TSxPlus系统在催化油浆加氢装置的应用

唐少文

南京金陵石化建筑安装工程有限公司，中国·江苏 南京 210033

1 引言

燃料油主要以原油加工过程中的渣油、催化裂化油浆、催化重柴油及其他重质馏分等为原料调合而成。燃料油还可以在多种设备上使用，分为船用燃料油、炉用燃料油及其他燃料油。工业和电力行业燃料油消费量可能继续萎缩，石油加工行业对燃料油的需求已降至极低水平但仍存在少量刚需，而船用燃料油持续增长。根据国际海事组织（IMO）的规定，自2020年1月1日起，全球所有海域航行的船舶尾气必须达标排放，船舶或使用硫含量小于0.5%的低硫燃料油，或采用尾气脱硫措施。按照新规，高、低硫船舶燃料油将在市场共存。船舶燃料油质量标准升级后，低硫燃料油供应将趋紧，高低硫船舶燃料油价差拉大，船舶燃料油生产、供应格局将发生改变。船舶燃料油质量标准升级，对产能过剩的中国炼油业来说是难得的发展机遇[1]。随着环保政策加深，船舶燃料油的使用也成为交通运输部重点关注对象，因此燃料油生产装置的安全生产也就尤为重要。

2 催化油浆加氢

2.1 装置简介

90 万吨/年催化油浆加氢装置是金陵石化公司在现有Ⅲ汽油加氢装置基础上改建的一套催化油浆“减压蒸馏—加氢脱硫”装置。于2020年12月投入生产使用。该装置以金陵石化公司Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ套催化装置的催化油浆及罐区油浆为原料，主要生产低硫船用燃料油调和组分，送至油品罐区调和生产RMG380 船用残渣燃料油。后期兼顾生产满足下游焦化装置生产高端石墨材料所需的原料。

2.2 工艺技术简介

90 万吨/年催化油浆加氢装置采用中国石油化工股份有限公司大连(抚顺)石油化工研究院（后文简称FRIPP）研发的催化油浆加氢技术方案，生产低硫船用残渣燃料油。

由于金陵催化油浆含有催化剂粉末、且硫含量较高，需要进行原料预处理。催化油浆中的催化剂粉末可以采用切尾方法除去，先将催化油浆减压深拔，取得合适的催化油浆原料，再将该油浆进一步加氢处理降低硫含量，满足低硫的要求。催化油浆经减压蒸馏、加氢脱硫后，至罐区调和。其生产技术路线见图1。

图1 催化油浆加氢装置生产技术路线

3 TSxPlus 系统

3.1 系统介绍

“TSxPlus 安全保护和关键控制系统”是康吉森面向工业自动化流程行业应用开发的具有完全自主知识产权的安全仪表系统（SIS）和机组控制系统（ITCC）产品[2]。康吉森TSxPlus 安全仪表系统（SIS）完全适用于化工、石化企业的安全保护及关键控制。TSxPlus 系统包括硬件平台和软件平台两部分，其中硬件平台通过专用FTA 端子板连接现场仪表和执行器；软件平台包括组态编程、诊断、OPC、SOE、AMS和HMI 等软件。同时，TSxPlus 具有与第三方系统的通讯接口，支持Modbus TCP 、Modbus RTU 和Modbus ASCII 通讯。

容错是系统的重要特性，它是系统能诊断到故障并采取必要措施的能力。TSxPlus 系统采用TMR 安全架构，采用了完全的三重化设计（2oo3D）。除电源模块为双重冗余架构外，PM、BI 及I/O 均包含独立三系，三系并行，每系可独立执行控制程序，有效提升系统及被控过程的安全性和可用性。TSxPlus 系统具有多种故障诊断及报警功能。该系统降级模式为3-2-1-0。这种架构和降级模式可以保证系统应用过程在确保安全性的同时维持最大的可用性。TSxPlus 系统在取得功能安全SIL3 认证的同时还取得了欧洲信息安全SL1 认证和美国信息安全标准定义的Level 1 等级认证，可以同时满足用户对功能安全和信息安全的要求。TSxPlus 系统是中国同类产品首套取得国际信息安全标准认证的安全保护系统，也是中国首套取得美国信息安全标准认证的安全保护系统。

3.2 TSxPlus 硬件架构

TSxPlus 系统是基于先进的功能安全和信息安全技术的可编程序电子控制系统，专门用于过程控制、紧急停车系统、燃烧炉管理系统和火气系统等SIS 应用[3]。TSxPlus 系统中的模块可根据特定的安全或控制应用所需的功能进行配置。

一套典型的TSxPlus 系统包括主处理器模块（PM）、通讯模块（CM）、电源模块（PW））、I/O 模块和端子板（FTA）、容纳这些模块的机架、现场连接线以及PC（见图2）。TSxPlus 系统中每个模块作为现场可更换单元，安装在机架内，且均具备防混淆设计。

图2 TSxPlus 系统配置

3.2.1 机架（MC）

TSxPlus 系统的机架采用标准的19 英寸机架，最多支持15 个机架。该系统支持主机架和扩展机架物理结构模式。主机架提供2 个系统电源模块槽位、3 个主处理器模块槽位、1个通讯模块专用槽位和6 对冗余I/O 槽位；扩展机架提供2个系统电源模块槽位和8 对冗余I/O 槽位。

3.2.2 电源模块（PW）

TSxPlus系统每个机架内配备两个冗余的电源模块（PW）,分别经过机架底板独立的输入端子，每个电源均可满足机架内系统侧电源要求。电源模块（PW）具备输出过压和过流保护。

电源模块（PW）双冗余配置提高了系统可用性的同时，并不影响系统的SIL 等级。在PC 软件中，电源模块（PW）冗余使用不需要用户配置。

3.2.3 主处理器模块（PM01）

TSxPlus 系统主处理器模块（PM01）采用三冗余配置，三个独立控制器模块同步运行，降级模式支持3-2-1-0；每系主控制器负责通过I/O 总线获取输入模块采集信号，与另外两系主处理器模块交换数据，经过运算和三取二表决后，通过I/O 总线输出最终命令。

主处理器模块具有丰富的诊断功能，可及时诊断出电源、时钟、存储器、CPU、外围接口等故障，自动做相应处理并及时报警。

3.2.4 通讯模块（CM01）

TSxPlus 系统通讯模块（CM01）用于完成控制站与上位机软件之间的通讯，控制站之间的安全通讯，控制站与第三方控制系统之间的通讯。

每个CM 支持2 个Ethernet 接口和4 个串口。Ethernet接口可被配置为System Net 与上位机软件进行通讯，或者可配置为Safety Net 与其他控制站通讯，或者配置成Modbus TCP 与第三方控制系统进行通讯。串口可配置为Modbus RTU/ASCII 与第三方控制系统通讯。

3.2.5 I/O 模块及FTA 板

TSxPlus 系统常用的I/O 模块有AI 模块（AI3281）、AO 模块（AO1681）、DI 模块（DI3201）、DO 模块（DO3201）、PI 模块（OSP01）。I/O 模块采用单模块TMR 架构，冗余的三系放置在同一模块上。I/O 模块通过固定在机架背板上的连接器与主处理器模块（PM）和FTA 连接。每个I/O 模块对应一个FTA，I/O 模块冗余配置时，冗余模块共用FTA。I/O 模块的工作温度是-10～60℃。I/O 模块均支持在线更换。

3.3 TSxPlus 组态软件

3.3.1 ARCHITECT EVENT 软件简介

ARCHITECT EVENT 软件是一款运行于Windows 操作系统下的事件收集软件，与控制站按照私有通讯协议进行连接并实时交换数据，可以对获取的事件进行查找、排序、筛选等离线操作，并具有操作日志记录、操作权限配置和用户权限管理等功能。

3.3.2 ARCHITECT MONITOR 软件简介

ARCHITECT MONITOR 软件是一款运行于Windows 操作系统下的通讯软件，与控制站按照私有通讯协议进行连接，提供读取诊断信息、版本、日志的服务，支持记录操作日志和通讯日志，并且具有操作权限配置和用户权限管理等功能。

3.3.3 ARCHITECT SERVER 软件简介

ARCHITECT SERVER 软件是一款运行于Windows 操作系统下的OPC Server 通讯软件，与控制站按照私有通讯协议进行直连，可以与支持OPC Client 的第三方应用系统进行交换数据，提供读写变量的服务，并具有操作日志记录、操作权限配置和用户权限管理等功能。

3.3.4 ARCHITECT 软件简介

ARCHITECT 作为可编程控制系统组态编程工具，运行于windows7/10 及以上windows 操作系统。支持用户使用IEC61131-3 标准的ST、FBD、LD 等语言进行控制逻辑编程，支持用户定义简单和复杂的各种类型变量，同时也支持对可编程控制系统进行硬件模块配置。组态软件提供离线编辑和编译功能，提供下装在线下装、监视变量等基本在线功能，同时还提供了停止/启动/单周期/暂停、写变量、强制变量等高级功能。

4 TSxPlus 系统在催化油浆加氢装置的应用

90 万吨/年催化油浆加氢装置的安全仪表系统（SIS）控制方案主要分为加氢部分（原III 汽油加氢装置改建）和减压部分（新建）两个部分。加氢部分（改建）控制方案分别是I1 ～I7 的紧急泄压停车联锁、加氢进料泵停车联锁、加热炉F101 停炉联锁、加热炉F101 长明灯停车联锁、高分系统液位低低联锁、循环氢压缩机联锁和新氢压缩机联锁。减压部分（新建）控制方案分别是I8 ～I17 的注水系统停泵联锁、减压炉F401 停炉联锁、减压炉F401 长明灯停车联锁、减压塔侧二线火灾阀联锁、减压塔底火灾阀联锁、减压炉F401 引风机联锁、减压炉F401 鼓风机联锁、加热炉F101 鼓风机联锁、减顶不凝气排放联锁和压缩机干气密封联锁。

4.1 硬件配置及系统组态

根据项目需求，本项目共配置了2 个控制柜（包括1 个主机架、3 个扩展机架）、3 辅助柜、1 台工程师站、1 台操作站。系统内包括1 组主处理器模块、1 对冗余通讯模块、6 个AI模块、1 个AO 模块、6 个DI 模块、5 个DO 模块和1 个PI模块。本项目首先在ARCHITECT 组态软件中创建一个新项目。ARCHITECT 只有与控制站连接才具有实际使用意义，应在项目中添加一个控制站，双击站名，打开硬件配置窗口，进行硬件配置（见图3）。

图3 硬件配置窗口

硬件配置完成后，在项目树上右击程序列表新建一个程序。程序创建完成后，将程序添加到执行列表中。在程序执行的时候，控制站将按照执行列表中的顺序周期性执行。

4.2 控制方案策略组态

本项目使用ARCHITECT 中的FBD 语言进行控制逻辑编程，实现各种控制方案。

4.2.1 AI 模拟量处理。

使用AIN_1 模块对所有AI 点进行量程转换和报警值、联锁值处理（见图4）。

图4 AI 模拟量处理模块

4.2.2 联锁控制方案的实现。

使用或门（OR）、三取二模块（V2oo3）、SR 触发器（SR）等功能块，搭建出符合控制策略的控制方案。

减压炉F401 长明灯停车联锁（I10）控制方案（见图5）的联锁条件：①减压炉长明灯火嘴压力低低三取二（PT3009ABC）；②炉膛辐射顶压力持续过高（PT3083ABC高高三取二，持续＞5s）；③减压炉手动停长明灯按钮（辅操台）；④减压炉手动停长明灯按钮（现场按钮）。

图5 减压炉F401 长明灯停车联锁控制

联锁动作：①关减压炉主火嘴切断阀（XV3002）；②关减压炉长明灯切断阀（XV3001）。其他I1 ～I17 的控制方案也依次完成。

4.2.3 过程报警处理

使用ALM 模块对报警信号、联锁信号等过程报警进行处理（见图6），输出至蜂鸣器及指示灯，产生及时的声光报警。提醒操作人员及时处理。

图6 报警信号、联锁信号处理

4.2.4 系统报警处理

使用硬件状态采集模块（TR_SLOT_STATUS）采集硬件信息，集中处理后输出系统报警状态（见图7）。

图7 硬件状态采集模块

4.3 Modbus 通讯组态

在硬件配置窗口中，选择Modbus 从站配置。在配置中根据数据类型的不同，将需要通讯的变量分配在相应的通讯块中。通讯块共有线圈、离散量输入、输入寄存器和输出寄存器4 类。再到相应通讯块中分配通讯变量的通讯地址（见图8、图9）。

图8 通讯变量配置1

图9 通讯变量配置2

Modbus 从站配置完成后，可以与支持Modbus 协议的第三方应用系统进行交换数据。催化油浆加氢项目将TSxPlus系统中的数据通过Modbus 通讯传送到DCS 系统（Honeywell PKS 系统）中显示。

5 结语

90 万吨/年催化油浆加氢装置是金陵石化公司内首批使用TSxPlus 系统的装置之一。在装置开工过程中经过大量调试、完善，完全满足装置工艺操作要求。自2020年12月投入生产使用以来，系统平稳运行了半年。充分体现了TSxPlus系统工作稳定、安全可靠，足以保证装置安全平稳运行。