公用工程控制系统与仪表应用新趋势

贾敬华

（中国石化集团上海工程有限公司，上海 200120）

公用工程控制系统与仪表应用新趋势

贾敬华

（中国石化集团上海工程有限公司，上海 200120）

随着工厂现代化，公用工程的自控原来不被重视，现在亦发生了很大变化。公用工程的自动化除了为搞好生产外，还紧紧和节能减排联系在一起。我们应根据公用工程工艺特点、国家政策、仪表质量的提高一起来考虑公用工程自控设计问题。

高精度；节能减排；无线仪表；安全仪表；安装；标准

1 引言

任何一个供车间（厂）的水、蒸汽、原料以及出车间（厂）废水、废气等都尽量采用集中供、排原则。因此，其特点是：集中、管道大、主要露天。一般在设计上称为公用工程。公用工程在任何一个项目中都是必不可少的，小到一个药厂，大到一个石化企业。公用工程的组成部分大致相同。近年来，随着节能减排的政策，随着自控的发展，公用工程装置在自控设计中有着明显的变化。

2 控制系统的选用

公用工程的自动控制从采用传统的盘装二次仪表指示、控制、报警，到现在大多数石化企业公用工程都引入了分散控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）、仪表设备管理系统(AMS)、火灾和气体检测报警系统（FGS）等，对公用工程及辅助设施进行集中控制、操作和管理。

DCS系统完成各公用工程装置的基本过程控制、操作、监视、管理、顺序控制、工艺联锁和部分先进控制也在DCS系统的网络设备中完成。DCS系统各控制站配置冗余的串行通信接口连接安全仪表系统（SIS）、火灾和气体检测报警系统（FGS）、设备包PLC等系统。例如：在某大石化公司二期改造项目中，与一期相比，有明显变化，在公用工程区域就多处采用了PLC+DCS的组合控制模式，采用分散控制，集中监控的方式。DCS系统采用了Deltav系统，为了满足DCS系统扩容的需要，二期扩建的装置以及公用工程的DCS系统均进行了系统升级。在我们设计的公用工程中，如：循环水系统，采用了一些比例、串级的复杂控制回路对供水系统进行控制；空压系统则主要是空压机设备带来的PLC来控制和监控空压机的运行，再将PLC系统的信号采用RS-485的冗余通讯方式，传送至公用工程的中央控制室DCS系统进行实时监控。因为全部远传仪表均采用4~20 mA DC叠加Hart通讯协议，系统对仪表进行自诊断。并且引入了AMS仪表设备管理系统(Asset Mangement System)。仪表设备管理系统AMS是工厂对现场仪表、调节阀进行维护、校验和故障诊断的管理系统，是全厂性的维护和故障诊断系统的一个组成部分。

3 仪表的选用

3.1 流量仪表的选用－精度要求提高

公用工程及界区计量仪表一般考虑如下：

（1）进出装置界区的液体及气体原料和产品，作为经济核算依据，选用高精度质量流量计，或带温度、压力补偿的高精度容积式流量计。

（2）进出装置界区的水、蒸汽、气体等公用工程系统的计量仪表选用节流装置(带温度、压力补偿装置)或其他类型仪表如：电磁流量计、涡街流量计和超声波流量计。

进出装置界区的计量仪表宜安装在供方的管线上。

（3）流量计量仪表的精度选择，应考虑测量仪表的使用场合、物料特性、计量要求等因素。

（4）对于流量计量精度要求见下表。

表 流量仪表要求计量精度表

因此，总的原则是，对公用工程的介质计量，流量仪表的选用趋势是在满足预算的前提下，选择高精度的仪表。

3.2 阀门的选择－蝶阀的应用越来越多

公用工程的阀门的选择，通常选用单座阀、蝶阀、偏心旋转阀，闪蒸或气蚀情况下，调节阀选用笼式调节阀，阀内件要堆焊硬质合金。由于公用工程的工艺特点为：低温低压、大口径的公用工程的系统调节，在相同调节要求的情况下，蝶阀应是首选。

比较先进的蝶阀是三偏心金属硬密封蝶阀，与传统蝶阀相比，具有耐高温、操作轻便，启闭无摩擦，关闭时随着传动机构的力矩增大来补偿密封，提高了蝶阀的密封性。蝶阀的主要优点：启闭方便、迅速、流体阻力小，可以经常操作；结构简单，体积小，重量轻，造价低。低压下，可以实现良好的密封。

例如：在该公司二期改造项目中，与一期阀门选用有很大不同，公用工程单元的调节80%都选用的调节蝶阀，选用的调节蝶阀的开度范围为25%~65%，按照调节蝶阀的线性曲线，推荐选用的最佳开度为30%~60%，调节性能最佳。

对于开关阀，通常选用球阀或蝶阀。开关阀执行机构通常选用活塞式。

3.3 温度仪表的选用－总线型多点温度变送器应推广应用

就地温度指示仪表选用双金属温度计。远传温度通常选用智能型一体化温度变送器。测量元件：热电阻Pt100用于-200℃～400℃或温度补偿场合；“T”型热电偶用于-120℃～370℃；“J”型热电偶用于 0℃～ 760℃；“K”型热电偶用于-120℃～1260℃。

对于成套设备的温度监控，如：高压水泵或风机等，宜采用总线型多点温度变送器，这样既节省系统卡件，又节省信号电缆。

3.4 液位仪表的选择－超声波液位计和雷达液位计已广泛采用

就地液位指示选用磁性浮子液位计、液位开关等。近年来，由于超声波液位计和雷达液位计性能提高，远传仪表通常采用超声波液位计和雷达液位计。

3.5 压力仪表的选择－隔膜型和毛细管远传变送器解决难题

压力测量通常选用不锈钢弹簧管压力表和智能压力变送器。易腐蚀和自聚介质压力测量选用隔膜压力表。另外，在公用工程中，水，蒸气等介质需要保温防冻，特别是在北方天气寒冷地区，需要伴热、保温。为了避免伴热增加的费用以及工厂正常运行后，伴热增加的维护工作，在设计阶段，隔膜型的压力表或毛细管远传压力变送器将是不错的选择。

3.6 无线仪表的选用优势－公用工程应该首先总结应用经验

由于公用工程的生产装置的特点，区域分散，又需要集中控制。特别对于大的石化企业，公用工程装置担任全厂的水、蒸汽、工厂风等的供应任务，控制仪表遍布全厂，总是存在着有线仪表无法安装而工艺上又需要监控的“盲点”。利用无线控制方案和无线仪表正可以清除这些盲点。其无线仪表系统具有以下优势：

（1）采用与相应有线变送器相同的检测元件和数据转换电路，保证工艺数据来源可靠。

（2）其无线网关主动搜索并自动调整无线网络以适应无线设备的增加或减少，同时，网关可管理并选择数据传输的路径。另外，在数据传输上，它采用时间同步技术，以此保证数据传输实时可靠。

（3）上位机组态方便，无专用软件，IE浏览器组态界面友好，人机交互性强，支持多种通讯协议。

（4）无线变送器安装方便。

无线控制系统一般由各类工况监测无线变送器、无线网关、装有IE浏览器的PC机组成。其结构如下图所示：

艾默生无线解决方案结构图

先进的无线技术与有线技术相比，投入成本低，占地面积少。与传统4-20 mA有线模拟量仪表相比，安装无线每个节点可节省30%的费用，无线技术在北美地区采用较早。

任何熟悉工业自动化的人都知道，从本世纪90年代中期开始，人们就在寻找一种可以替代4～20 mA模拟标准的技术，现在4～20 mA+HART以及现场总线等技术，已为各工业行业广泛应用。

最新的研究表明，如果所需敷设电缆不超过250 m，连接点数小于500点，那么无线仪表的安装成本比Foundation（FF）现场总线方案还要低。如果高于这个指标，现场总线方案会比无线方案更省钱。无线的优势还包括：简化工程和实施工作，启动更快更灵活，既使后期改变设计也没问题，因为它的安装非常简单。

安全也是需要考虑的因素，过程和运行信息可根据需要进行无线传递，工作人员无需在高压高温的地方人工读取数据。

有数据表明，无论是在小型或大型新建项目中，当智能无线技术占到整个项目I/O的25%到45%时，优势最显著。此外，无线技术可提高项目设计的灵活性，同时，由于它的实施和安装都很简单，因此，还能缩短工期。因此，新建公用工程项目的最佳实施方案是采取有线HART、现场总线和无线通讯相结合的方式。而随着无线技术的发展，无线仪表的应用将会越来越广泛。由于无线仪表初露头角，一定会碰到各种问题，希望制造厂积极提供资料、经验给设计院参考，以便推广应用。

3.7 安全仪表的采用－越来越被重视和采用

随着现代石化企业规模越来越大，对自动化控制要求越来越高，安全仪表系统已经被广泛用于避免工艺危险的发生。对于公用工程系统，安全仪表在比较重要的工艺联锁中被采用，在一个项目中，是否采用安全仪表系统以及怎样合理采用安全仪表系统，应至少有如下过程：

（1）在项目的基础设计阶段，对P&ID进行危险和可造作性研究HAZOP(Hazards & Operability Study)评估，分析工艺系统内存在的各种隐患，同时，确定是否考虑使用安全仪表系统对工艺隐患进行控制。

（2）根据HAZOP 评估提出的建议，对工艺系统的图纸进行修改，在认为需要安全仪表系统的地方，增加安全仪表功能。

（3）根据HAZOP报告，对相关安全仪表功能进行安全完整性等级（SIL）评估，确定每个安全仪表功能的SIL等级，如果确定了该安全仪表功能的SIL等级为0，则可以删除次安全仪表功能。

（4）依据安全仪表功能的SIL等级，从设计角度对安全仪表功能冗余进行分析，并确定该安全仪表功能是否能满足安全要求。

（5）项目详细设计阶段，在采购仪表设备时，从可靠性的角度，来验证安全仪表功能是否能满足SIL等级，并提出将来生产运行和检修阶段的建议。例如：在某大石化公司中，对于废气的回收控制，对P&ID进行HAZOP评估，分析了废气控制失效存在的各种隐患，考虑采用安全仪表系统。并且根据HAZOP报告，对采用的切换控制阀门进行了安全完整性等级评估，最终确定该安全仪表回路为SIL2。

在石化项目中，安全问题是非常重大的问题，安全仪表系统将会越来越被重视和采用。

3.8 节能－用计算数据来确切说明重要性

对于公用工程来说，节能无异于减少排放。那么，就要求提高计量仪表的精度。以废水为例，如将计量仪表的精度从1%提高到0.5%，以DN200管径的酸性废水为例：

即：每年减少酸性废水排放大于6000 t。由此可见，提高计量仪表精度对节能减排有着重要的意义。

4 安装－法兰和卡套连接有优势

为了方便仪表的维护与安装，温度多采用法兰连接形式；压力仪表为减少保温伴热的工作，选型时就采用了毛细管压力变送器和隔膜型压力表，普通压力仪表的安装多采用TUBE的卡套式连接，不仅方便安装，而且，安装不方便的地方，可以先将卡套接头进行预装。

对于管廊上仪表的安装位置，尽量放在方便维修的地方，减少检修平台的数量。

5 采用标准－自控专业与工艺、电气专业尽量一致

设计中要在遵循国家强制性规范、标准和中石化的行业规范前提下，参照和遵守业主的相关标准以及项目的统一规定。

例如：配管专业配管遵循的是美国的ASME /ANSI B16.5 （Pipe Flanges and Flanged Fittings） 和ASME / ANSI B16.47（Large Diameter Steel Flanges（Series B））标准，我们仪表专业就必须与配管专业遵循的标准一致，将ASME标准作为仪表选型的工艺连接标准。

6 结束语

公用工程系统的自动化控制因其特有的要求和装置在全厂中的重要性，自动化控制水平将会越来越高，生产装置的特点，区域分散，又需要集中控制，新建项目的最佳实施方案是采取有线HART、现场总线和无线通讯相结合的方式。

[1] 王森, 纪纲. 仪表常用数据手册[M].北京：化学工业出版社,2006.

[2] 陆德民, 张振基, 黄不余. 石油化工自动控制设计手册[M](第三版). 北京：化学工业出版社, 2000.

[3] IEC61508-2003, Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related System[S].

[4] 艾默生智能无线技术和无线技术方案的技术规范.

[5] EMERSON-ROSEMOUNT无线设备厂家样本资料.

Application Trend of Control System and Instruments Used in Public Engineering

Jia Jinghua
( SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd Shanghai, 200120)

Automatic control used in public engineering was not paid attention before. But, with the modernization of factories, this situation has been changed. Automatic control used in public engineering not only is contributed to production, but also is related closely with energy saving and emission reduction. The design of automation should be considered with process, national policy and the enhancement of instrument quality together.

high precision; energy saving and emission reduction; wireless instrument; safety instrument; installation; standard

TQ056. 2

A

1008-455X(2010)-06-0020-04

2010-08-13

贾敬华（1976-），女，工程师，从事仪电设计工作。

Tel：021-58366600 E-mail：jiajinghua@ssec.com.cn