摘要
本文介紹了某LPG罐區(qū)成功實現(xiàn)自動化的先進(jìn)案例，在僅一周的時間內(nèi)，該罐區(qū)實現(xiàn)了整個控制系統(tǒng)和全部運(yùn)行監(jiān)控的自動化，并嚴(yán)格遵循國際環(huán)境與安全法規(guī)的各項要求，成功實現(xiàn)了與現(xiàn)有的Pemex天然氣與石化系統(tǒng)的無縫集成。
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)代化程度最高的罐區(qū)之一，主要負(fù)責(zé)LPG的接收、存儲和輸送。該罐區(qū)的設(shè)計產(chǎn)能為20,000 bpd，每天可灌裝160輛油罐車。
罐區(qū)通過18km的PEMEX Cactus管線輸送LPG，確保滿足墨西哥中東部地區(qū)目前和未來的LPG需求。同時罐區(qū)設(shè)備必須通過嚴(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、安全和灌裝。產(chǎn)品的接收壓力為20 kg/cm2，可以選擇存儲在室溫環(huán)境下壓力為7 kg/cm2、容積約為4000 m3的兩個儲罐內(nèi)。
目標(biāo)
在整個項目初期，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)必須實現(xiàn)對操作的100%監(jiān)控，同時整個運(yùn)營周期都應(yīng)滿足所有國際環(huán)境和安全法規(guī)要求。
3) 必須在一周內(nèi)完成項目實施。
為了實現(xiàn)罐區(qū)接收、存儲和輸送的最佳運(yùn)行和控制，對該項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)營周期和罐區(qū)設(shè)備生命周期達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)（30年）。
整體方案
該罐區(qū)的設(shè)施建設(shè)對于EPC承包商（設(shè)計、采購、施工和工程采購）帶來了巨大挑戰(zhàn)。項目需要設(shè)計一個全面的解決方案，包含罐區(qū)過程控制系統(tǒng)（監(jiān)控庫存和油罐車灌裝）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，還需要提供控制系統(tǒng)的訪問權(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
來自艾默生過程管理的專家團(tuán)隊擁有罐區(qū)的自動化專業(yè)知識和經(jīng)驗，他們與罐區(qū)的操作人員的合作貫穿整個FEED階段（前期工程和設(shè)計階段）。艾默生建議配置DCS系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)）實現(xiàn)罐區(qū)的自動化，然而項目最初階段選擇使用PLC 系統(tǒng)(可編程序邏輯系統(tǒng))。 配置DCS系統(tǒng)的方案最終獲得了負(fù)責(zé)項目審計公司（AEC獨立工程服務(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Anthony E. Chodorowski說：“我們負(fù)責(zé)確定滿足技術(shù)要求的最佳技術(shù)產(chǎn)品，最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)易交接計量點和罐區(qū)安裝了計量撬，同時也完成了現(xiàn)場所有儀表的安裝（球罐的雷達(dá)液位計除外）。
實施與結(jié)果
在罐區(qū)達(dá)到其設(shè)計產(chǎn)能即20,000 bpd后的24小時內(nèi)執(zhí)行部署和調(diào)試，最終實現(xiàn)了計劃產(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，類似罐區(qū)的灌裝過程需要耗費一個半小時，而且測量誤差值高達(dá)50kg。然而阿他托尼科市的罐區(qū)僅用了大約一半的時間就完成灌裝，將誤差值控制在1kg以內(nèi)，10個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，這對于作為墨西哥人口最為密集的該區(qū)域來說大有裨益。
圖4. 泵站
在整個項目的安裝、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。
最終項目成功實施。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40,000 bpd。專家表示項目成功主要得益于該工廠設(shè)計的靈活性以及運(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)靈活性帶來的另一個優(yōu)勢是油罐車的灌裝時間得到了顯著改善。由于集成了Pemex系統(tǒng)（SCADA和SAP），實現(xiàn)了儲罐信息的輕松訪問，提高了操作的透明度。
圖5. 控制圖
另一個重要結(jié)果是工藝使用的貿(mào)易交接計量點（EB-04站）和工廠計量撬將測量精度提高至0.05%。計量撬測量精度通過質(zhì)量流量計實現(xiàn)，最終實現(xiàn)工廠質(zhì)量完美的物料平衡。
存儲區(qū)前后各安裝一臺色譜分析儀，用于接收、存儲和輸送—LPG設(shè)備接收和輸出的質(zhì)量管理。存儲區(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. 存儲區(qū)
據(jù)數(shù)據(jù)和可靠統(tǒng)計顯示，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)），因為該系統(tǒng)被認(rèn)為能夠100%滿足國際規(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。用戶可以通過該系統(tǒng)檢測異常區(qū)域并直接對其采取措施。該系統(tǒng)與現(xiàn)場的火氣檢測器連接，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關(guān)順序，以及備用動力發(fā)電機(jī)點火繼電器的開合。同時也將可視報警（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罐區(qū)設(shè)備。同時系統(tǒng)也集成了壓力變送器和探測器等主要傳感元件，一旦檢測到爆炸性混合物，緊急停車按鈕將變成紅色，從而觸發(fā)系統(tǒng)控制器動作。
罐區(qū)自動化系統(tǒng)的另一個重要功能是它能夠與液壓系統(tǒng)相互作用，液壓系統(tǒng)用于控制自動噴水滅火系統(tǒng)連接的快速關(guān)斷閥門。當(dāng)存儲液體的溫度超過40 °C ，或者存儲液位超過上限，或者儲罐附近區(qū)域出現(xiàn)泄漏時，這些閥門（被稱為“維氏溫度計”）立即動作。
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)的各個關(guān)鍵點安裝監(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730天無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關(guān)鍵點是油罐車的訪問控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)相互協(xié)作。
部署該系統(tǒng)是為了實現(xiàn)罐區(qū)油罐車的進(jìn)入、輸出和分配的自動控制，它與過程控制系統(tǒng)和Pemex 天然氣和石化系統(tǒng) (SAP)集成到一起。后者確定每小時的裝載計劃。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21個Lizan檢測點。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 自動化系統(tǒng)和DeltaV SIS 系統(tǒng)）后，該工廠運(yùn)行已經(jīng)實現(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，它可以確保工廠在最佳性能模式下運(yùn)行，并且滿足季節(jié)性的需求波動。”阿他托尼科市罐區(qū)的經(jīng)理說。罐區(qū)工程師Moses Decto認(rèn)為：“通過單個系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場的全面控制，確保我們能夠監(jiān)控所有的生產(chǎn)波動。”
下一步計劃
基于安裝艾默生系統(tǒng)為接收、存儲和輸送裝置帶來的優(yōu)勢，該項目的決策組正在分析納入新罐區(qū)的可行性。該項目的下一階段目標(biāo)是Tuxpan罐區(qū)，通過新的Tuxpan管線實現(xiàn)其與現(xiàn)有罐區(qū)的連接。通過網(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。（本文首次刊登在Petrotecnia 2013年12月版）
鳴謝
作者特別鳴謝Alfonso Viniegra Casillas對于本篇文章在撰寫和校對過程中所提供的幫助。
關(guān)于作者：
Marcelo Carugoes，艾默生過程管理公司拉丁美洲煉油行業(yè)總監(jiān)
Fernando Mirafuenteses，艾默生過程管理公司墨西哥區(qū)域方案與工程經(jīng)理
