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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，可使其變為液體即液化天然氣（LNG）。LNG的體積約為其氣態體積的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地輸出終端運到目的地接收終端，經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、儲存、運輸、接收、再氣化及冷量利用等完整的產、運、銷LNG產業鏈體系，其示意圖見圖1。

                                            圖1  LNG產業鏈體系

    福建LNG項目有1座LNG接收終端和約360公里的輸氣管線，是第一個由國內企業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

    LNG接收終端工藝系統

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

                                           圖2  LNG接收終端工藝系統

    LNG卸船與存儲。LNG運輸船靠泊碼頭后，經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，由船上儲罐內的輸送泵將LNG輸送到終端的儲罐內。隨著LNG不斷輸出，船上儲罐內氣相壓力逐漸下降，為維持其值恒定，將岸上儲罐內一部分蒸發氣經回流管線及回流臂送至船上儲罐內。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LNG經罐內輸送泵加壓后部分LNG進入再冷凝器液化一定量的蒸發氣。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，氣化后的天然氣通過輸氣管線經計量設施分別計量后輸給下游用戶。為保證罐內輸送泵、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，可利用回流管線調節流量。在停止輸出時，可利用回流管線打循環，以保證工藝系統處于低溫狀態。

    LNG蒸發氣處理與火炬/放空。蒸發氣處理系統保證LNG儲罐在一定壓力范圍內正常工作。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，蒸發氣處理系統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儲罐在運行中產生真空，在流程中配有真空補氣系統。

    長輸管線工藝系統

    長輸管線由輸氣干線/支線、閥室和分輸站組成。分輸站內進行天然氣的過濾、計量、加熱和調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。分輸站工藝系統如圖3所示。

                                           圖3  分輸站工藝系統

    三、LNG控制系統

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

    由于對接收終端內的泵直接操作，聯動調度控制系統被內置于接收終端的DCS系統內。DCS和SCADA兩個系統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系統與DCS控制器內部通信協議多為自己開發的通信協議，不具備開放性，而SCADA系統則采用公認標準的通信協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系統和DCS系統整合在一起并非易事，尤其是整合不同廠家的系統更是難上加難。因此，在控制系統采辦之初可考慮兩個系統采用同一家廠家的產品，以降低整合系統的難度。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系統軟件平臺和輸氣管線的SCADA系統軟件平臺，接收站DCS、ESD、F&G都統一在800xA系統平臺；輸氣部分能輕松實現中控和站控的同時監控功能。兩者之間通過OPC通信協議互相交換數據，可做到無縫通信。

    LNG接收終端控制系統

    接收終端的自動化系統按控制區域可分為中心控制系統和碼頭控制系統，中控和碼頭各包括一套DCS系統、一套ESD系統和一套F&G系統。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DCS(Distributed Control System)是LNG接收終端的主要自動化系統，實現接收終端的工藝流程控制和監測，系統主要還包括以下2個獨立的部分：緊急停車系統（ESD）：接收終端緊急停車隔離的聯鎖系統；火焰/氣體監控系統（F&G）：探測火焰和LNG/NG泄漏系統。

    接收站DCS系統主要實現以下功能：

    1. 對生產工藝進行實時監控，如壓力、液位、溫度和流量等

    2. 動態顯示接收站的生產流程、主要工藝參數及設備運行狀態

    3. 對異常工況進行報警并打印記錄備案、存貯重要參數

    4. 在線設定、修改工藝控制參數，對閥門、泵等設備進行遠程操作

    5. 監控LNG卸船、儲存、氣化及天然氣的外輸和計量

    6. DCS還與以下系統保持實時通訊以完成對整個接收站生產信息的統一管理

       LNG儲罐數據采集系統

       BOG壓縮機

       罐內泵、高壓泵振動監測系統

       外輸管線SCADA控制系統

       碼頭靠泊系統

       船岸通訊系統

       PMS系統

       天然氣分析儀

       槽車裝車控制系統

       電解氯系統

       海水系統

       貿易計量系統

       緊急停車系統（ESD）

       火氣系統（F&G）

    接收站的ESD系統選用ABB的安全控制系統，安全等級為SIL3。在出現工藝擾動或由于其他原因而導致的對人員安全、環境、設備、構成威脅或可能造成較大經濟損失時，系統立即啟動相應聯鎖保護，以防止危險的發生或事故的擴散。

    ESD系統主要實現以下功能：

    1. 通過ESD按鈕手動觸發緊急關停以隔離各個單元工藝設備

    2. 通過系統的自動檢測儀表觸發緊急關停，對于輸入信號均經過系統表決以確保報警或關停信號的有效性

    3. 緊急關停的復位，連鎖觸發條件必須經人工確認并復位后，系統才能恢復正常狀態以保證生產的安全

    4. 聯鎖旁路，ESD系統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的情況下對設備進行在線測試和工藝系統初始啟動時關停信號的旁路，在旁路允許開關處于允許位置時，在ESD界面進行旁路操作

    接收站的F&G系統選用ABB的火氣控制系統，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設備，啟動消防泵、閥，開啟泡沫或消防噴淋裝置。

    F&G系統主要實現以下功能：

    1. 采集并顯示可燃氣體及火災探測器的工作狀態

    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報警

    3. 采集并顯示消防設備的及輔助設施的工作狀態

    4. 執行緊急切斷邏輯，顯示緊急切斷報警信號

    5. 消防設備的聯動

    6. 向ESD輸出緊急停車信號

    輸氣管線控制系統

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

    整合后的系統中，SCADA系統除對輸氣管線的分輸站和遠控閥室進行數據采集和控制外，還通過標準通信協議，如：OPC協議或是MODBUS TCP/IP，從DCS系統中采集接收終端運行的主要工藝參數以及LNG儲罐液位、槽車外輸量等數據，視其為SCADA系統的一個“分輸站”，可實現對接收終端生產操作進行實時監視并通過WEB服務器供Intranet/Internet用戶監視接收終端和輸氣管線的生產操作情況。同時，SCADA系統可從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據傳給DCS系統。通過防火墻，被授權的用戶可以通過Internet網絡登錄WEB服務器提交和修改其提氣計劃。DCS系統的聯動調度功能將根據儲罐液位，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度控制接收終端的外輸量。如圖4所示。

                                            圖4  聯動調度控制

    聯動調度控制邏輯中，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。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，估算輸氣管線內的管存量，并根據最近2小時內的提氣計劃，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，還需根據外輸量進行低壓泵和海水泵等其它相關工藝設備的操作，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控制器將自動發出報警以通知操作員進行人工處理。

    根據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，無法滿足則發出報警提醒操作員應與下游用戶協商調整用氣計劃；另外，系統還需判斷LNG運輸船到達開始卸料時罐內是否具有足夠的空間容納該船LNG的卸貨量，無法滿足則發出報警提醒操作員應與下游用戶協商調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、控制系統總體結構

    控制系統的拓撲結構如圖5所示，主控中心的接收站控制系統和分輸站控制中心實現數據通信。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、控制器和網絡均為冗余配置，保證了系統的安全。

                                         圖5 福建LNG自控系統網絡結構圖

    五、控制系統技術特點

    800xA系統

    800xA提供了一個可視化的環境，為你的工程設計、控制策略組態、流程圖繪制、信息管理、資源優化、現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。系統還支持位圖、照片和第三方的圖像元素。

    現場總線管理

    現場總線管理包括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絡拓撲，下至現場元素，如設備參數、應用程序計劃、試車和詳細的診斷信息。

    批量數據管理

    800xA系統的批量數據管理利用微軟的Excel和Excel ADD-INS,允許外部數據的自動導入，如信號列表，標簽名或文檔。可以在任何時候將系統數據導出，進行驗證和修改。

    靈活的報表生成和分發

    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。

    完善的數據轉換

    用戶定義的數據架構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據轉換成信息，如KPI（關鍵性能指數）、原料屬性和完善的控制支持。數據架構也可以用來將外部數據集成到系統中來。

    安全的歷史數據存儲和讀取

    容錯的分布式數據結構保證了可靠的數據存儲和可用性，用戶對這些數據訪問是有權限限制的，同時這些數據可離線存儲。電子數據符合企業需求，為決策提供可靠的依據。

    集成的管理和組態

    嵌入的歷史數據處理功能采用系統內在的組態和管理。這允許單點改變的管理，消除了多個數據庫不一致而需要另外工程復制的風險。

    保證批量生產的持續性、確保穩定的產品質量和生產周期

    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，遵守行業規范、安全性和可靠性。它不僅針對日益增加的產品要求，為您提供敏捷的、快速的、可控制的響應、同時減少運營成本；減少生產停工，從而在市場上獲得長期的競爭優勢。

    SCADA Vantage系統

    SCADA Vantage系統針對應用于特殊工業的解決方案為從單一節點模式安裝到多服務器系統提供了可擴展性和開放性。加之，解決方案的執行所依據的是基于客戶/服務器原理和冗余的面向目標系統。通過可組態的授權系統提供安全保證，防止未經授權的人員進入系統。通過如ODBC、COM、OPC和OLE的標準可以與系統進行開放性通訊。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。

    系統改進了管線設施和增壓站的利用效率、結果是加快了周轉，增強了功能。產品能夠以最短的時間和最低的成本從生產地運送到消費地。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

    面向目標的實時數據庫

    集成的歷史記錄服務器

    集成的管線模型，先進的流程圖

    從單節點設備到多服務器系統的可擴展性

    在整個系統和應用中調用的直觀組態工具

    支持OPC和工業標準的通信協議，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

    福建LNG投用以來，成功、順利地接收了第一船LNG，比預期計劃節省一周時間。優化的控制方案為LNG每月節省數百萬元。天然氣已經輸送到莆田、惠安、泉州、宏路等站，下游的用戶已經用上了福建LNG提供的天然氣。

    充分利用自動化控制技術和信息處理技術，將不同但關聯的生產工藝控制系統進行整合，實現之間的聯動調度控制，提高生產調度的工作效率，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動調度控制的現代化，全面提升企業的生產、經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 技術資料

    [4] ABB SCADA Version 技術資料

    [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