基于PCS7液化天然气接收站的火气系统

倪智灏 彭亦功

(华东理工大学，上海 200237)

随着全球经济的迅速增长和能源需求量的不断扩大，液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)因其清洁、高效、优质的特点，在化工、电力及城市燃气等工业和民用领域得到广泛的应用，给世界油气工业快速发展注入了全新的活力[1]。我国的能源市场在近些年也出现了翻天覆地的变化，对天然气的使用越来越多，在某些领域甚至正在逐步代替煤和液化石油气，因此我国现正在大力发展LNG进口项目，在沿海各地建设LNG接收站以弥补天然气需求与产能的不足，已成为目前中国天然气行业较为关注的焦点，广东珠海金湾LNG项目也应运而生。

由于接收站装置内的主要传输介质为易燃、易爆物质，储存区域又远离城市，缺少消防机构的依托，并且通常接收站建于沿海地区，一年四季天气变化较为频繁，尤其是夏季多雷暴雨天气，因此，为LNG接收站设计合适的火气系统(FGS)，确保其工艺安全、可靠是非常重要的。

通常选择FGS系统时应考虑：系统应简洁适用，尽量减少不必要的中间环节，避免系统外的干扰，以此保证系统可靠；FGS按照独立原则要求，独立于DCS单独设置，其安全级别高于DCS，并要求可以和DCS进行通信；FGS的主要构件应包含控制器、工程师站及操作站等，其中，控制器的CPU、系统总线和卡件至少为二重化冗余容错结构，安全等级应达到TUV AK5或IEC SIL3标准；系统软件和硬件先进可靠，具有开放结构，软硬件具有自动诊断功能；系统具有能提供事件顺序的记录功能。

西门子PCS7自带的F System可较好地满足这些要求，并能与DCS系统整合在一起，达到一体化操作，所以针对广东珠海金湾LNG项目而言，选用西门子的PCS7系统设计构建LNG接收站火气系统，以确保LNG接收站安全。

1 PCS7系统①

西门子PCS7过程控制系统是西门子全集成自动化(TIA)理念的核心部分，通过该系统，西门子可以将客户所有的过程自动化整合在统一的平台上，包括企业资源规划(ERP)层、制造执行系统(MES)层、过程控制层和现场层，由此促进客户整个公司的运作优化。由于其特有的技术优势，PCS7控制系统在石化行业中得到了广泛地应用，包括青岛大炼油项目和抚顺石化的百万吨乙烯项目。PCS7这种全平台统一的自动化方案可以简化系统结构，从而减少接口数量，并且还可以将上位机和不同的工业控制器有效地整合在一起，其功能强大、维护简便，实现了工厂的全自动化，从而明显地提高了生产效率。而基于PCS7的火气系统则已经在海上石油平台得到良好的应用，其可以对平台上发生的火灾进行自动检测和控制，对气体泄漏进行探测与报警，对溢油等安全相关事件进行手动报警，在确认发生危险的情况时进行火气关断和(或)启动相应消防设备。火气系统还可在人员的警示与疏导、消防指挥及救生救助等方面起到重要的辅助作用[2]。海上石油平台和LNG接收站无论是周围环境、天气因素和传输介质特性上都具有相似性，其应用经验对于LNG接收站火气系统的设计都有十分重要的指导意义。显然，这类西门子PCS7系统为广东珠海金湾LNG项目的安全实施提供了良好的自动化平台。

2 基于PCS7的LNG接收站火气系统设计

2.1 LNG接收站工艺

为了使金湾项目设计的LNG接收站火气系统满足安全要求，首先对接收站工艺进行分析。LNG接收站的工艺系统主要包括LNG卸船、LNG储存、BOG(Boil-off Gas)处理和LNG气化/外输系统，其工艺流程如图1所示。

图1 LNG接收站工艺流程

LNG船抵达接收站码头后，打开船上的卸料泵，通过液相卸船臂和卸船管线将LNG送入接收站的储罐内。卸船期间，由于热量传入和物理位移，储罐内会产生蒸发气，即BOG。这些蒸发气部分经气相返回臂和返回管线重回LNG船的料舱，以平衡料舱内压力；另一部分先通过BOG压缩机进行升压，升压之后进入再冷凝器冷凝，然后与外输的LNG一起经高压输出泵输入气化器气化成气态天然气，最后进入输气管网，形成整个LNG接收站工艺过程[3]。

2.2 火气系统及安全逻辑设计

LNG接收站火气系统包含火焰检测、可燃气体浓度检测、温度检测、消防系统以及输出(灯、喇叭、释放按钮)系统等。其主要功能要求是在火灾和低温液体泄漏的情况下，能准确探测火灾和液体泄漏的程度和事故地点，并在触发声光报警设备的同时，根据事故发生的严重性等级来确定是否启动消防设施，从而控制和避免灾难的发生，防止造成对生产设备和人员的伤害及对环境的影响。根据其安全控制要求，系统主要对火焰探测器和温度探测器进行安全逻辑设计，其中火焰探测器要求设置在接收站的所有装置区内以防火灾发生；温度检测器则需安装在输送管道和气化器周围，从而能够对液体泄漏进行报警，具体的安全逻辑设计如下：

a. 火焰报警。当触发单探头火焰报警时，进行现场声光报警，提醒站区人员及时撤离；在中控室人机界面上则设计成显示火灾报警并自动记录事件，而当装置区内任意两台火焰探测探头触发报警时，进行现场声光报警并自动开启消防阀；中控室除设计在人机界面上显示多探头火灾报警并记录事件外，还设计产生要求控制人员手动确认报警的信号，由控制人员确认后按下，从而开启紧急停车装置，关闭储罐区所有进液阀门，并连锁启动消防喷淋水系统，对罐体进行喷淋降温，以确保罐区设备的安全。

b. 温度报警。在每台气化器管道前后都设置两台低温探测器，每台温度探测器中，当单探头低温探测达-30℃时，在气化器控制室人机界面上设计显示低温报警并记录事件。当单探头低温探测达-50℃时，在控制室的人机界面上设计显示单探头超低温报警并记录事件，同时设计产生要求操作员确认的信号，在操作员确认后关闭气化器前后阀门，以确保气化器设备的安全。

在全接收站范围内，当多个低温探头中同时有两个探头检测值达到-30℃时，不仅中控室人机界面设计显示多探头低温报警并自动记录事件，还设计启动声光报警器提醒人员撤离。当多个探头中同时有两个探头检测值达到-50℃时，在中控室人机界面上设计显示多探头超低温报警并记录事件，产生要求操作员手动确认报警信号，同时发信号至紧急停车系统，关闭所有储罐的进、出液阀和气化器的进口阀(图1)，以确保气化器设备的安全。

2.3 火气系统硬件配置

2.3.1系统网络结构配置

LNG接收站火气系统控制器主要使用西门子标准安全控制器AS417F-4H和AS414F-2H，并通过ET200M远程IO和冗余的PROFIBUS-DP总线电缆来进行数据连接，以满足LNG接收站工艺的安全要求。对于远程站，为了保证数据传输的实时性与安全性，选择光纤作为传输介质，并在通信两端分别加上一台光电耦合器(Photoelectric Coupler，OLM)来完成PROFIBUS-DP信号与光信号的转换。在每根DP电缆的起始端和终端加入一个终端电阻，以消除信号反射所带来的干扰，确保数据传输的可靠性。

LNG接收站的系统网络结构采用西门子标准的服务器客户机结构且所有通道都设计成具有冗余的功能，控制系统的结构如图2所示。其中，控制器分布在4个不同的生产区域(码头区域、罐区、气化器区域和行政区域)，而每个区域又都有各自独立的系统总线并形成环网。由于西门子PCS7系统可以无缝连接各种不同系统并保证之间数据交互的安全性与准确性，因此不同区域独立环网中的FGS控制器都可连接至中央环网进行数据交互，交互后中央环网在与冗余服务器相连的基础上，通过冗余总线跟终端环网连接形成整个接收站的网络结构。

目前，地外天体采样探测最为直接且最为有效的手段是无人自主钻取采样[1]。我国探月三期工程计划发射一个搭载无人自主钻取采样设备的月面探测器，以获得深度为2 m且保持原有剖面层理信息的月壤样品，并将封装的月壤样品带回地球[2-3]。月面探测器的一侧搭载钻取采样设备，采样设备主要有与探测器一同经历的发射、地月转移、环月、动力下降、月面着陆以及着陆后的钻取采样等6个工作阶段[4-5]。钻具可看作一个细长型的简支梁，且钻取采样设备在飞行工作阶段会产生较大的过载振动，所以钻具极易产生挠曲变形[6]。

图2 LNG接收站系统网络结构图

2.3.2自诊断功能配置

基于LNG接收站系统网络架构的设计，对特定的控制回路自诊断功能进行硬件配置是非常必要的。由于FGS为非故障安全系统，采用的工作模式是Energize-to-trip模式。其中，信号“1”为动作条件，信号“0”则为正常工作状态，所以对于火气系统而言，无论是输入回路还是输出回路都应具有自诊断功能，以确保当故障发生的时候能够准确地接收信息和发送控制命令。

对火焰检测、可燃气体检测及有毒气体检测等智能仪表，出厂时已配置了自诊断功能；对于烟感、温感及手动报警等简单开关设备，则需在回路中串入电阻以实现对电流信号的监视，从而通过电流值来判断回路状态。在此，采用3种硬件配置方案：

a. 将数字量开关信号加上电阻回路来形成4～20mA输出，接收卡件的数字量改为模拟量；

b. 采用西门子提供的F-NAMUR卡件，对回路进行断线检测，根据电流信号直接进行数据采样分析，在现场侧加入电阻回路；

c. 采用普通F-DI卡件和NAMUR安全栅配合的方式，实现回路检测功能，把回路检测功能放于安全栅中，安全栅具有NAMUR功能，并使用额外的普通DI卡件通道传输F-DI卡件的通道检测信号。

2.4 火气系统软件组态

2.4.1自诊断模块组态

自诊断模块采用PCS7系统自带的DET_DIAG(Detector Diagnostic)模块，实现各种现场探测器的自诊断功能，典型的诊断条件可以是开路、短路、校准、灰尘故障以及设备损坏等。PCS7系统的DET_DIAG模块如图3所示。

图3 DET_DIAG模块

与一般智能仪表(如火焰和气体探测器)使用超过操作范围的电流值来显示各种诊断状况所不同的是，DET_DIAG模块通过检测来自仪表的电流值来显示这些特定事件或报警事件，运用模块上的Cond_LV和Cond_HV引脚配置每个事件的触发范围；对于触发范围的上下限值，根据自诊断功能的硬件配置来确定；在配置时采用不同电阻会产生不同的限值。如图3中Cond1_LV是事件1触发的低限值，而Cond1_HV则相反；当输入在这区间内时，输出Cond_1所代表的事件或动作就会被启动，同时结果会显示在人机界面上。

DET_DIAG也适用于短路和断路检测，在Short_V和Open_V引脚处设置要求的参数，任何低于Short_V的输入值都会被显示为短路状态，任何高于Open_V的输入值都被显示为断路状态。

2.4.2安全逻辑组态

对于安全逻辑的组态，使用安全矩阵软件来完成，以直观显示安全逻辑的条件和后果；通过对行列交叉点的组态，实现对系统逻辑的设置。当完成组态进行编译时，可在CFC(Continuous Function Chart)图中生成相应的模块，驱动块与连线由系统自动完成。

火气系统在安全矩阵中的条件是一个现场探测器的输出值或是由一组现场设备输出值的简单逻辑，其触发结果会对特定设备或旁路设备产生影响；安全矩阵支持使用不与现场相关的输入输出作为条件和结果。当接收站相关装置启动时，作为条件的事件触发后，火气系统会自动根据组态好的逻辑触发结果，在操作员站上显示结果和条件。

使用安全矩阵进行组态先根据之前的安全逻辑确定事件触发的原因及其后果。不过，原因可由多个事件的简单逻辑构成，单个原因可同时触发多个结果，但是一个结果只由单个事件组成。然后，开始组态逻辑的原因行。在组态选项中，根据触发条件的特定情况，设置合适的输入类型，启用Energize-to-trip模式作为工作状态；根据安全逻辑选择是否开启Bypass模式来满足需操作员手动确认信号的要求，配置原因事件的输入端口，根据控制要求确定是否开启延时等其他特殊功能，最后在描述栏内填入对触发条件的简单说明，以方便现场人员的操作。

完成原因的组态后，开始对结果列进行组态。先在组态选项内确定所需的控制动作，如果是报警则选择输出信号的目标端口；进行阀门动作则需选择目标阀门的位号并且定义动作为开或闭，然后设置安全功能回路或是输出延时等其他所需要求，必要时启用Enable Process Data Pass Through功能，允许系统在非安全紧急的情况下，接收来自操作员的控制信号。

最后，对矩阵行列交叉点进行组态，即因果关系及特性。其中，N是安全矩阵中最为常用的因果关系的交叉点，表示结果不储存，即当原因激活时，结果也触发；当原因取消时，结果也将消除，其完成后结果如图4所示。

图4 矩阵交叉点组态

通过实施后，设计的系统运行结果表明：上述从LNG接收站的火气系统、安全逻辑设计及其软/硬件配置角度设计的基于西门子PCS7的LNG接收站火气系统符合了工艺安全要求。

3 结束语

基于LNG接收站的工艺和安全逻辑分析、通过PCS7控制系统的软硬件组态工具、由此设计完成的LNG接收站火气系统能够有效地保证接收站在第一时间内对各种危险做出反应，并采取相应的紧急措施，将可能发生的损失减至最小，从而达到良好的应用效果，为火气系统在更多的领域中广泛应用提供了成功的案例。