摘要
本文介紹了某LPG罐區(qū)成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的先進(jìn)案例，在僅一周的時(shí)間內(nèi)，該罐區(qū)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)控制系統(tǒng)和全部運(yùn)行監(jiān)控的自動(dòng)化，并嚴(yán)格遵循國(guó)際環(huán)境與安全法規(guī)的各項(xiàng)要求，成功實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有的Pemex天然氣與石化系統(tǒng)的無(wú)縫集成。
Abstract
This paper presents a leading case in which it was sought to implement LPG terminal automation, in just one week, including an integral control system, 100% monitoring of the operations, compliance to all International environmental and safety requirements, and integration with the existing system of Pemex Gas and Basic Petrochemicals.
該罐區(qū)位于墨西哥阿他托尼科市，是現(xiàn)代化程度高的罐區(qū)之一，主要負(fù)責(zé)LPG的接收、存儲(chǔ)和輸送。該罐區(qū)的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為20,000 bpd，每天可灌裝160輛油罐車。
罐區(qū)通過(guò)18km的PEMEX Cactus管線輸送LPG，確保滿足墨西哥中東部地區(qū)目前和未來(lái)的LPG需求。同時(shí)罐區(qū)設(shè)備必須通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量、安全和環(huán)保的管控標(biāo)準(zhǔn)。
罐區(qū)主要負(fù)責(zé)LPG油罐車的接收、存儲(chǔ)、安全和灌裝。產(chǎn)品的接收壓力為20 kg/cm2，可以選擇存儲(chǔ)在室溫環(huán)境下壓力為7 kg/cm2、容積約為4000 m3的兩個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)。
目標(biāo)
在整個(gè)項(xiàng)目初期，股東們提出了以下基本要求，以確保該罐區(qū)的正常運(yùn)行：
1) 控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和靈活性，以及與現(xiàn)有的Pemex天然氣與石化系統(tǒng)正確、可靠的集成。
2) 安全系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)操作的100%監(jiān)控，同時(shí)整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期都應(yīng)滿足所有國(guó)際環(huán)境和安全法規(guī)要求。
3) 必須在一周內(nèi)完成項(xiàng)目實(shí)施。
為了實(shí)現(xiàn)罐區(qū)接收、存儲(chǔ)和輸送的佳運(yùn)行和控制，對(duì)該項(xiàng)目提出了更多的要求：
• 確保在第一階段達(dá)到12,500至50,000 bpd的灌裝能力。
• 滿足墨西哥中東部地區(qū)LPG的數(shù)量和質(zhì)量需求。
• 運(yùn)營(yíng)周期和罐區(qū)設(shè)備生命周期達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（30年）。
整體方案
該罐區(qū)的設(shè)施建設(shè)對(duì)于EPC承包商（設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工和工程采購(gòu)）帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。項(xiàng)目需要設(shè)計(jì)一個(gè)全面的解決方案，包含罐區(qū)過(guò)程控制系統(tǒng)（監(jiān)控庫(kù)存和油罐車灌裝）以及罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)（緊急停車系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)）。同時(shí)，還需要提供控制系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限，從而確保Pemex(SAP)管理系統(tǒng)與罐區(qū)控制和安全儀表系統(tǒng)之間的正確通訊。
圖2. 整體架構(gòu) – 罐區(qū)設(shè)施
來(lái)自艾默生過(guò)程管理的專家團(tuán)隊(duì)擁有罐區(qū)的自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，他們與罐區(qū)的操作人員的合作貫穿整個(gè)FEED階段（前期工程和設(shè)計(jì)階段）。艾默生建議配置DCS系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)罐區(qū)的自動(dòng)化，然而項(xiàng)目初階段選擇使用PLC 系統(tǒng)(可編程序邏輯系統(tǒng))。配置DCS系統(tǒng)的方案終獲得了負(fù)責(zé)項(xiàng)目審計(jì)公司（AEC獨(dú)立工程服務(wù)公司）的支持，AEC公司負(fù)責(zé)為罐區(qū)避免短期內(nèi)資產(chǎn)貶值提供擔(dān)保。AEC董事長(zhǎng)Anthony E. Chodorowski說(shuō)：“我們負(fù)責(zé)確定滿足技術(shù)要求的佳技術(shù)產(chǎn)品，后我們選擇了分布式控制系統(tǒng)：艾默生的DeltaV數(shù)字式自動(dòng)化系統(tǒng)和兩套DeltaV SIS安全儀表系統(tǒng)（一套用于火氣系統(tǒng)，另一套用于緊急停車系統(tǒng)）。”
艾默生在灌區(qū)的貿(mào)易交接計(jì)量點(diǎn)和罐區(qū)安裝了計(jì)量撬，同時(shí)也完成了現(xiàn)場(chǎng)所有儀表的安裝（球罐的雷達(dá)液位計(jì)除外）。
實(shí)施與結(jié)果
在罐區(qū)達(dá)到其設(shè)計(jì)產(chǎn)能即20,000 bpd后的24小時(shí)內(nèi)執(zhí)行部署和調(diào)試，終實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃產(chǎn)量如期完成。
圖3. LPG管道Cactus - Zapopan - Tula - EB-04站的接收端
據(jù)統(tǒng)計(jì)，類似罐區(qū)的灌裝過(guò)程需要耗費(fèi)一個(gè)半小時(shí)，而且測(cè)量誤差值高達(dá)50kg。然而阿他托尼科市的罐區(qū)僅用了大約一半的時(shí)間就完成灌裝，將誤差值控制在1kg以內(nèi)，10個(gè)加氣島每天可以灌裝160輛油罐車，這意味著每天比類似罐區(qū)的灌裝數(shù)量增加了40輛。專家指出，這對(duì)于作為墨西哥人口為密集的該區(qū)域來(lái)說(shuō)大有裨益。
圖4. 泵站
在整個(gè)項(xiàng)目的安裝、調(diào)試及之后各執(zhí)行階段，EPC、承包商及艾默生的協(xié)作非常順利。
終項(xiàng)目成功實(shí)施。在投用后的八天內(nèi)，產(chǎn)能提高了220%，灌裝產(chǎn)能增加值超過(guò)40,000 bpd。專家表示項(xiàng)目成功主要得益于該工廠設(shè)計(jì)的靈活性以及運(yùn)行控制系統(tǒng)的穩(wěn)健性，從而適應(yīng)產(chǎn)量的顯著變化。
該系統(tǒng)靈活性帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是油罐車的灌裝時(shí)間得到了顯著改善。由于集成了Pemex系統(tǒng)（SCADA和SAP），實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)罐信息的輕松訪問(wèn)，提高了操作的透明度。
圖5. 控制圖
另一個(gè)重要結(jié)果是工藝使用的貿(mào)易交接計(jì)量點(diǎn)（EB-04站）和工廠計(jì)量撬將測(cè)量精度提高至0.05%。計(jì)量撬測(cè)量精度通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，終實(shí)現(xiàn)工廠質(zhì)量的物料平衡。
存儲(chǔ)區(qū)前后各安裝一臺(tái)色譜分析儀，用于接收、存儲(chǔ)和輸送—LPG設(shè)備接收和輸出的質(zhì)量管理。存儲(chǔ)區(qū)后方的色譜分析儀每隔20分鐘進(jìn)行一次采樣分析。
圖6. 油罐車裝料區(qū)
圖7. 存儲(chǔ)區(qū)
據(jù)數(shù)據(jù)和可靠統(tǒng)計(jì)顯示，安裝的控制系統(tǒng)能夠?qū)⑦\(yùn)行的可靠性提高至99%以上。
安全儀表系統(tǒng)
首先深入分析罐區(qū)的安全系統(tǒng)。在該案例中，使用了艾默生的DeltaV SIS系統(tǒng)（火氣系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)），因?yàn)樵撓到y(tǒng)被認(rèn)為能夠100%滿足國(guó)際規(guī)范和功能安全標(biāo)準(zhǔn)即IEC 61508-3 和IEC 61511-1。
罐區(qū)的火氣系統(tǒng)采用艾默生的DeltaV SIS系統(tǒng)，以分布式的方式保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。用戶可以通過(guò)該系統(tǒng)檢測(cè)異常區(qū)域并直接對(duì)其采取措施。該系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的火氣檢測(cè)器連接，能夠控制消防水壓以及主水泵電機(jī)、消防泵和泄壓泵的開(kāi)關(guān)順序，以及備用動(dòng)力發(fā)電機(jī)點(diǎn)火繼電器的開(kāi)合。同時(shí)也將可視報(bào)警（燈）和聲音及雨淋閥（消防水）集成在該系統(tǒng)中。相反地，緊急停車系統(tǒng)控制緊急切斷閥（XV）的開(kāi)關(guān)，從而將所涉及區(qū)域進(jìn)行隔離，否則一旦發(fā)生意外事故就需要隔離整個(gè)罐區(qū)設(shè)備。同時(shí)系統(tǒng)也集成了壓力變送器和探測(cè)器等主要傳感元件，一旦檢測(cè)到爆炸性混合物，緊急停車按鈕將變成紅色，從而觸發(fā)系統(tǒng)控制器動(dòng)作。
罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的另一個(gè)重要功能是它能夠與液壓系統(tǒng)相互作用，液壓系統(tǒng)用于控制自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)連接的快速關(guān)斷閥門。當(dāng)存儲(chǔ)液體的溫度超過(guò)40 °C ，或者存儲(chǔ)液位超過(guò)上限，或者儲(chǔ)罐附近區(qū)域出現(xiàn)泄漏時(shí)，這些閥門（被稱為“維氏溫度計(jì)”）立即動(dòng)作。
該系統(tǒng)準(zhǔn)確協(xié)調(diào)火氣系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行，與工廠所采取的安全措施協(xié)同工作。例如，在工廠和防雷系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)安裝監(jiān)控器，這一舉措幫助工廠創(chuàng)造了自2012年5月投產(chǎn)以來(lái)730天無(wú)安全事故的重要里程碑記錄。
圖8. 油罐車裝載區(qū)
在安全系統(tǒng)規(guī)劃階段需要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是油罐車的訪問(wèn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)相互協(xié)作。
部署該系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)罐區(qū)油罐車的進(jìn)入、輸出和分配的自動(dòng)控制，它與過(guò)程控制系統(tǒng)和Pemex 天然氣和石化系統(tǒng) (SAP)集成到一起。后者確定每小時(shí)的裝載計(jì)劃。利用Pemex內(nèi)部安全系統(tǒng)（稱為“Sastra Annex I”），油罐車在進(jìn)入罐區(qū)之前需要通過(guò)21個(gè)Lizan檢測(cè)點(diǎn)。截至今日，部署艾默生的火氣系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)（分別為DeltaV 自動(dòng)化系統(tǒng)和DeltaV SIS 系統(tǒng)）后，該工廠運(yùn)行已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100%控制，包括確保運(yùn)行安全性和連續(xù)性的技術(shù)人員。
“該系統(tǒng)靈活、穩(wěn)固、可靠，它可以確保工廠在佳性能模式下運(yùn)行，并且滿足季節(jié)性的需求波動(dòng)。”阿他托尼科市罐區(qū)的經(jīng)理說(shuō)。罐區(qū)工程師Moses Decto認(rèn)為：“通過(guò)單個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的全面控制，確保我們能夠監(jiān)控所有的生產(chǎn)波動(dòng)。”
下一步計(jì)劃
基于安裝艾默生系統(tǒng)為接收、存儲(chǔ)和輸送裝置帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，該項(xiàng)目的決策組正在分析納入新罐區(qū)的可行性。該項(xiàng)目的下一階段目標(biāo)是Tuxpan罐區(qū)，通過(guò)新的Tuxpan管線實(shí)現(xiàn)其與現(xiàn)有罐區(qū)的連接。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊，Tuxpan管線的SCADA 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有罐區(qū)的通訊，包括泵站和控制系統(tǒng)的安全信息。（本文刊登在Petrotecnia 2013年12月版）
鳴謝
作者特別鳴謝Alfonso Viniegra Casillas對(duì)于本篇文章在撰寫和校對(duì)過(guò)程中所提供的幫助。
關(guān)于作者：
Marcelo Carugoes，艾默生過(guò)程管理公司拉丁美洲煉油行業(yè)總監(jiān)
Fernando Mirafuenteses，艾默生過(guò)程管理公司墨西哥區(qū)域方案與工程經(jīng)理
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