新增伴生气回收液化装置仪表及控制系统设计研究

张铮一 高帅 于祥春 张晓敏 武岳

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

伴生气在液化过程中具有温度低、压力高的特性，同时伴生气还属易燃易爆气体。伴生气回收液化装置的仪表及控制系统，作为该装置的神经及大脑，对系统的稳定和高效运行起到至关重要的作用。

1 伴生气回收液化装置的控制系统

为了确保装置的安全可靠稳定运行，整套装置采用冗余PLC（控制系统）、ESD（紧急停车系统）系统，集中在中央控制室，现场设置防爆控制盘，实现高度自动化控制管理。

1.1 控制功能

1) 一键启停：本系统采用一键启停功能，根据事先设定的参数，只需要操作人员单击“一键启动”按钮，系统即可自动执行相应运行流程，并在运行过程中根据PID调节自动调节到最佳工艺参数。当工艺系统出现故障报警时，会出现实时语音报警提示和相应的声光报警灯动作，提示相应的故障点，并着重提示第一故障点，以方便处理问题和检查。当需要停机点击停机按钮，系统将执行正常停机流程。

2) 实现各个单元操作的集中监控并能自动调整到最优参数，包括：温度、压力、流量、液位、设备运行电流、电压、功率等物理量的监测与控制。在用户在授权的范围内可以通过触摸屏对相应的参数进行调整。

1.2 管理功能

1) 依据PID图纸进行建立的工艺流程图，并通过不同颜色来区分不同的工艺介质，简单直观高效。此外还有温度、压力、液位等参数趋势图、故障记录和各种操作记录并保证有最低30天的保存记录。同时系统还具有生成和打印各种记录的功能。

2) 可以和平台管理网络或 INTERTNET 联网，可将装置运行参数和数据上传至管理计算机用于平台管理、调度和数字统计。

1.3 故障诊断处理功能

1) 根据温度、压力、调节阀开度、开关阀位置、流量等参数，对工艺设备进行自动控制、调节或联锁处理。

2) 停电、工艺参数异常等情况，将会触发工艺设备应急关断来保护关键设备。

3) 控制系统本身具有故障自诊断、故障自处理、同时对相应的故障进行记录。

1.4 系统结构设计

本控制系统的结构设计分为三部分：底层结构、中间层结构、上层结构。

1) 底层结构：即现场温度、压力等工艺参数采集、现场执行控制及动作、数据交互。在每个橇上就地放置一台PLC控制柜，其柜中含有电源、PLC及扩展模块、交换机、无线发射器、仪表接线端子等构成实时采集每个橇现场的温度、压力、流量等数据。

2) 中间结构：即现场仪表、执行器与中控室之间数据的交互。PLC通过交换机将采集到的工艺数据传输到中控室。

3) 上层结构：利用组态软件接收处理数据，再利用上位机进行数据显示、阀门控制和参数设置等。

其结构拓扑图详见图1。

图1 控制结构图

2 仪表选型

1)温度仪表

LNG装置的温度范围-200℃到300℃，装置通过温度变送器进行温度数据采集，并对表头处进行探杆延长处理，防止电气元件受低温或高温影响。热电阻配置温井。部分关键位置进行冗余设计。指针式温度采用双金属、万向型结构。

2)流量仪表

除了用于计量的入口天然气流量计（涡轮转子流量计）和LNG装车流量计（科氏质量流量计），其余均采用节流装置配智能型差压变送器来进行测量，即孔板流量计。采用高级孔板形式，孔板可在线进行更换。对关键位置的流量测量进行相应的温度和压力补偿，来增加测量的精度。

3)压力仪表

压力参数的检测通过智能型压力变送器将信号传送到控制室供PLC或ESD系统使用，关键位置配压力开关将信号传送至ESD或PLC系统用于报警和联锁。就地仪表采用不锈钢压力表和普通压力表实现，压缩机和泵的出口采用耐震压力表，其中腐蚀性介质选用不锈钢防腐型。

4)液位仪表

液位信号根据情况采用不同的检测方式，主要有差压液位变送器、磁滞伸缩液位变送器、液位开关。

5)调节阀

调节阀主要有低温工况下应用的调节阀和常温工况下应用的调节阀。低温工况下应用的调节阀采用长颈型调节阀，阀体材质为铝合金或低温钢。常温工况下应用的调节阀依据不同的流量、介质特性、压差等进行选型，调节阀配有电磁阀、阀门定位器、手动操作装置。

6)在线分析仪表

LNG装置采用的分析仪表有：1台工业色谱仪分别用于天然气成分和制冷剂成分分析，主要分析甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等。

在线二氧化碳分析仪，分析净化气中二氧化碳含量。

在线微量水分析仪，分析净化气中水含量。

3 紧急停车（ESD）系统

紧急停车系统是为紧急或特殊情况设计的。紧急停车系统能具有可靠、快速的特点，确保装置和人身的安全。

本项目紧急停车系统作为独立的控制系统，并配备单独的工作站：

故障安全型设计，并具有电源冗余、控制器冗余、通讯卡件冗余、输入和输出点进行继电器隔离等；I/O点不少于20%备用。

紧急停车系统内仪表及执行器单独设置，并具有安全等级认证，保证系统的回路安全等级在要求范围内。现场执行带手动复位功能。

4 新增橇外仪表及中控系统改造

根据工艺流程方案，本项目管路改造上需要增加橇外仪表如压力调节阀，先导式安全阀用来控制和调节取气口压力，孔板流量变送器，含氧分析仪用来测量天然气的含氧量并在超过3%时切断整个LNG系统，关断阀，就地压力表，压力变送器，液位变送器，安全阀等。

LNG装置仪表信号和执行器和接入现场本地控制盘，由本地控制盘进行处理。并将装置运行状态，故障报警，紧急关断通过5P硬线传至中控室,其余信号通过RS485通讯接入中控系统并显示。

对于新增仪表信号的处理如果LNG橇内系统有足够的容量可以考虑整合进LNG控制系统，利用LNG橇内控制系统的PLC对信号进行处理，这样可以节省硬件成本和不同厂家之间沟通的时间。

5 火气系统

本项目橇内火气系统由火灾和可燃有毒气体检测报警系统（FGS）、消防用水、干粉灭火器、二氧化碳灭火器等共同构成。

FGS系统探测和报告危险气体的泄漏或火情，实现报警及相应的联动功能，同时将信号上传PCS，PCS在中央控制室的操作屏上设模拟画面。

FGS系统配备现场探测和报警设备，其检测点数量、探测器类型、位置由危险评估工具确定。整个FGS系统按隔爆型或正压通风系统设计，满足危险区域的使用要求。电源要求：交流220V 50Hz单相；备用电源具有再充电装置，蓄电池的容量应充分满足在报警的情况下，全部的探测器、送至消防压力开关的报警信号以及手动报警按钮4小时的负荷。

5.1 FGS系统主要包括以下部分：

火气系统主要有现场探头传感器、手动报警、火灾控制盘，火气系统主要涉及消防用水、干粉和二氧化碳。

5.2 平台火气布置改造

根据总图布置，新增LNG处理设备，LNG储罐及伴生气缓冲罐布置于顶层甲板生活楼北侧空余空间。LNG橇内系统已经为本次改装提供了火灾和可燃性气体检测报警系统。橇外火气改造的重点是整合新增LNG系统和平台现有的FGS以保证整个平台火警与消防系统的完整性，可以通过备用的RS485通信将LNG系统区域的火警及可燃气体检测报警信号传输到平台PCS并显示，这部分的整合需要与现有的平台FGS厂家沟通具体实施方案。

6 通讯系统

6.1 通讯设备布置

通过查阅平台原有通讯设备布置图，新增区域已有扬声器（25W）及电话覆盖。此次改造在上层新增设备区域和下层LNG加注区域新增两台CCTV摄像机，接入平台现有监控系统。

6.2 橇内通讯

平台上通讯设备主要包括电话系统、工业电视监视系统、火灾报警系、呼叫系统、广播报警系统、无线电话系统、船岸通信系统、局域网系统、安全监视及门禁、航空无线通信及导航系统等。由于该LNG装置是在现有的海上平台上安装，通讯各系统可以依托平台现有的电信基础设施。

7 结语

新增伴生气回收液化装置可以将海上平台大量的伴生气加以回收利用，不仅可以产生巨大的经济价值，还可以减少对大气的污染。如该方式将得以在海上开采平台全面推广，极大地促进环保、创造良好的社会与经济价值。