西门子SIMATIC PCS 7系统在中石油抚顺石化“千万吨炼油,百万吨乙烯”项目中的应用

2013/4/11 11:08:20

抚顺石化“千万吨炼油、百万吨乙烯”项目作为超大规模的示范工程和迄今为止东北地区最大的炼化一体化工程,采用西门子SIMATIC PCS 7作为全厂DCS系统,并与S7-400FH系统联合使用,构成DCS/SIS的一体化无缝集成解决方案。在西门子全集成解决方案的保驾护航下,抚顺石化完成了预期的生产规模,形成“大炼油—大化工—大园区”的新格局并向“国内领先、世界一流”的大型炼化生产基地稳步迈进。

中国石油抚顺石化公司石油二厂
抚顺石化是一家具有悠久历史与光荣传统的石化企业,标志着中国石油工业发展的“五朵金花”中的“三朵”,即催化裂化、催化重整和延迟焦化在这里绽放着耀眼的光芒。近年来,国家积极推行振兴东北工业基地战略,抚顺石化由此迎来了难得的发展契机。2006 年,中石油决定投资 24 亿欧元在抚顺建立炼油石化厂,由中石油抚顺石化公司运营。作为振兴辽宁老工业基地的“标志性工程”、抚顺市的“希望工程”,“千万吨炼油、百万吨乙烯”项目落户抚顺石化公司石油二厂,在给人们带来美好希望的同时也承载着重要的政治责任、经济责任和社会责任。

项目背景   
该厂将成为中国东北地区最大的炼油石化基地。该厂每年加工原油量将达到 1000 万吨,并且每年生产 100 万吨乙烯供应下游生产聚烯烃。这是一个特大型炼油化工一体化项目,项目集中原油加工、炼油结构调整技术改造工程、100万吨/年乙烯技术改造工程、热电厂“以大代小”扩能改造工程及配套项目、石油一厂新区和化塑厂搬迁工程,是分别立项又相互联系的炼油和化工综合项目。

随着我国石油工业的不断发展,安全生产与节能环保正在受到日益重视。抚顺石化“千万吨炼油、百万吨乙烯”项目生产流程长、工艺复杂,又有大量易燃、易爆危险装置,安全要求极高,对肩负全厂生产重任的控制系统的性能也提出了更高的要求。控制系统和仪表不仅要采用最新的技术、确保安全可靠,而且需要满足石油化工特殊工艺过程的技术要求,除基本的过程控制和检测外,还要建立全厂实时数据库,为厂级计算机信息管理和生产调度建立基础。

       中石油希望提高该厂运营效率及安全水平。全厂将通过单独的控制室进行控制,实现高度自动化,提高人力资源利用效率。采用技术最先进的热交换器从热液和烟气中提取废弃能源,供应全厂。另外工厂安全及排放成为关注重点,并且需要一名行业合作伙伴负责这一大型项目的自动化及安全系统实施。

DCS与SIS的一体化需求

为了确保生产装置的人员和设备安全、保证装置在事故情况下的安全联锁和紧急停车,避免灾难性事故的发生,采用SIS系统对重要装置进行保护。众所周知,DCS和SIS系统在炼油与化工装置的控制中应用非常广泛,以往这两个系统多是由不同产商提供的、彼此相互独立的,需要单独的系统设计和各自的组态软件完成系统开发,维护方式也是不同的。当系统间需要数据交换时,多采用硬接线的方式,由此给用户带来了很多不便与隐患。西门子的SIS系统选用具有冗余容错性的SIMATIC S7-400FH控制器,内置完全冗余设计及自诊断功能,能对内部及外部的故障进行快速而有效的诊断,通过不同的模块冗余(FMR)方式,对现场仪表和执行装置进行单模块、双模块和三重化模块配置,完成IEC61511安全规范规定中的安全仪表功能。这样SIMATIC PCS 7与S7-400FH系统将基本过程控制系统与安全仪表系统完全整合在一起,这样既可以减少投资,又可简化系统设计、开发与维护工作,且能更好地满足国际安全标准规定的等级要求。

而且,S7-400FH的单个CPU就能达到SIL3的安全等级要求;既满足安全功能上的独立需求,又可以在集散控制系统(DCS)的操作界面上显示全部的安全相关工艺和维护诊断数据,便于统一的数据管理。既节省成本,也避免了由于DCS和SIS属于不同的供应商而产生的接口兼容性问题。

此外,简便易用的安全生命周期软件工具-SIMATIC安全矩阵(SAFETY MATRIX)用于系统的工程组态、调试、开车和服务。

系统描述

经过 18 个月的技术验证和激烈的竞争筛选,抚顺石化最终选定西门子为“千万吨炼油、百万吨乙烯”项目自动化系统的主供应商,采用SIMATIC PCS 7作为全厂DCS系统,并与S7-400FH系统联合使用,构成DCS/SIS的一体化无缝集成解决方案。这一联合炼油厂是世界上采用 SIMATIC PCS 7 作为主自动化系统的最大型集成式炼油及乙烯工厂。

在本项目中,遵循西门子全集成自动化(TIA)设计理念,以SIMATIC PCS 7为核心将炼油与乙烯的工艺装置和公用工程、辅助设施等均纳入控制系统,实现对所有生产设备的整体控制与监视归档,并利用 AS 400H、400FH自动化站、ET200M系列I/O(含标准模块与F模块)、PROFIBUS总线以及工业以太网通信技术构建完整的自动化控制体系。

SIMATIC PCS 7集散控制系统是集DCS、SIS、AMS、PLC以及远程IO为一体的新型全集成控制系统,具有分散控制、集中管理、控制装置和现场仪表全数字化、安装方便、成本低和维护管理智能化等特点,它代表了当今控制系统的发展方向。

整个系统的结构可以分为3层。

①控制器层:通过现场总线层实现对现场仪表的监测和输出控制。

②系统网络层:所有现场控制器、服务器、工程师站、操作员单站通过系统网络连接到一起。

③终端网络层:所有服务器、客户机操作员站通过终端网络层连接到一起,客户机操作员站通过服务器获得控制器层的数据并将操作员指令传达到控制器。

为了满足高可用性要求,系统进行了全冗余容错的配置:控制器,I/O模块,系统总线,和服务器的各个层次的冗余;过程控制站的控制卡和控制用的I/O卡必须按1:1冗余配置;包括设备冗余和工作性能冗余;DCS系统的卡件具有带电插拔功能(包括控制器卡、通信卡、各类I/O卡);系统可以在线升级和扩展,支持远程I/O功能;能够在线故障诊断、自动切换;当主控制器故障时可以实现无扰动切换,在冗余控制器同时故障时,系统输出保持在最后的输出值上或预定的故障安全状态值上。基于柔性模件冗余(FMR)技术的安全系统S7-400FH,其多路容错性能允许系统多个故障发生而不会造成装置的误停车。

上位机系统采用客户机/服务器结构,其中客户机用于对现场控制设备的监视和操作,服务器可完成生产过程的数据记录与归档。操作员站、工程师站和自动化系统站与控制系统之间采用西门子SIMATIC NET 冗余光纤环网作为通讯网络,通信速率高达1Gbps,有效保证了海量数据高速传输的需求,在环型网络的某一个节点出现故障时,环形网络会在0.3秒内重建通讯通道。

项目现场大量的智能仪表采用的是Hart协议。西门子的过程设备管理软件PDM对多达几十个主流厂商、上千种Hart设备都能够很方便地整合到PCS7 系统中,对过程仪表的状态进行实时的监测,还提供对现场仪表的过程值检测、设备诊断与维护、基本设置、详细参数设置等等功能。在一个现场仪表的数据连接到PDM的数据库中后,通过PDM就可以对此智能仪表进行诊断、设定等等操作。PDM功能包括设备的回路测试、自检功能和变送器校准等。

系统除了自身拥有强大的通信能力以外,还需具备与各种第三方产品进行通信的能力。如与第三方设备进行RS232/485(MODBUS RTU)通信;与APC先进控制器的通信;为厂级MES系统和ERP提供标准的OPC接口等等。

此外,项目还设计建立了GDS,CAS,OPC,AMS,CCTV和时钟同步系统。

系统配置

1000万吨/年炼油装置包括:抚顺石化公司石油二厂内新建180万吨/年柴油加氢精制装置、200万吨/年蜡油加氢裂化装置、6万Nm3/h制氢、50万吨/年烃重组装置、异地改扩建800万吨/年常减压蒸馏装置(北蒸馏)、240万吨/年延迟焦化、80万吨/年汽、煤油加氢精制装置及8000吨/年硫磺回收等装置,以及配套的原油罐区、原油罐区消防设施、中间原料油罐区、污水处理场、循环水场、空压站、消防泵站及泡沫站、炼油管控中心等公用工程及生产辅助设施。还包括石油一厂新区及化塑厂搬迁部分:搬迁石油一厂新区酮苯脱蜡装置两套、石蜡加氢装置两套、石蜡成型装置一套、润滑油精制装置一套和化塑厂苯乙烯装置一套至石油二厂厂区内。

炼油装置系统配置:

DCS冗余控制器S7-400H:51对;I/O:11500点
SIS冗余控制器S7-400FH:10对;I/O:4000点
      中央控制室(CCR)中配有:

OS服务器4对
中央归档服务器1台
资产管理器2台
OPC服务器1台
Web服务器2台
防病毒服务器1台
DCS操作站61台
SIS操作站5台
工程师站12台
      12个现场控制站(FRR)分别配有:

1台工程师站
1台操作站
1台资产管理站
(图20)

80万吨/年乙烯装置(含汽油加氢),其下游配套建设40万吨/年芳烃抽提装置、16万吨/年丁二烯装置、4万吨/年丁烯-1装置(包括MTBE)、45万吨/年线性低密度聚乙烯、35万吨/年高密度聚乙烯装置、30万吨/年聚丙烯装置、20万吨/年丁苯橡胶装置以及相应的1#循环水场、2#循环水场、生产生活消防水站、压力罐区、常压罐区、空压空分装置、污水处理、中央控制室、中央实验室等公用工程及生产辅助设施。

乙烯装置系统配置:

DCS冗余控制器S7-400H:46对;I/O:29300点
SIS冗余控制器S7-400FH:14对;I/O:8400点
OS冗余服务器:9对
中央归档服务器:4台
OPC服务器:8台
操作站:100台
工程师站:16台
AMS站:16台
(图25;图24;图26)

强强联合走向未来

目前,经过紧张的建设和调试,“抚顺千万吨炼油,百万吨乙烯”项目的全部装置已于2012年9月正式投入生产运行。西门子公司提供的高可靠性并且灵活易用的控制系统已经帮助抚顺石化的炼油装置在产品收率和产品质量方面达到设计值。经过产品技术培训、系统培训、操作员培训之后,现场人员可以熟练掌握系统的日常操作及故障排查。在西门子全集成解决方案的保驾护航下,抚顺石化将达到预期的生产规模,形成“大炼油—大化工—大园区”的新格局并向“国内领先、世界一流”的大型炼化生产基地稳步迈进。

 

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