国产控制系统在浮式液化天然气接收站的应用

翟建勇 蒙绪飞 洪 涛

(1.中国海洋石油总公司，北京 100010；2.浙江中控技术股份有限公司，杭州 310053)

我国的能源结构为“多煤少气贫油”。为减少利用煤炭资源对环境造成的负面影响，我国未来能源战略将逐渐调整为减少煤炭的使用，大力发展天然气资源。而天然气资源有限，产量远小于需求，大量进口成为主要发展趋势[1～3]。由于天然气的跨洋长距离输送，多采用液化天然气(LNG)船运输。LNG接收站作为海上引进天然气的终端，同时担负陆上天然气供应的气源，其重要性不言而喻。LNG利用是一项投资十分巨大、上下游各环节联系十分紧密的链状系统工程，由天然气开采、天然气液化、LNG运输、LNG接收与汽化、天然气外输管线和天然气最终用户6个环节组成，任何环节出现问题都将使整个系统停车，而且必须对上下游环节做出巨额赔偿[4]。LNG接收站作为LNG项目的核心环节之一，对其工艺与设备的安全性和可靠性有着非常高的要求，同时对其控制系统的要求也极为严格，需要达到极高的可靠性。

中海油天津浮式LNG项目为中国试点清洁能源浮式技术重点项目。该项目通过对码头部分、综合控制中心(CCR)和管输部分的设计构建，保证了LNG系统的可靠性与安全性。其中，通过对码头和CCR部分的过程控制系统(PCS)、安全仪表系统(SIS)和火气检测系统(FGS)的合理构建，在保证系统独立性的前提下实现了系统融合；通过数据采集与监视控制系统(SCADA)对管输部分的控制管理，进行系统生产数据的采集，为系统信息化提供基础保障；同时，利用所采集的生产数据，进一步实现了生产信息管理系统，使系统可以利用当前准确的数据对生产及时进行指导，并对相应事件进行处理，实现了管控一体化功能，进一步保证了系统的可靠性与安全性。

1 总体设计①

1.1 网络结构

为了保证浮式LNG接收站的安全性，采用PCS对整个生产过程进行集中监控和操作；采用SIS系统实现紧急停车和安全联锁功能；采用FGS系统预警火灾和爆炸事故，保护人员和设备安全。同时，利用PCS与SCADA系统将全厂的重要数据通过隔离区(DMZ区)的服务器向企业管理网传输，实现了整个项目的管控一体化。天津浮式LNG接收站的结构如图1所示，由综合控制中心CCR、LNG卸船码头控制室JCR01、浮式码头控制室JCR02、分输站和阀室5个机柜间组成。CCR是陆上汽化站和罐区的控制室，同时实现对全厂控制系统的监控；JCR01负责监控LNG码头各卸料臂的状态、卸料管道状态和LNG取样分析；JCR02负责监控浮式码头各卸料臂的状态和浮式汽化船的外输管线状态；分输站和阀室实现管输控制。

图1 天津浮式LNG接收站控制系统结构简图

为了实现全厂控制系统的统一监控，JCR01与JCR02通过光纤与CCR连接；阀室、分输站与首站(CCR)采用电信专用网络连接；现场的PLC通过Modbus通信与PCS连接。所有控制系统的数据可以在CCR进行实时监控。

1.2 系统融合方案

为了进一步加强LNG系统的安全性，通过Modbus对SIS、FGS和PCS在物理上进行集成，实时对系统信息进行维护管理。3个系统共用工程师站、操作站和PCS人机界面。PCS上位机设置SIS和FGS操作小组，有专用的HMI界面，给操作员提供直观的安全联锁和火气报警监测信息。SIS和FGS的数据除进自身SOE外，也保存在PCS的历史数据库中。所有在PCS上位机的操作都保存在冗余的操作记录服务器中，以便于查询各系统的维护信息。

PCS控制程序、SIS联锁程序和FGS报警程序平行执行且相互独立。FGS和SIS下位机组态也采用专用工程师站，保证系统组态下载的独立性。正常情况下SIS处于静态，不需要人为干预。作为安全保护系统，其安全级别高于DCS，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS，而直接由SIS发出联锁保护信号，对现场设备进行保护[5]。

1.3 第三方异构通信

由于LNG接收站工艺的特殊性，全厂控制系统含有很多独立的子系统，如靠泊系统、LNG卸料臂、CNG卸料臂、取样分析仪表及BOG压缩机等。这些设备均为独立的成套设备，现场可完成其控制功能。然而，传统LNG接收站没有合理的第三方异构通信系统，无法在保证各子系统独立性的前提下将系统整合。笔者通过硬接线和通信两种方案，将分散的第三方设备数据通信接入PCS，提高了LNG接收站的监控能力。

在天津LNG项目中，第三方设备中参与联锁控制的数据通过硬接线方式进入PCS等，而其他数据通信到PCS中，这既保证了控制的安全可靠，又保证了监测信息的完整。操作员在PCS可以对全厂的仪表和控制系统进行监控，有效地降低了人力资源成本。该项目采用中控ECS-700过程控制系统，该系统具有开放的通信接口，可以很方便地与各种国际规约通信协议的其他设备交换数据。以ECS-700为核心，与各功能装备的专用控制设备进行通信，实现了信息集成。各专用控制设备及其相关通信协议见表1。

表1 PCS主要通信设备及其通信协议

2 管控一体化方案

化工厂的管控一体化可以通过网络实时获取生产数据，为管理者制定计划提供依据。当生产事件出现时，能及时做出反应并提供数据分析，同时可用当前的准确数据对生产进行指导并处理相关事件。为了实现管控一体化，系统通过配置OPC服务器为管理网提供准确的实时数据，利用生产信息管理系统软件PIMS以Web实时发布生产信息。管理者可以用IE通过企业管理网登录Web服务器，查看实时生产信息。

天津LNG项目配置了一台OPC服务器兼Web发布服务器。该服务器从PCS和SCADA获取数据并输出至企业管理网。企业信息中心的ERP平台可以通过OPC协议从服务器获取数据，并作出分析。其网络结构如图2所示。

图2 管控一体化结构简图

3 系统测实验证

天津浮式LNG项目按计划顺利投运，投运以来实现了无故障连续对外输气，装置的控制系统运行状况稳定，未出现设备和工况异常现象，完全满足安全生产的要求。

4 结束语

通过对LNG接收站的码头部分、CCR部分和管输部分的构建，在保证各信息系统独立的情况下，实现了系统信息的有效融合和异构通信，改善了传统LNG接收站无法有效管理信息的弊端。通过建立管控一体化方案，给下游环节提供了实时有效的产量数据，为生产调度的决策提供数据支持。实际工况下的测试结果也证明该系统能够很好地满足生产需求，提高了系统的安全性与可靠性。