運輸船卸料期間判斷LNG余量是否能滿足輸氣管線外輸計劃量，無法滿足則發(fā)出報警提醒操作員應與下游用戶協(xié)商調(diào)整用氣計劃；另外，系統(tǒng)還需判斷LNG運輸船到達開始卸料時罐內(nèi)是否具有足夠的空間容納該船LNG的卸貨量，無法滿足則發(fā)出報警提醒操作員應與下游用戶協(xié)商調(diào)整提氣計劃或通過其它方式（如：槽車運輸）多提氣以使在LNG船到達卸料前留出足夠的空間。

    四、控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示，主控中心的接收站控制系統(tǒng)和分輸站控制中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分輸站控制中心可以對各個分輸站及閥室進行控制。服務器、控制器和網(wǎng)絡均為冗余配置，保證了系統(tǒng)的安全。

                                         圖5 福建LNG自控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

    五、控制系統(tǒng)技術(shù)特點

    800xA系統(tǒng)

    800xA提供了一個可視化的環(huán)境，為你的工程設計、控制策略組態(tài)、流程圖繪制、信息管理、資源優(yōu)化、現(xiàn)場設備集成提供了簡單而又強大的工具和靈活的分布式工程環(huán)境。

    流程圖功能設計

    800xA的流程圖設計可以使你的工程師成為一個“工程師”而不是“程序員”。自動化的流程圖設計使工程變得非常簡單實用。由于流程圖的設計是基于功能的，所以你不必對控制器和I/O有深入的了解就可以設計。另外，800xA還支持在線監(jiān)測和整定功能。

    過程可視化

    運用800xA的綜合庫中的預定義的元素和符號，用戶可以方便地定制交互式的流程圖。系統(tǒng)還支持位圖、照片和第三方的圖像元素。

    現(xiàn)場總線管理

    現(xiàn)場總線管理包括HART、Foundation Fieldbus和Profibus，為工程師提供一個方便的總線設計工具，這個工具集成了上至網(wǎng)絡拓撲，下至現(xiàn)場元素，如設備參數(shù)、應用程序計劃、試車和詳細的診斷信息。

    批量數(shù)據(jù)管理

    800xA系統(tǒng)的批量數(shù)據(jù)管理利用微軟的Excel和Excel ADD-INS,允許外部數(shù)據(jù)的自動導入，如信號列表，標簽名或文檔?？梢栽谌魏螘r候?qū)⑾到y(tǒng)數(shù)據(jù)導出，進行驗證和修改。

    靈活的報表生成和分發(fā)

    800xA支持靈活多樣的報表功能，報表的格式是一種熟悉的易于使用的格式。不僅可以完全滿足工廠和文檔的需求，而且對用戶的決策、計劃來說都是一個可以改進性能的強大工具。

    完善的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

    用戶定義的數(shù)據(jù)架構(gòu)和運算提供了強大的、可多次復用的算法和程序。用戶可以以此將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息，如KPI（關(guān)鍵性能指數(shù)）、原料屬性和完善的控制支持。數(shù)據(jù)架構(gòu)也可以用來將外部數(shù)據(jù)集成到系統(tǒng)中來。

    安全的歷史數(shù)據(jù)存儲和讀取

    容錯的分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證了可靠的數(shù)據(jù)存儲和可用性，用戶對這些數(shù)據(jù)訪問是有權(quán)限限制的，同時這些數(shù)據(jù)可離線存儲。電子數(shù)據(jù)符合企業(yè)需求，為決策提供可靠的依據(jù)。

    集成的管理和組態(tài)

    嵌入的歷史數(shù)據(jù)處理功能采用系統(tǒng)內(nèi)在的組態(tài)和管理。這允許單點改變的管理，消除了多個數(shù)據(jù)庫不一致而需要另外工程復制的風險。

    保證批量生產(chǎn)的持續(xù)性、確保穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)周期

    800xA批量管理提供無與倫比的處方管理、批量控制及程序控制，遵守行業(yè)規(guī)范、安全性和可靠性。它不僅針對日益增加的產(chǎn)品要求，為您提供敏捷的、快速的、可控制的響應、同時減少運營成本；減少生產(chǎn)停工，從而在市場上獲得長期的競爭優(yōu)勢。

    SCADA Vantage系統(tǒng)

    SCADA Vantage系統(tǒng)針對應用于特殊工業(yè)的解決方案為從單一節(jié)點模式安裝到多服務器系統(tǒng)提供了可擴展性和開放性。加之，解決方案的執(zhí)行所依據(jù)的是基于客戶/服務器原理和冗余的面向目標系統(tǒng)。通過可組態(tài)的授權(quán)系統(tǒng)提供安全保證，防止未經(jīng)授權(quán)的人員進入系統(tǒng)。通過如ODBC、COM、OPC和OLE的標準可以與系統(tǒng)進行開放性通訊。除了這些先進的特點之外，還具有冗余配置的完善的前端通信，以及當遇到通信中斷時使用遠程設備進行自動切換的功能。

    系統(tǒng)改進了管線設施和增壓站的利用效率、結(jié)果是加快了周轉(zhuǎn)，增強了功能。產(chǎn)品能夠以最短的時間和最低的成本從生產(chǎn)地運送到消費地。ABB提供的解決方案保持盡可能低的運行費用。

    特點：

    冗余、開放的架構(gòu)

    面向目標的實時數(shù)據(jù)庫

    集成的歷史記錄服務器

    集成的管線模型，先進的流程圖

    從單節(jié)點設備到多服務器系統(tǒng)的可擴展性

    在整個系統(tǒng)和應用中調(diào)用的直觀組態(tài)工具

    支持OPC和工業(yè)標準的通信協(xié)議，例如IEC 870－5－101/104和DNP3.0

    能簡單地與管線站控自動化解決方案相集成

    六、總結(jié)

    福建LNG投用以來，成功、順利地接收了第一船LNG，比預期計劃節(jié)省一周時間。優(yōu)化的控制方案為LNG每月節(jié)省數(shù)百萬元。天然氣已經(jīng)輸送到莆田、惠安、泉州、宏路等站，下游的用戶已經(jīng)用上了福建LNG提供的天然氣。

    充分利用自動化控制技術(shù)和信息處理技術(shù)，將不同但關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)進行整合，實現(xiàn)之間的聯(lián)動調(diào)度控制，提高生產(chǎn)調(diào)度的工作效率，避免人為操作的不確定性，以信息化帶動LNG接收終端和輸氣管線聯(lián)動調(diào)度控制的現(xiàn)代化，全面提升企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營和管理的綜合能力。

    【參考文獻】

    [1] 王遇冬，天然氣處理原理與工藝，中國，中國石化出版社，2007

    [2] 郭揆常，液化天然氣（LNG）應用與安全，中國，中國石化出版社，2008

    [3] ABB 800xA 技術(shù)資料

    [4] ABB SCADA Version 技術(shù)資料

    [5] 中國石油天然氣管道工程有限公司，福建LNG站線項目輸氣干線初步設計，2005

    [6] CBI、中國成達工程公司，福建LNG站線項目接收站工程FEED設計，2005





                                                                              此文摘自中國工控網(wǎng)