公用工程控制系統與儀表應用新趨勢

賈敬華

（中國石化集團上海工程有限公司，上海 200120）

公用工程控制系統與儀表應用新趨勢

賈敬華

（中國石化集團上海工程有限公司，上海 200120）

隨著工廠現代化，公用工程的自控原來不被重視，現在亦發生了很大變化。公用工程的自動化除了為搞好生產外，還緊緊和節能減排聯系在一起。我們應根據公用工程工藝特點、國家政策、儀表質量的提高一起來考慮公用工程自控設計問題。

高精度；節能減排；無線儀表；安全儀表；安裝；標準

1 引言

任何一個供車間（廠）的水、蒸汽、原料以及出車間（廠）廢水、廢氣等都盡量采用集中供、排原則。因此，其特點是：集中、管道大、主要露天。一般在設計上稱為公用工程。公用工程在任何一個項目中都是必不可少的，小到一個藥廠，大到一個石化企業。公用工程的組成部分大致相同。近年來，隨著節能減排的政策，隨著自控的發展，公用工程裝置在自控設計中有著明顯的變化。

2 控制系統的選用

公用工程的自動控制從采用傳統的盤裝二次儀表指示、控制、報警，到現在大多數石化企業公用工程都引入了分散控制系統（DCS）、安全儀表系統（SIS）、儀表設備管理系統(AMS)、火災和氣體檢測報警系統（FGS）等，對公用工程及輔助設施進行集中控制、操作和管理。

DCS系統完成各公用工程裝置的基本過程控制、操作、監視、管理、順序控制、工藝聯鎖和部分先進控制也在DCS系統的網絡設備中完成。DCS系統各控制站配置冗余的串行通信接口連接安全儀表系統（SIS）、火災和氣體檢測報警系統（FGS）、設備包PLC等系統。例如：在某大石化公司二期改造項目中，與一期相比，有明顯變化，在公用工程區域就多處采用了PLC+DCS的組合控制模式，采用分散控制，集中監控的方式。DCS系統采用了Deltav系統，為了滿足DCS系統擴容的需要，二期擴建的裝置以及公用工程的DCS系統均進行了系統升級。在我們設計的公用工程中，如：循環水系統，采用了一些比例、串級的復雜控制回路對供水系統進行控制；空壓系統則主要是空壓機設備帶來的PLC來控制和監控空壓機的運行，再將PLC系統的信號采用RS-485的冗余通訊方式，傳送至公用工程的中央控制室DCS系統進行實時監控。因為全部遠傳儀表均采用4~20 mA DC疊加Hart通訊協議，系統對儀表進行自診斷。并且引入了AMS儀表設備管理系統(Asset Mangement System)。儀表設備管理系統AMS是工廠對現場儀表、調節閥進行維護、校驗和故障診斷的管理系統，是全廠性的維護和故障診斷系統的一個組成部分。

3 儀表的選用

3.1 流量儀表的選用－精度要求提高

公用工程及界區計量儀表一般考慮如下：

（1）進出裝置界區的液體及氣體原料和產品，作為經濟核算依據，選用高精度質量流量計，或帶溫度、壓力補償的高精度容積式流量計。

（2）進出裝置界區的水、蒸汽、氣體等公用工程系統的計量儀表選用節流裝置(帶溫度、壓力補償裝置)或其他類型儀表如：電磁流量計、渦街流量計和超聲波流量計。

進出裝置界區的計量儀表宜安裝在供方的管線上。

（3）流量計量儀表的精度選擇，應考慮測量儀表的使用場合、物料特性、計量要求等因素。

（4）對于流量計量精度要求見下表。

表 流量儀表要求計量精度表

因此，總的原則是，對公用工程的介質計量，流量儀表的選用趨勢是在滿足預算的前提下，選擇高精度的儀表。

3.2 閥門的選擇－蝶閥的應用越來越多

公用工程的閥門的選擇，通常選用單座閥、蝶閥、偏心旋轉閥，閃蒸或氣蝕情況下，調節閥選用籠式調節閥，閥內件要堆焊硬質合金。由于公用工程的工藝特點為：低溫低壓、大口徑的公用工程的系統調節，在相同調節要求的情況下，蝶閥應是首選。

比較先進的蝶閥是三偏心金屬硬密封蝶閥，與傳統蝶閥相比，具有耐高溫、操作輕便，啟閉無摩擦，關閉時隨著傳動機構的力矩增大來補償密封，提高了蝶閥的密封性。蝶閥的主要優點：啟閉方便、迅速、流體阻力小，可以經常操作；結構簡單，體積小，重量輕，造價低。低壓下，可以實現良好的密封。

例如：在該公司二期改造項目中，與一期閥門選用有很大不同，公用工程單元的調節80%都選用的調節蝶閥，選用的調節蝶閥的開度范圍為25%~65%，按照調節蝶閥的線性曲線，推薦選用的最佳開度為30%~60%，調節性能最佳。

對于開關閥，通常選用球閥或蝶閥。開關閥執行機構通常選用活塞式。

3.3 溫度儀表的選用－總線型多點溫度變送器應推廣應用

就地溫度指示儀表選用雙金屬溫度計。遠傳溫度通常選用智能型一體化溫度變送器。測量元件：熱電阻Pt100用于-200℃～400℃或溫度補償場合；“T”型熱電偶用于-120℃～370℃；“J”型熱電偶用于 0℃～ 760℃；“K”型熱電偶用于-120℃～1260℃。

對于成套設備的溫度監控，如：高壓水泵或風機等，宜采用總線型多點溫度變送器，這樣既節省系統卡件，又節省信號電纜。

3.4 液位儀表的選擇－超聲波液位計和雷達液位計已廣泛采用

就地液位指示選用磁性浮子液位計、液位開關等。近年來，由于超聲波液位計和雷達液位計性能提高，遠傳儀表通常采用超聲波液位計和雷達液位計。

3.5 壓力儀表的選擇－隔膜型和毛細管遠傳變送器解決難題

壓力測量通常選用不銹鋼彈簧管壓力表和智能壓力變送器。易腐蝕和自聚介質壓力測量選用隔膜壓力表。另外，在公用工程中，水，蒸氣等介質需要保溫防凍，特別是在北方天氣寒冷地區，需要伴熱、保溫。為了避免伴熱增加的費用以及工廠正常運行后，伴熱增加的維護工作，在設計階段，隔膜型的壓力表或毛細管遠傳壓力變送器將是不錯的選擇。

3.6 無線儀表的選用優勢－公用工程應該首先總結應用經驗

由于公用工程的生產裝置的特點，區域分散，又需要集中控制。特別對于大的石化企業，公用工程裝置擔任全廠的水、蒸汽、工廠風等的供應任務，控制儀表遍布全廠，總是存在著有線儀表無法安裝而工藝上又需要監控的“盲點”。利用無線控制方案和無線儀表正可以清除這些盲點。其無線儀表系統具有以下優勢：

（1）采用與相應有線變送器相同的檢測元件和數據轉換電路，保證工藝數據來源可靠。

（2）其無線網關主動搜索并自動調整無線網絡以適應無線設備的增加或減少，同時，網關可管理并選擇數據傳輸的路徑。另外，在數據傳輸上，它采用時間同步技術，以此保證數據傳輸實時可靠。

（3）上位機組態方便，無專用軟件，IE瀏覽器組態界面友好，人機交互性強，支持多種通訊協議。

（4）無線變送器安裝方便。

無線控制系統一般由各類工況監測無線變送器、無線網關、裝有IE瀏覽器的PC機組成。其結構如下圖所示：

艾默生無線解決方案結構圖

先進的無線技術與有線技術相比，投入成本低，占地面積少。與傳統4-20 mA有線模擬量儀表相比，安裝無線每個節點可節省30%的費用，無線技術在北美地區采用較早。

任何熟悉工業自動化的人都知道，從本世紀90年代中期開始，人們就在尋找一種可以替代4～20 mA模擬標準的技術，現在4～20 mA+HART以及現場總線等技術，已為各工業行業廣泛應用。

最新的研究表明，如果所需敷設電纜不超過250 m，連接點數小于500點，那么無線儀表的安裝成本比Foundation（FF）現場總線方案還要低。如果高于這個指標，現場總線方案會比無線方案更省錢。無線的優勢還包括：簡化工程和實施工作，啟動更快更靈活，既使后期改變設計也沒問題，因為它的安裝非常簡單。

安全也是需要考慮的因素，過程和運行信息可根據需要進行無線傳遞，工作人員無需在高壓高溫的地方人工讀取數據。

有數據表明，無論是在小型或大型新建項目中，當智能無線技術占到整個項目I/O的25%到45%時，優勢最顯著。此外，無線技術可提高項目設計的靈活性，同時，由于它的實施和安裝都很簡單，因此，還能縮短工期。因此，新建公用工程項目的最佳實施方案是采取有線HART、現場總線和無線通訊相結合的方式。而隨著無線技術的發展，無線儀表的應用將會越來越廣泛。由于無線儀表初露頭角，一定會碰到各種問題，希望制造廠積極提供資料、經驗給設計院參考，以便推廣應用。

3.7 安全儀表的采用－越來越被重視和采用

隨著現代石化企業規模越來越大，對自動化控制要求越來越高，安全儀表系統已經被廣泛用于避免工藝危險的發生。對于公用工程系統，安全儀表在比較重要的工藝聯鎖中被采用，在一個項目中，是否采用安全儀表系統以及怎樣合理采用安全儀表系統，應至少有如下過程：

（1）在項目的基礎設計階段，對P&ID進行危險和可造作性研究HAZOP(Hazards & Operability Study)評估，分析工藝系統內存在的各種隱患，同時，確定是否考慮使用安全儀表系統對工藝隱患進行控制。

（2）根據HAZOP 評估提出的建議，對工藝系統的圖紙進行修改，在認為需要安全儀表系統的地方，增加安全儀表功能。

（3）根據HAZOP報告，對相關安全儀表功能進行安全完整性等級（SIL）評估，確定每個安全儀表功能的SIL等級，如果確定了該安全儀表功能的SIL等級為0，則可以刪除次安全儀表功能。

（4）依據安全儀表功能的SIL等級，從設計角度對安全儀表功能冗余進行分析，并確定該安全儀表功能是否能滿足安全要求。

（5）項目詳細設計階段，在采購儀表設備時，從可靠性的角度，來驗證安全儀表功能是否能滿足SIL等級，并提出將來生產運行和檢修階段的建議。例如：在某大石化公司中，對于廢氣的回收控制，對P&ID進行HAZOP評估，分析了廢氣控制失效存在的各種隱患，考慮采用安全儀表系統。并且根據HAZOP報告，對采用的切換控制閥門進行了安全完整性等級評估，最終確定該安全儀表回路為SIL2。

在石化項目中，安全問題是非常重大的問題，安全儀表系統將會越來越被重視和采用。

3.8 節能－用計算數據來確切說明重要性

對于公用工程來說，節能無異于減少排放。那么，就要求提高計量儀表的精度。以廢水為例，如將計量儀表的精度從1%提高到0.5%，以DN200管徑的酸性廢水為例：

即：每年減少酸性廢水排放大于6000 t。由此可見，提高計量儀表精度對節能減排有著重要的意義。

4 安裝－法蘭和卡套連接有優勢

為了方便儀表的維護與安裝，溫度多采用法蘭連接形式；壓力儀表為減少保溫伴熱的工作，選型時就采用了毛細管壓力變送器和隔膜型壓力表，普通壓力儀表的安裝多采用TUBE的卡套式連接，不僅方便安裝，而且，安裝不方便的地方，可以先將卡套接頭進行預裝。

對于管廊上儀表的安裝位置，盡量放在方便維修的地方，減少檢修平臺的數量。

5 采用標準－自控專業與工藝、電氣專業盡量一致

設計中要在遵循國家強制性規范、標準和中石化的行業規范前提下，參照和遵守業主的相關標準以及項目的統一規定。

例如：配管專業配管遵循的是美國的ASME /ANSI B16.5 （Pipe Flanges and Flanged Fittings） 和ASME / ANSI B16.47（Large Diameter Steel Flanges（Series B））標準，我們儀表專業就必須與配管專業遵循的標準一致，將ASME標準作為儀表選型的工藝連接標準。

6 結束語

公用工程系統的自動化控制因其特有的要求和裝置在全廠中的重要性，自動化控制水平將會越來越高，生產裝置的特點，區域分散，又需要集中控制，新建項目的最佳實施方案是采取有線HART、現場總線和無線通訊相結合的方式。

[1] 王森, 紀綱. 儀表常用數據手冊[M].北京：化學工業出版社,2006.

[2] 陸德民, 張振基, 黃不余. 石油化工自動控制設計手冊[M](第三版). 北京：化學工業出版社, 2000.

[3] IEC61508-2003, Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related System[S].

[4] 艾默生智能無線技術和無線技術方案的技術規范.

[5] EMERSON-ROSEMOUNT無線設備廠家樣本資料.

Application Trend of Control System and Instruments Used in Public Engineering

Jia Jinghua
( SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd Shanghai, 200120)

Automatic control used in public engineering was not paid attention before. But, with the modernization of factories, this situation has been changed. Automatic control used in public engineering not only is contributed to production, but also is related closely with energy saving and emission reduction. The design of automation should be considered with process, national policy and the enhancement of instrument quality together.

high precision; energy saving and emission reduction; wireless instrument; safety instrument; installation; standard

TQ056. 2

A

1008-455X(2010)-06-0020-04

2010-08-13

賈敬華（1976-），女，工程師，從事儀電設計工作。

Tel：021-58366600 E-mail：jiajinghua@ssec.com.cn