CS3000系統在酸性水汽提裝置中的設計與應用

摘 要：介紹了酸性水汽提裝置的主要工藝流程及橫河CS3000集散控制系統等。從工程設計的角度，介紹了酸性水汽提裝置的控制系統硬件配置、主要控制方案、控制系統的組態、供電、接地及工程實施等方面。

關鍵詞：集散控制系統；酸性水汽提裝置；設計

1 概述

天津石化100萬噸/年乙烯及配套裝置是國內新建大型石化生產裝置之一，為了滿足生產與環保的需要，各工藝裝置生產的含硫污水集中處理，為此，新建一套130噸/時酸性水汽提裝置。根據污染集中治理、節省投資與占地、綜合利用、節能降耗、合理優化等原則，130噸/時酸性水汽提裝置與氣體脫硫及溶劑再生裝置聯合布置、統一管理、聯合操作，實現全廠酸性氣、酸性水處理的安全、穩定、優化、長效。

天津130噸/時酸性水汽提裝置、氣體脫硫及溶劑再生裝置與煉油工程新建生產裝置、輔助設施及相應的公用工程共用一個中央控制室（CCR1）。采用中央控制室和現場機柜間分離設置的方式。中央控制室設置在非爆炸危險區域，操作管理人員在中央控制室完成生產裝置的控制、監測、操作及管理等。現場機柜間設置在130噸/時酸性水汽提裝置/氣體脫硫及溶劑再生裝置內（FRR1-08）。現場儀表信號通過電纜連接到現場機柜間（FRR1-08），從中央控制室（CCR1）到現場機柜間（FRR1-08）的信號傳輸采用冗余光纜。

2 工藝流程簡述

自裝置外來的混合酸性水，進入原料水脫氣罐，脫出的輕油氣送至工廠火炬系統，脫后的酸性水進入原料水罐沉降除油，再經原料水泵加壓后進入原料水除油器進一步除油，再脫出的輕污油間斷自流至地下污油罐。除油后的酸性水進入原料水罐，經原料水增壓泵加壓后送至酸性水汽提部分。具體原則流程圖如圖1所示。

來自預處理部分的酸性水，與主汽提塔底凈化水換熱至100℃后，進入主汽提塔上部。塔底用0.4MPa蒸汽通過重沸器間接加熱汽提，以保證塔底溫度129.3℃；冷凝后的凝結水送至氣體脫硫及溶劑再生裝置凝結水回收罐。主汽提塔頂酸性氣經空冷器冷卻至85℃后進入塔頂回流罐，冷凝液經塔頂回流泵返塔作為回流，酸性氣送至20萬噸/年硫磺回收裝置。主汽提塔底凈化水經換熱器、空冷器冷卻至40℃，一部分送至上游裝置回用，剩余部分排至含油污水管網。具體原則流程圖如圖2所示。

酸性水汽提裝置的主要設備有主汽提塔、換熱器、重沸器、冷卻器、空冷器、原料水罐、原料水除油器、離心泵等。

3 自動化水平

本裝置自動控制系統采用集散控制系統（以下簡稱DCS）。DCS系統融合了計算機技術、通訊技術和圖形顯示技術，以微處理器為核心，對生產過程進行集中操作管理和分散控制，具有精確度高，可靠性好和維護工作量少等特點，能夠實現裝置的集中控制、平穩操作、安全生產、從而提高生產產量和質量，降低能耗，充分發揮工藝裝置的生產加工能力，提高裝置的經濟效益。DCS系統建立了實時數據庫，實現整個工程項目的計算機信息管理和生產統一調度、統一管理，工藝數據報警均在DCS系統中實現。

本裝置DCS系統采用橫河CS3000控制系統。中央控制室、機柜間系統配置圖如圖3、4所示。

3.1 CS3000系統概述

橫河CS3000控制系統（Vnet/IP）是基于TCP/IP協議的雙網路結構，網絡上的數據采用廣播的方式進行傳輸，數據的傳輸速率為1GB/秒。CS300

0系統包括現場控制器和人機界面。現場控制器直接監控現場設備的數據，人機界面為操作員提供了處理這些過程數據的界面，也為操作員提供了多種操作界面：如工藝流程圖、儀表操作面板、系統狀態報警及過程數據等；同時，CS3000系統通過RS485方式，與SIS、PLC等系統進行通訊，為這些系統提供數據操作界面。CS3000系統是一套規模適合、性能先進、功能完整、設備可靠、具有開放性的控制系統。

3.2 系統硬件

系統硬件的基本組成包括操作站、工程師站、現場控制器和通信網絡。

3.2.1 操作員站

操作員站主要是對現場的過程變量數據進行操作和監控，并對整個系統的運行狀態及報警進行監控。每個操作員站配置了標準操作員鍵盤。

本裝置操作員站采用雙層的22\"寬屏顯示器，安裝了MS Windows XP操作系統。各個裝置的操作員站進行分組，每組操作員站配置了一臺具有工程師組態功能的操作員站，并配置了相應的軟件。

3.2.2 工程師站

工程師站主要是對系統進行維護組態、系統調試，開車時離線下載，在線運行時，可以在線修改組態并下載。

本裝置工程師站采用單層的22\"寬屏顯示器，安裝了MS Windows XP操作系統。

3.2.3 現場控制器

現場控制器完成過程數據的采集、運算和控制信號輸出等功能，實現對生產過程的控制。

本裝置采用雙冗余機架型控制器，配置應用擴展功能軟件包，最多可下掛的節點數可達14個。現場控制器包括2塊處理器單元，2個電源模塊，2塊ESB總線模塊，以及6個可以插I/O卡件的插槽，最多可以安裝6塊I/O卡。

（1）處理器單元采用了4個CPU，可靠性極高，實現了完全的容錯冗余功能。每塊處理器單元模件內設計了2個獨立的CPU單元，將兩個獨立的CPU單元運算結果進行一致性比較，如果比較結果一致，則該側控制器輸出運算結果。這樣有效地診斷出任何硬件故障或隨機性運算錯誤，阻止任何錯誤輸出，并保證不間斷地輸出正確的控制運算結果。2塊處理器互為事實冗余，其中一塊出現異常，系統自動報警，切換到另一塊處理器，不會影響系統的控制功能。（2）現場控制器采用兩路獨立的供電模式，分別對處理器、I/O卡件及通訊模塊提供冗余的電源，其中的任何一路電源有故障時，都不會影響整個系統的運行，系統會自動報警。（3）ESB總線通訊模塊是用來接連處理器和下掛Node的I/O通訊總線，2塊通訊模塊互為冗余，任何一個通訊模塊有故障時，都不會影響整個系統。

3.2.4 通訊網絡

CS3000 Vnet/IP控制系統的數據傳輸網絡是基于IEEE802.3和Vnet/IP協議的開放性網絡結構。由于天津項目裝置較多，系統網絡結構很大，傳輸數據量較大，為了降低整個系統網絡的數據傳輸負荷，把煉油裝置劃分為6個局域網LAN1～LAN5、LAN8，所有煉油裝置的人機界面主要集中在第一中央控制室（CCR1）進行控制操作和監視。每個LAN對應1個相對獨立的域，各個LAN內部網絡單元的數據通訊配置了思科的2層交換機，主要是把本局域網LAN內所有控制設備連接到一起，如現場控制器、操作員站、工程師站、數據采集終端等設備。在各個局域網之間，配置了思科的3層交換機，主要是把每個相關的局域網連接到一起，把各局域網的數據傳輸到上層網絡，上層網絡中的工藝工程師站、GDS站以及全局工程師站等都可以通過3層交換機，對下層網絡的相關設備進行操作和監控。

4 酸性水裝置I/O點規模及I/O卡件配置

酸性水裝置控制系統I/O卡件配置規模見表1。

5 主要控制方案

酸性水汽提裝置控制回路以單回路控制系統為主，根據控制需要也設置了復雜控制回路。例如主汽提塔塔頂回流罐液位與主汽提塔塔頂回流流量串級控制回路；主汽提塔酸性水的進料流量與重沸器蒸汽流量比值控制回路；原料水脫氣罐頂輕油氣至火炬壓力分程控制回路；脫臭系統壓力指示聯鎖控制回路等等。下面對串級控制及比值控制進行簡要說明。

5.1 串級控制

串級控制系統是兩個控制器串接，主控制器的輸出作為副控制器的設定，適用于時間常數及純滯后較大的被控制對象，具有可減小副控制對象的等效時間常數、提高系統的工作效率、抑制進入副控制回路的擾動、適應負荷變化等特點。

串級控制系統的目的是更好地穩定主變量，使之等于給定值，主回路是給定值控制系統。副回路的給定值是主控制器的輸出值，在串級控制系統中，副變量不是不變的，而是隨主控制器的輸出變化而變化，它是一個隨動控制系統。

酸性水汽提裝置主汽提塔塔頂回流罐液位控制回路LICA-20201與主汽提塔塔頂回流流量控制回路FICQ-20201組成串級控制回路。LICA-20201作為主回路，FICQ-20201作為副回路。主汽提塔塔頂回流罐控制流程圖如圖5所示。

任何一個控制系統在投運前，必須正確選擇調節器的正反作用，使控制作用的方向正確，否則在閉合回路中進行的不是負反饋而是正反饋，它將不斷增大偏差，造成無法調節。

串級回路主、副調節器作用方式確定方法如下：副調節器的作用方式與副對象特性、控制閥的氣開、氣關形式有關，按照使副回路成為1個負反饋系統的原則來確定，根據此原則判斷副調節器的作用方式為正作用。在副回路構成閉環回路之后，串級控制系統主調節器作用方式與主對象特性有關，根據此原則判斷主調節器的作用方式為正作用。

在生產過程中，當主汽提塔塔頂回流罐的液位LT-20201增加時，主調節器LIC-20201為正作用方式，所以輸出值增加。副回路為隨動控制系統，副調節器FIC-20201為正作用方式，所以調節閥FV-20201的開度增加，塔頂回流罐酸性水至主汽塔流量增加，液面下降，達到生產工藝控制要求。具體組態連接圖如圖6所示。

5.2 比值控制

在生產過程中，經常要求兩種（或更多種）物料以一定的比例混合后參加化學反應，以保證反應時充分節約能量，為此需要運用比值控制系統。比值控制系統分為單閉環比值控制系統、雙閉環比值控制系統、串級比值控制系統及帶邏輯提量的比值控制系統。

酸性水汽提裝置主汽提塔酸性水進料流量FIC-20301與重沸器蒸汽流量FIC-20101、FIC-20102組成雙閉環比值控制系統，具體流程圖如圖7所示。雙閉環比值控制系統的特點是在保持比值控制的前提下，主動量和從動量兩個流量均構成了閉環回路，這樣它能克服自身流量的干擾，使主、從流量都比較平穩，并使得工藝總負荷也較穩定。

主汽提塔酸性水進料流量和重沸器蒸汽流量的比例是一定的，而酸性水的入塔量由上一道工序決定，這樣主汽提塔進料流量為不控量。當酸性水的流量FIC-20301產生波動時，調節蒸汽流量FIC-20101及FIC-20102，保證酸性水和蒸汽的比例不變。所以FIC-20301為主動量，FIC-20101及FIC-20102為從動量。具體組態連接圖如圖8所示。

圖8中，FIC-20301為主動控制回路，FIC-20101、FIC-10102為從動控制回路，RATIO 為比例設定器，FOUT為串級信號分配器，TT-20111、PT-20101為FIC-20101、FIC-10102的溫度補償及壓力補償。酸性水流量通過比例設定器作為蒸汽流量調節的給定值，通過串級信號分配器，將給定值等同的分配給兩路輸出。

6 控制系統工程組態

組態選用DCS系統所提供的軟硬件工具，對所選用儀表設備、所需的過程參數、控制方案運行定義和連接，從而滿足工藝控制過程的要求。CS3000的組態主要包括系統COMMON組態，操作站（HIS）組態，流程圖組態，控制站組態（FCS）。

系統COMMON組態主要包括系統結構組態，系統常數組態，工程單位組態，報警表組態，報警優先級組態等。操作站（HIS）組態包括操作站構成，操作分組，連接傳輸，趨勢記錄，畫面名，窗口名等。流程圖組態即帶控制點的工藝流程圖組態。通過這些部分組態設定，使操作站（HIS）具備了人機接口的功能，使操作員能夠通過操作站對生產過程操作。

控制站（FCS）組態主要包括控制站硬件組成、I/O卡件分配、控制回路圖的設計等。控制回路圖使根據工藝生產要求設計相應的控制方案，將現場信號分配給I/O卡，進行數據的傳輸和處理，完成控制方案的功能塊的連接，達到控制目的，符合工藝生產要求。

7 供電及接地

7.1 供電

控制系統電源采用兩路UPS電源和一路IPS電源。由于DCS系統是生產裝置儀表控制的核心，可靠性要求高。而控制站是DCS系統最重要的部分，正常情況下，只要控制站部分運行正常，其他部分即使短時間失電也不會給裝置生產造成大的影響。因此，保證控制站的供電基本上就保證裝置不會出現重大事故。控制站本身配置了雙路供電的冗余電源系統，冗余電源系統的電源來自兩個獨立的電源，任何時候只要有一個回路的供電正常，系統就能夠正常工作。控制系統電源配置具體如下：

（1）UPS電源的容量15KVAx2，供給各控制系統。

UPS電源要求：220V AC 50HZ，蓄電池容量應保證電源故障時持續30分鐘供電， 切換時間≤5ms。

（2）IPS電源容量5KVA，供給機柜照明、維護插座和風扇等。

儀表工業電源（IPS）要求：220V AC±10% 50HZ。

現場需要外部供電的儀表設備，由設置在機柜室（FRR1-08）的UPS電源配電柜提供。

7.2 接地

為了保護操作人員和系統設備本身的安全，以及所有儀表信號的準確性，酸性水汽提裝置接地系統設置保護接地和工作接地。凡DCS系統柜、配電柜、服務器柜、網絡柜以及操作臺等用電設備的金屬外殼及控制設備正常不帶電的金屬部分，由于多種原因（如絕緣老化、零線接地斷線等）而可能帶危險電壓者，均應作保護接地。工作接地包括信號回路接地、屏蔽接地等。保護接地匯總板和工作接地匯總板經過各自的接地干線接到接地匯總板，最終所有的接地都匯總到一個工廠電氣接地網，實現了等電位接地。

8 工程實施

整個項目調試、投運工作開展順利，系統投運效果良好。在DCS系統上實現了塔頂回流罐液位與主汽提塔塔頂回流流量串級控制，提高了工作效率；主汽提塔酸性水進料流量和重沸器蒸汽流量比值控制，節約了能源；脫臭系統聯鎖保護功能強大，自動化程度較高，使復雜的操作和控制變得更直觀、更清晰。

9 結束語

CS3000控制系統在酸性水氣提裝置應用取得良好效果。投運以來，系統運行穩定，控制可靠，操作方便靈活，控制方案設計合理，控制功能完全滿足了工藝的要求，為提高該廠現代化管理水平打下了基礎。

參考文獻

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