石化企业管控一体化改造工程设计探讨

2014-08-31虞先觉

石油化工自动化 2014年3期

虞先觉

（北京燕山玉龙石化工程公司，北京102500）

目前，由于很多石油化工企业的生产装置新旧不一，各装置均单独设有控制室，控制系统类型、品牌杂乱，信息化建设相对落后，管理人员办公地点远离生产操作区，无法实时掌握生产运行情况，对生产中出现问题的响应和处理也相对滞后，企业正逐步失去市场竞争力。该类石化企业进行管控一体化改造时，虽然可以借鉴新建石油化工厂的设计建设思路，但是受已有条件和自身特点的限制，生产过程控制仍按装置分散进行。笔者结合北京燕山石化化工六厂管控一体化改造项目，探讨已投运多年的炼油、化工企业管控一体化改造的设计及实施思路。

1 现状

该厂最早的装置始建于20世纪70年代，经过逐年的改造和发展，现有装置主要包括高压聚乙烯、二高压聚乙烯和低压聚乙烯3套装置，每套装置均毗邻装置区，设有独立的现场控制室，而厂管理人员办公地点位于距生产装置较远的办公楼内；3套装置位置分布分散，且装置新旧不同，各套控制系统投运年代相差较多；同一个现场控制室内操作台大小不同，显示器类型各异，辅操台形式多种多样等也造成操作人员对装置的管理相对困难。

2 改造目标

基于实现全厂集中管理、分散控制的要求，借鉴国内新建大型石油化工厂的经验，该厂确定建立1个中心控制室。原有3个现场控制室作为现场机柜室使用，并将生产过程监控与全厂管理工作全部集中于中心控制室内完成，现场机柜室不再设置操作岗位。结合企业已经建立的信息化系统，完成企业的管控一体化目标。

3 主要设计内容

该项目改造主要内容包括：新建中心控制室及其配套的供电照明、采暖通风、办公网络等各辅助设施；DCS，SIS，PLC等主要控制系统的操作站和辅操台由原现场控制室移位并集中至中心控制室操作区，其他系统如可燃气体报警系统、火灾报警系统、工业电视监控系统、扩音对讲系统等也需集中至中心控制室内。

3.1 中心控制室

3.1.1 选址

中心控制室布置于爆炸危险区域外，与相邻甲类、乙类装置间距应大于30m；除按照相关规范执行，考虑噪声、振动、电磁干扰、扬尘等因素外，还需综合该厂现有装置的布局，选择与生产装置距离适宜的位置，便于对生产装置的操作和管理；中心控制室的位置选择需避开现有不可拆除建筑及相关设施，在条件允许的情况下，还要考虑现有管架位置，方便中心控制室至各现场机柜室之间仪表槽板路由的敷设。

3.1.2 布局

作为全厂操作、管理的中心，中心控制室的设计参考了一些目前国内新建的大型石化企业中心控制室的布置，并按照该厂现有操作、管理人员数量及管理使用要求进行设计，其操作区、工作区的面积，办公室数量，会议室大小的确定均以节约投资且充分满足使用要求为前提，其他机柜间、UPS室、空调机房等则充分满足使用要求并适当留有扩容空间。

中心控制室的布局大致分为两个区域：以操作区、办公区等为主的生产操作管理区域；以机柜间、UPS室、空调机房等设备房间为主的设备区域。根据现有生产管理要求，厂领导办公室与各部室工作区毗邻，与操作区以落地式玻璃隔断隔开，整个中心控制室的工作运行情况一目了然；机柜间、UPS室、空调机房等设备房间集中布置于中心控制室的另一侧，正常生产运行时均无人员进出；操作区操作站、辅操台及其他工作站采用直线排列，根据现有设备数量分为2排，并按照设备的重要程度进行布置。

3.1.3 建筑和结构

由于中心控制室邻近有爆炸危险的化工装置，需要考虑这些装置可能发生的蒸气云爆炸，根据相关计算，新建中心控制室可能受到的最大爆炸超压（Overpressure）约为29.5kPa，持续时间约为50ms；结合文献资料及所做项目经验，新建中心控制室确定为钢筋混凝土抗爆结构，外墙墙厚350mm。

中心控制室设计为单层建筑，耐火等级二级（项目实施于2009年，2012年实施新规范改为一级），防水等级Ⅱ级，外墙、屋面板为现浇钢筋混凝土板；层高为6m，室内地面高于室外700mm，活动地板下基础底面、空调机房地面高于室外地面300mm。机柜间地面采用了抗静电地板，操作区、工作区均选用了大规格瓷砖地面，操作台进线采用暗埋电缆沟的方式，使整个中心控制室美观、清洁、耐用。

中心控制室外门的室内侧设置隔离前室，控制室外门、隔离前室内门选用抗爆防护门，其中外门荷载取值与建筑物外墙计算冲击波超压相同，隔离前室内门计算冲击波超压为外门的50%，整个中心控制室未设窗户。

3.1.4 采光和照明

由于中心控制室未设置窗户，全部采用人工照明。中心控制室分为若干区域，其照明要求不同，操作区域、工程师室等为300lx，机柜间为400～500lx，其他区域如工作区、会议室等可酌情确定。

3.1.5 采暖和通风

中心控制室的空调系统除配电室及UPS室外统一采用集中空调，配电室及UPS室设风冷分体柜式空调机。集中空调选用恒温恒湿空调机，上送风后回风；空调机设置为一用一备，每台均能满足需求，空调机供电与控制系统同采用UPS供电；空调机的室外机放置于屋顶，冷凝水排入排水漏斗；空调机温度、湿度传感器设置在机柜间内，同时为保证室内空气洁净度及卫生要求，系统设热回收式新风换气机，新风入口及排风出口设抗爆阀；空调系统送、回风管穿越空调机房隔墙处均设防火阀（常开型，70℃自动关闭），同时根据需要输出信号联锁关闭空调机或新风换气机。UPS室的风冷分体柜式空调机室外机设在屋顶，冷凝水排入相邻的空调机房的排水漏斗，冷凝水管选用热镀锌钢管，冷凝水管与空调机冷凝水孔接头处密封，防止凝水漏到UPS室内。

3.1.6 供电、防雷与接地

1）中心控制室的供电主要分为两部分：控制系统机柜、操作站、空调系统等设备的供电；办公用电。按照控制系统及空调机的供电要求，其动力电源采用双路供电，配置UPS；办公用电引自上述电源系统，也设置备用电池。

2）中心控制室按照第二类防雷建筑设防，屋顶设置避雷网，避雷网沿屋角、屋脊、檐角和屋檐等易受雷击的部位敷设，并在整个屋面组成网格，利用建筑物结构柱内二根主钢筋作为引下线，引下线下端与基础地梁内2个主筋可靠焊接，外墙引下线在距室外地面0.8m处引出与室外接地线焊接。

3）中心控制室的防雷接地、静电接地、保护接地和工作接地共用同一接地装置，接地电阻不大于4Ω。

3.2 各装置控制系统整合

该厂3套生产装置有十余套控制系统，包括各装置主要控制系统DCS，安全仪表系统（SIS），以及一些辅助单元（如风送系统、造粒系统等）采用的可编程逻辑控制器（PLC）等。各系统品牌及投运时间各不相同，配置情况各异。现需将这多套系统的操作站、辅操台统一安置于中心控制室的操作区，既需要从技术上实现远程监控操作，又需要考虑统一和美观问题。

除常规控制系统外，原各装置还存在一些特殊的监控设备，如设备保护和监测系统、反应器下料控制系统等，这些监控设备移至中心控制室需要特殊处理。其他一些系统如可燃气体检测报警系统、扩音对讲系统、火灾报警系统、电视监控系统等也需一并考虑。

3.2.1 主要控制系统

按照中心控制室－现场机柜间模式设计的控制系统是将控制器、卡件、端子等放置于现场机柜间的机柜中，操作站放置于中心控制室，中心控制室与现场机柜间之间通过光缆传输信号。该厂各套装置在运行当中，其现场控制室可作为现场机柜室使用，各装置DCS，SIS，PLC等系统的操作站、辅操台搬迁至中心控制室均按照该思路进行设计。

在中心控制室和各现场机柜室（原现场控制室）均增加用于放置交换机、光电转换器等设备的网络机柜，网络设备间通过双路径光缆连接进行系统数据传输，并将操作站搬迁至中心控制室操作区并连接至中心控制室的网络机柜，以接收来自现场机柜室系统控制器的数据，对生产过程进行监控。

不同类型的系统分别采用各自的多路光缆，避免了互相干扰，实现了安全可靠的网络布局，保证了各套系统顺利运行；网络设备采用了冗余配置，光缆敷设设置了双路径，保证了通信的可靠性。

原现场控制室中的DCS和SIS辅操台与其所属系统间的连接均采用电缆直接连接，因为原现场控制室与机柜间距离很近，不存在信号传输问题。当辅操台搬迁至中心控制室后，辅操台与其系统之间间距至少为几百米，如果继续采用电缆连接不仅需要大量电缆投资，更存在信号失真或传输故障之类的风险。改造中辅操台的搬迁采用远程I／O方式，在中心控制室增加远程I／O设备，将现场机柜室（原现场控制室）中的控制系统与放置在中心控制室的远程I／O设备通过冗余光缆连接，搬迁至中心控制室的辅操台的按钮和灯屏直接连接至远程I／O设备，完成报警和操作的功能，如图1所示。

图1 操作站与辅操台移位后与现场机柜室的连接示意

考虑到用户多年的操作使用习惯，辅操台并未采用目前较为先进的数字报警站，而是沿用了常规的灯屏和按钮的形式，避免了操作人员由于工作环境和操作习惯同时改变产生不适应，从而发生不必要的操作失误。

3.2.2 特殊监控设备

由于装置存在一些特殊监控设备，其远程控制改造的方式需要特殊处理。

二高压装置一次机活塞杆沉降监测系统采用Bently 3300／81监测系统，系统设置在原二高压现场控制室，管控一体化改造要求该系统通过4～20mA信号方式将信号传递至二高压装置DCS，实现中心控制室内对该设备的监控要求；而3300／81监测系统不具备模拟量输出功能，故将其更换为3500系统，完成监控系统在中心控制室的远程监控要求。

二高压装置反应器脉动下料控制采用了特殊的Bafco控制系统，该控制系统的控制盘设置于原二高压现场控制室内，将控制盘搬迁至中心控制室后，信号传输采用了硬接线的方式，在中心控制室的操作区墙面预留位置用于安装控制盘，实现了远程控制。

3.2.3 其他监控设备

其他监控设备主要包括可燃气体报警系统、火灾报警系统、语音对讲系统、工业电视监控系统等。

1）3套生产装置的可燃气体报警系统形式不同，有的采用了现场检测器信号直接进入DCS独立卡件并设置独立的可燃气体监测报警站的方式，有的则仍使用传统的盘装式多通道报警器。在改造过程中，将使用传统形式的可燃气体报警系统报警信号接入DCS，设置独立的卡件，在中心控制室中统一采用可燃气体检测报警站进行监测报警。

2）对3套装置的火灾报警系统进行整合，在中心控制室增设火灾报警系统，通过光缆连接将各装置的火灾报警信号引入中心控制室内，在中心控制室监测各装置的火灾报警系统。

3）由于中心控制室为钢筋混凝土建筑致使信号完全屏蔽，中心控制室与外界的语音对讲无法正常通信，因此在中控室内安装了无线信号覆盖系统。在中心控制室内安装数字中继设备、多信道合路器、多信道分路器及控制室内外的接收／发射天线，实现中心控制室内与生产装置区对讲机通话无盲区，保证生产工作的调度指挥。

4）工业电视监控系统作为工业生产的一种直观监控手段在中心控制室中地位重要，自2000年以来国内大型石化企业大屏幕等离子显示器组合作为工业电视监控显示屏的应用已比较成熟。该次改造将视频监控信号通过光缆传输至中心控制室，在中心控制室配置了1台261.62cm（103in）等离子显示器和14台127cm（50in）等离子显示器，组成了中心控制室工业电视监控大屏幕显示系统。将大屏幕安装于中心控制室操作区墙面，全部视频监控画面在操作区及管理工作区均可一目了然，有利于提高监控效率，便于管理，尤其是指挥和处理突然事件时更加直观。

3.3 操作区的布置及电缆密封模块的应用

操作区共分为2排，根据用户的建议和要求，所有操作站均设置为双屏显示，并将所有主要操作站、辅操台等放置于操作区的第一排，第二排采用的均为桌面式操作台，作为生产调度台或放置各装置的MES等辅助设备及对讲机充电台灯等。

为了满足中心控制室的抗爆、防水、防鼠等要求，该次改造的仪表电缆进线采用了专用电缆密封模块封堵的方式，具有较好的密封效果，且留有备用空间利于今后的维护和扩展，明显优于传统的填料函封闭的方法。

4 存在问题

原有3个现场控制室作为现场机柜室使用，其建筑结构并没有改变，仍然保留原来的非抗爆结构。按照SH／T 3006—2012《石油化工控制室设计规范》的要求，“对于有爆炸危险的石油化工装置，现场机柜室建筑物的建筑、结构应根据抗爆强度计算、分析结果设计”。原有3个现场控制室距离装置较近，一次性改造成抗爆结构是最佳方案，但由于对改造工期、投资、电缆进线等因素的考虑而没能实现。因此，笔者不推荐这种改造方案，而是寻找既符合规范要求又切实可行的改造方案，这是老厂管控一体化改造中必须面临的问题。