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运用ABB SCADA和800xA改善天然气输送系统的运行与管理

发布时间:2010-04-27 作者:冯志美 王飞 毕晓星

        中国东南部的福建液化天然气 项目是国内企业独立管理、 建设、运营和维护的第一个项目。
        从 2009 年 2 月起,印度尼西亚东固 天然气田开始为这个项目供应天然 气。当前进口量为每年 260 万吨液化 天然气,计划到 2012 年达到每年 500 万吨。该项目包括一个接收站和 360 公里输气管线,这条管线经过 福建东南部的福州、莆田、泉州、 厦门和漳州等沿海城市, 为这五 座城市的天然气公司和三家燃气电 厂供应天然气。液化天然气一般采 用专用运输船从产地的输出站运到 接收站,在接收站转换成气体,通 过输气管线分配给最终用户。天然 气主要成分是甲烷 (CH4)。天然气在 常压下冷却至 -162 oC 时成为液体。 液化后天然气的体积减少为原来的 六百分之一,更易于远距离运输、 储存和使用。因此,液化天然气成 为天然气海上运输的主要方式 1)。 今天,通过完整的生产、运输和配 送设施,可以维持天然气对发电厂 和销售网络的稳定供应。福建液化 天然气项目建立了包括液化天然气 生产、储存、运输、接收和再气化 的完整过程 (见图 1 )。


        通过完整的生产、运输和配送 设施,可以维持天然气对发电 厂和销售网络的稳定供应。
        液化天然气接收站
        液化天然气接收站一般由卸船、储 存、再气化 (出口)、蒸气处理和尾 气燃烧 (排空) 等 5 个流程子系统组 成 (见图 2 )。


        液化天然气的卸船和储存
        在液化天然气运输船停靠码头后, 通过码头上的卸船臂,将运输船上 的输出管线与陆地上的卸船管线连 接。然后,用泵将运输船储罐中的 液化天然气传送到岸上接收站的储 罐内。在这个过程中,运输船储罐 内的气压会逐步降低,为了保持压 力,要把陆地储罐里的气体通过回 气管和输气臂,再送回到运输船储 罐。在不卸载液化天然气期间,利 用陆上储罐输送泵把液化天然气送 入卸船管线中以保持其低温状态。 这些液化天然气可通过隔热管返回 储罐中。
        液化天然气的再气化和输出
        通过储罐输送泵加压之后,储罐内 的部分液化天然气进入再冷凝器, 一定量的蒸气也被液化。使用高压 泵对来自再冷凝器和储罐低压泵的 混合液化天然气进行加压,并使其 进入汽化器。在通过输送管线输送 给最终用户之前,要用计量仪表计 量天然气体积。为了保证储罐输送泵和高压输出泵的正常运行, 需要 在所有泵出口处安装回流管。利 用回流管调节流量补偿液化天然气 运输能力的变化, 这样, 即使输 出停止, 也能保证系统处于低温 状态。
        液化天然气的蒸汽处理和放空 蒸汽处理系统用于保证液化天然气 储罐在一定压力范围内正常运行。 在储罐内,压力变送器监测压力值, 确保储罐压力不会过高或过低。当 压力过高或过低时,蒸汽处理系统 采取适当措施,控制储罐内的气体 压力。为了防止液化天然气储罐出 现真空,工艺流程中提供一个真空 气体补给系统。
        ABB 的 SCADA 系统采用开放 式、可兼容的以及普遍使用的 标准通信协议,所以可与多种 类型的 DCS 控制器进行信息 交换。
        输气干线
        输气干线由配有支线的输气管线、 阀门站和调压站组成。阀门站用于 切断管线,提供无人监测和远程控 制,而在天然气经过过滤、计量、 加热和调压后,调压站将天然气输 送到下游最终用户,如城市天然气 站和发电厂 (见图 3 )。


        液化天然气控制系统
        由于福建液化天然气项目涉及众多 的工艺流程,其中包括监控和数据 采集系统 (SCADA) 、应急 关闭 (ESD) 系统 火灾和 天然气 (F&G) 监测系统 和集散控制系统 (DCS) 因此需要当地运行的控制系统和远 程监控系统。集成这些多功能系统 是该项目技术方面最具挑战性的 难题。
        为了控制接收站内泵的运转方向, 要在接收站 DCS 系统中内置联合 调度控制逻辑。作为整体设计的一 部分,首先要确保 DCS 与 SCADA 之间的通信顺畅。目前,DCS 系统与 DSC 控制器之间的内部通信协议 大部分是独立开发的,经常出现不 兼容现象。然而,ABB 的 SCADA 系 统采用开放式、可兼容的以及普遍 使用的标准通信协议, 所以可与 多类型的 DCS 控制器进行信息交 换。将 SCADA 系统与 DCS 系统进行 集成并非易事,而要集成不同制造 商提供的控制系统更加困难。福建 液化天然气项目采用 ABB 的扩展 自动化系统 800xA 监控液化天然气 接收站的控制系统,并采用 ABB 的 SCADA Vantage 监视输气管线的控 制系统 (见 资料库 5 )。这就是说, 通过使用系统 800xA 平台,可整合 接收站 DCS、ESD 及 F&G 系统。
        系统 800xA 可使用多种通信协议, 使系统 800xA 软件可与接收站的第 三方设备无缝交换数据,而用于输 气管线的 SCADA Vantage 软件可 同时监测中央控制系统和站点控制 系统。
        接收站控制系统
        就控制范围而言,接收站自动化系 统分为中央控制系统和码头控制系 统。这些控制系统均包含 DCS、ESD 系统和 F&G 监测系统。中央控制 系统控制的资产包括码头设备之外 的所有装置, 即储罐、压缩机、 再冷凝器和用海水进行加热的开放 式台架汽化器 (ORV) 等。
        DCS 是用于监测和控制液化天然气 接收站工艺流程的主要自动化系 统。除此之外, 系统由下列两个 独立部分组成: 用于关闭接收站 的 ESD 系统和用于探测火灾和液化 天然气及天然气泄漏的 F&G 监测 系统。ESD 系统使用安全完整性等 级 3 (SIL3) 的 ABB 安全控制系统。当 流程扰动威胁人员安全、环境或设 备,或者造成重大经济损失时,ESD 系统启动相应互锁保护装置,防止 危险或事故进一步升级。所用的 F&G 系统是符合 SIL3 的 ABB 火灾和 气体控制系统。该系统探测火灾和 液化天然气及其它有害气体泄漏, 发出报警, 按照需要激活灭火系 统,采取措施隔离生产设备。
        输气管线控制系统
        ABB 的 SCADA Vantage 用于监测和控制输气管线,其构成主要包括首 选和备用调度控制中心、用于调压 站的若干站点控制系统以及远程控 制阀门站等。每个调压站和阀门站 都有一个控制中心,它通过主通信 线路和备用通信线路,进行数据交 换,以保证通过 SCADA 系统的数 据通信安全可靠。SCADA 系统支持 多种通信协议,如 MODBUS TCP/ IP、OPC 和 IEC104 2) 等。
        综合调度系统
        SCADA 系统为调压站执行数据采集 和控制任务,并远程控制输气管线 的阀门站。除了 DCS 提供的数据 之外,这个系统还获取接收站主要 流程参数,如储罐内液化天然气的 液位以及汽车发运的输出量等。这 种数据采用诸如 OPC 或 MODBUS TCP/IP 等标准协议进行通信传输。 因此可将 DCS 看成 SCADA 系统中 的调压站,可实时监控接收站的生 产运作, 并通过网站服务器使用 户监视接收站和输气管线的生产和 运行状态。同时, 通过网站服务 器,SCADA 系统还能为下游用户收 集每日、每周、每月和每年的天然 气供气计划以及为上游液化天然气 运输船收集运输计划。这些数据连 同记录每个调压站输出量的数据一 起,都传输给 DCS 系统。凭借防 火墙的保护,授权用户可使用互联 网登录网站服务器,提交和修改天 然气申报计划。根据储罐液位、液 化天然气运输计划以及下游用户的 天然气供气计划,DCS 的联合调度 功能将预测天然气输送和分配量。 然后, 它将根据接收站的进口压 力、输气管线的输出量以及输气管 线的存气量,调度和控制接收站的 出口量 。
        在综合调度的控制逻辑中,DCS 控 制器首先要确定出口压力是否在最 小和最大工作压力范围内。如果工 作压力过高 (大约是最大工作压力的 90 %),系统减少出口量。如果超过 最大工作压力,ESD 系统将执行紧 急关闭操作。但如果工作压力过低 (大约是最小工作压力的 110 %),系 统将增加出口。如果低于最小工作 压力,ESD 系统将执行增加出口操 作,并发出报警信号。
        DCS 控制器将立即计算出接收站输 出量与各调压站总输出量之间的差 异。它可以估算输气管线中的存 气量。考虑前两小时天然气供气计 划,可以确定现有输出量加上管线 中的存气量是否可以满足未来两小 时的需求。如果预测需求超过预计 的输出量,DCS 控制器将增加天然 气输出量。
        当系统确定是否执行增加或减少输 出量操作时,系统首先根据天然气 供气计划,检查前两小时里,天然 气消耗量是否出现过重大波动。如 果波动在一套高压泵最大输出量范 围之内,只需启动或关闭这些高压 泵即可。如果变化大于这组高压泵 的最大输出量,根据波动幅度,可 能需要启动或关闭两组高压泵或者 甚至需要三组高压泵。在执行增加 或减少输出量操作时,还需要相应 调整如低压泵和海水泵等其他流程 设备的运行,使之适应于改变后的 输出量。电机控制中心 (MCC) 包括 控制高低压泵和海水泵,当其不能 满足控制逻辑要求时,DCS 控制器 将自动发出报警信号,提示操作人 员切换至手工处理模式。
        ABB 的 SCADA 和系统 800xA 提高了生产调度的工作效率, 避免运行中出现判断错误,协 调液化天然气接收站与输气管 线之间的联合调度控制。
        根据液化天然气运输船运输计划, 集成调度系统可以判断到下一次液 化天然气运输船卸船之前,液化天 然气裕量是否能够满足输气管线的 计划输出量。如果液化天然气裕量 不能满足要求, 系统发出报警信 号,提醒操作人员,与下游用户谈 判,调整天然气用量。另外,系统 还要判断储罐是否有足够的空间, 能容纳从运输船上卸载的液化天然 气。如果储罐中的空间不够, 系 统也会发出报警信号,提醒操作人 员,与下游用户商量调整天然气供 气计划或通过其他方式 (如罐车运 输) 增加供气量,以便在储罐中腾出 适当空间,接收按计划到货的液化 天然气。
        控制系统
        主控 制中心与接收站控制系统和调压站 控制中心进行通信联络。调压站控 制中心监控若干调压站和阀门站。 这样的设计确保服务器、控制器以 及网络均有冗余,以便保证系统安 全性。
        优化
        福建液化天然气项目投入运行以来 已经成功接收了第一船液化天然 气。优化的控制解决方案每月可为 液化天然气供应节省数百万美元。 天然气已经运输到莆田、惠安、泉 州、宏路供应站,下游用户已经用 上了福建液化天然气项目提供的天 然气。
        福建液化天然气项目充分利用自动 化控制和信息处理技术优势,集成 了各种不同、但又相互关联的生产 流程控制系统,因而能够有效综合 调度供应给最终用户的液化天然 气。ABB 的 SCADA 和系统 800xA 提 高了生产调度的工作效率,避免运 行中出现判断错误,协调液化天然 气接收站与输气管线之间的综合调 度,因此全面提高了企业的生产、 运行和管理综合能力。

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