廖旭芳，王密

中国石油西南油气田公司，四川成都，610500

0 引言

天然气处理厂的主要功能是对开采出来的天然气进行净化和加工，去除里面的杂质（酸、水、硫等），提高天然气的纯度，避免在使用过程中出现问题，同时，通过进一步的加工处理，可以生产一系列的天然气附加产品，从而提高经济效益。在净化和加工过程中需要经过诸多的工序，需要对生产过程进行实时监控，同时需要实现异常报警响应，因此配备DCS系统以实现精细化、安全化、可控化生产。

1 DCS系统在天然气处理厂的应用

1.1 天然气处理厂工艺组成

阿姆河第二天然气处理厂设计规模为年处理天然气90×108m3/a、生产模凝析油54.16×104t/a。处理厂工艺装置包括集气装置、脱硫脱碳装置、脱水装置、脱烃装置、酸气处理装置、凝析油稳定装置、胺液净化装置、净化气外输出站阀组区和凝析油外输发送装置；生产辅助装置：火炬及放空系统、凝析油罐区、污水处理装置、全厂工艺及热力系统管道、气田水蒸发、焚烧池等；公用工程：给排水系统、消防系统、循环冷却水系统、供配电系统、通信系统、锅炉房、空气氮气站和燃料气系统等[1]。

1.2 DCS系统概述

根据工艺装置分布及功能划分情况，全厂设计了7套DCS控制站。DCS系统采用横河电机公司的CENTUM VP系统。DCS控制系统综合了计算机技术、CRT和过程控制技术、网络技术等，在可操作性、可靠性、发生故障率等方面具有突出优势，是天然气处理系统中非常核心的、具有长远前景的一项控制技术。随着现代技术的飞速发展，天然气处理厂的自动化水平逐步得到提高，对DCS系统的依赖程度也越来越突出。

DCS系统采用容错设计，可以保证当某一台计算机出现故障时不会影响到系统中其他功能的运行。另外，DCS系统中的每台计算机都承担着相对单一的任务，故可以通过配备特定的系统，有针对性地在不同计算机上实现所需功能，这种运行方式间接性地提高了系统的可靠性。DCS系统的控制功能相对开放。系统程序可以对任意任务预先设定优先级和运行周期，在实现复杂调节回路功能的基础上，可以做到开关量的快速控制。DCS的系统配置灵活多变。该系统通过在简单的调用算法库中选择适当的控制程序配合从图形库调用基本图形来实现多种监控和报警画面。DCS系统维护相对简单。由于DCS系统采用分散结构，每台计算机都有特定功能，故对故障的检测与维修相对简单。DCS系统的工作站之间具有相互协调性。工作站之间通过通信网络来实现信息和数据的传送，以达到信息的共享及工作的协调，因此在优化处理方面有一定的优势。

处理厂所采用的横河电机CENTUM VP系统具有以下技术特点：①采用千兆带宽的控制网；②点对点的网络结构；③99.99999%（7个9）的系统可用性；④独有的4CPU 控制技术；⑤灵活的结构；⑥先进的人机交互机制；⑦统一的报警管理；⑧便捷优异的组态功能。

CENTUM VP系统采用非服务器/客户端的结构，因为在典型的服务器/客户端结构中，当服务器停止工作后，所有的HMI客户端也都将停止工作，而PC机服务器的可靠性有时并不是十分高。而此非服务器/客户端的结构的先进性体现为：虽然PC机的可靠性不是十分高，但是它并不影响横河电机DCS过程操作功能的整体可靠性；每台PC机独立运行，互为冗余，规避了由单个设备故障引起整个处理厂一系列的事故。

2 变频控制回路在天然气处理工艺中的应用

2.1 变频控制回路的工艺应用

变频控制（DCS系统对变频器的控制）在天然气处理厂实际的应用主要为工艺介质温度的冷却风机的变频控制和再生气压缩机冷吹气流量的变频控制。天然气处理厂共有四列主体装置，每一列主体装置有5台变频风机和2台再生气压缩机（一备一用），其在工艺中的应用主要为：①脱硫脱碳单元的贫液温度控制。②脱硫脱碳单元的酸气温度控制。③脱水单元的富再生气温度控制。④脱水单元的冷吹气流量的控制。

2.2 变频控制回路的工作原理

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

DCS系统对变频器的控制，主要就是对变频器的调速控制。而变频器的调速实质就是控制IGBT的触发与导通。通过控制IGBT的触发与导通，可以将经整流后的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源，从而达到调速的目的。

3 变频控制回路实际应用中的问题

3.1 DCS系统故障问题

从处理厂投产试运起，自控仪表管理人员检查DCS系统时，陆续发现DCS系统的AO卡件有频繁的掉线现象，如图2的DCS系统状态中红色卡件所示。虽然通过重新热插拔可以暂时恢复AO卡件的使用，但对DCS系统的可靠性是个极大的隐患。

3.2 故障原因分析

为了弄清DCS系统AO卡件掉线原因，我们进行了仔细的分析与实际排查工作。首先进行了掉线AO卡件的完好性检查，发现AO卡件本身并无故障问题，而且并非每次都是该卡件掉线，所以更加排除了卡件本身质量问题。其次对掉线AO卡件上的控制电缆依次进行检查，未发现问题，同时线缆绝缘良好，对地也绝缘良好。最后检查测试是否存在强干扰影响该卡件上的控制回路，最终检查测试也排除了该可能性。我们从DCS系统和仪表本身运行情况出发，并未找到导致AO卡频繁掉线原因，故只有从其他地方查找原因。之后结合工艺操作和DCS系统AO卡掉线记录研究发现，AO卡掉线总是在工艺操作人员停掉现场冷却风机或者再生气压缩机时出现的，并且该冷却风机或者再生气压缩机均为该AO卡件上的变频控制回路对象。至此，我们基本上确定了AO卡掉线是由于变频冷却风机或再生气压缩机停用，变频器断电所致[2]。

为了确定真正原因，我们对冷变频器的控制回路电阻值进行测试，发现变频器正常通电，电阻约为300Ω；断电后，电阻值约为9000Ω，已经远远超出DCS系统模拟量输出通道要求的可负载电阻范围0～750Ω。故当AO卡件检测到负载回路电阻超出其负载范围后，AO卡件将自动掉线以保护其卡件及DCS系统。在变频器恢复通电后，DCS系统的掉线AO卡件需要通过重新热插拔的方式才能恢复正常使用。

DCS系统AO卡件掉线后，冗余的卡件启动运行，系统暂时工作正常。但如果回路负载没有及时恢复正常，长时间运行会对冗余启动的卡件精度和寿命造成影响，甚至损坏卡件，从而导致卡件其他正常回路失控，最终可能造成装置的停车。

为了彻底解决AO卡掉线问题，我们进行了详细分析。冷却风机和再生气压缩机变频控制的变频器均为施耐德的ATV61系列变频器。由于ATV61系列变频器的固有特性：其断开三相输入电源后，内部直流模块及相关保护停止工作，为了防止外部浪涌损坏板件，采用断电后增大模拟输入回路电阻的方式来实现。由于该固有特性的存在，不可能从改变变频器方面解决AO卡掉线问题，同时由于工艺操作的安全性及检维修安全性考虑，也无法使变频器永不断电来保证其正常电阻值从而防止AO卡掉线，故只有从DCS系统方面想办法解决该问题。

4 AO卡掉线整改方案

由于确定了是变频控制的风机和再生气压缩机停用，变频器断电导致DCS系统AO卡掉线的原因后，我们从DCS系统控制回路方面着手整改措施。天然气处理厂为易燃易爆区域，所以与DCS系统相连接的仪表设备均为防爆隔离型的，且满足设计的防护等级。故DCS系统的设计控制回路图为：

由于变频控制回路在变频器断电后，其回路阻抗不满足0～750欧姆的要求，不能直接接入DCS控制系统，故可以在DCS系统与变频器之间的输出回路中通过增加隔离式安全栅的方式解决该问题[3]。

4.1 安全栅介绍

安全栅应用在本安防爆系统的设计中，它是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，是本安系统的重要组成部分。由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。

隔离式安全栅除具有限压与限流的作用之外，还带有电流隔离的功能。隔离式安全栅通常由回路限能单元、电流隔离单元和信号处理单元三部分组成。回路限能单元为安全栅的核心部分。此外，辅助有用于驱动现场仪表的回路供电电路和用于仪表信号采集的检测电路。信号处理单元则根据安全栅的功能要求进行信号处理。由于隔离式安全栅采用了限压、限流、隔离等措施，不仅能防止危险能量从本安端子进入危险现场，提高系统的本安防爆性能，而且还增加了系统的抗干扰能力，大大提高了系统运行的可靠性。

4.2 控制回路整改

本次整改是在控制回路中增加了隔离式安全栅的回路图为：

4.3 KF系列隔离式安全栅特点

本次改造选用PEPPERL+FUCHS的KF系列隔离式安全栅（标准型）型号为KFD2-SCD-EX1.LK。此隔离式安全栅具有以下特点：单通道、可安装在危险区zone2、短路与断路检测、HART信号传递（电气隔离）、电磁兼容性符合NAMUR NE 21、根据IEC61508安全等级可达到SIL2等级[4]。

其功能主要为：将4～20mA电流从安全区传递到危险区。智能数字信号叠加在安全区和危险区的模拟信号上。HART信号允许安全区和危险区双向传输。线路检测，输入特性：正常状态下负载电阻，现场侧带载能力100Ω～700Ω；现场短路，安全侧输入阻抗小于50Ω；线路开路，当I_ON=20mA时，安全侧输入阻抗大于2kΩ。负载电阻大于700Ω时，电流信号无法传输。当线路短路时，输入阻抗大于100kΩ，电流降到1mA以下，红色故障指示灯LED闪烁。正常状态下，输入压降小于4VDC(200Ω/20mA时），交流输入阻抗与输出阻抗相对应。

5 变频控制回路整改后的实际运行情况及评价

为了天然气处理厂的平稳安全运行，我们第一时间购买了隔离式安全栅，以最快的速度完成了DCS系统控制回路整改。从整改后运行至今，DCS系统的变频控制回路所在AO卡件再没出现过掉线情况，实际DCS系统状态完好，如图5：

从DCS系统实际的运行情况看，该变频控制回路保护性改造非常成功，保证了DCS系统的完整、安全、可靠性。由于该变频控制回路与其他的控制对象隶属于同一块DCS输出卡件，一旦该变频器断电，DCS输出回路负载电阻变大，超出负载要求范围，整块DCS输出卡件将失效，如果不能及时发现和恢复，将有可能导致同一块DCS输出卡件的其他控制回路控制失效，甚至导致装置停车。故为天然气连续生产处理产生了巨大的经济效益[5]。

6 结论

通过在DCS系统变频控制回路中增加隔离式安全栅的措施，使系统与外部设备进行了隔离保护，很好地解决由于变频器停用断电后导致DCS系统模拟量输出卡掉线的问题。由于隔离式安全栅采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求，因此可以应用到很多其他类似场合。