PLC控制系統(tǒng)在天然氣脫水系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡佳琦 駱相丹

(中海油上海分公司西湖作業(yè)公司1，上海 200030;中海油上海分公司平湖項(xiàng)目組2，上海 200030)

0 引言

從油田開(kāi)采得到的天然氣一般都含有飽和量的水蒸氣(簡(jiǎn)稱水氣)。水氣是天然氣中有害無(wú)益的成分。天然氣中存在水氣，減少了輸氣管線對(duì)其他有效成分的輸送能力，降低了天然氣的熱值。當(dāng)輸氣管道壓力和環(huán)境溫度變化時(shí)，可能引起水氣從天然氣氣流中析出，形成液態(tài)水、冰或天然氣的固體水化物，這會(huì)降低輸氣壓力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)堵塞閥門(mén)和管道及換熱器等設(shè)備。在輸送含有酸性組分的天然氣時(shí)，液態(tài)水的存在還會(huì)加速酸性組分對(duì)管壁的腐蝕、縮短管道的使用壽命［1］。因此，天然氣必須進(jìn)行脫水。

目前，天然氣脫水常用的工藝有吸附干燥法、溶劑吸收法和冷凍分離法三種。分子篩脫水工藝具有更高的脫水深度和較強(qiáng)的可再生性，因此采用分子篩作為吸附劑的吸附干燥法得到了廣泛的應(yīng)用［2］。

1 分子篩脫水工藝

分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物。分子篩具有均勻的微孔結(jié)構(gòu)，它的孔穴直徑大小均勻。這些孔穴能把比它直徑小的分子吸附到孔腔的內(nèi)部，對(duì)極性分子和不飽和分子具有優(yōu)先吸附能力，因此，這些孔穴能把極性程度不同、飽和程度不同、分子大小不同和沸點(diǎn)不同的分子分離開(kāi)，即具有“篩分”分子的作用，故稱分子篩［2］。選用分子篩作為干燥劑的脫水工藝稱為分子篩脫水工藝。

分子篩脫水工藝流程如圖1所示。

圖1 分子篩脫水工藝流程圖Fig.1 Technological process of the molecular sieve dehydration

整個(gè)流程分為分子篩吸附脫水、分子篩加熱再生、分子篩床層冷卻和等待再次吸附四個(gè)階段［3］。一般采用兩塔或三塔，按一定的時(shí)序在四個(gè)階段間自動(dòng)切換。系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制、溫度PID調(diào)節(jié)，操作方便、運(yùn)行可靠。

分子篩脫水工藝流程的四個(gè)階段具體介紹如下。

①吸附階段:含水天然氣(即濕氣)從干燥塔頂進(jìn)入，與塔內(nèi)分子篩充分接觸，脫除水氣，從塔底流出，進(jìn)入粉塵過(guò)濾器。濾除粉塵及液滴后，成為合格的干氣。其中一部分干氣作為再生氣進(jìn)入分子篩再生系統(tǒng)，其余干氣進(jìn)入后續(xù)處理設(shè)備。

②再生階段:當(dāng)分子篩干燥塔吸附濕氣達(dá)到24 h時(shí)，干燥塔T2進(jìn)入吸附階段，T1停止吸附，進(jìn)入再生階段。合格干氣進(jìn)入再生氣加熱爐，加熱成為300℃的再生氣;然后從分子篩干燥塔下部進(jìn)入塔內(nèi)，為分子篩床層加熱，脫除已吸附的水分，并夾帶脫除的水分經(jīng)塔頂時(shí)間控制閥離開(kāi)分子篩干燥塔;經(jīng)再生氣冷卻器冷卻至25℃后，進(jìn)入再生氣分離罐，分離掉游離水后回到分子篩入口。

③冷卻階段:當(dāng)分子篩床層被再生氣加熱的時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，床層的脫水工序完成，轉(zhuǎn)入冷卻階段。此時(shí)再生氣加熱爐切換至小火，再生氣溫度降為50℃，對(duì)分子篩床層進(jìn)行冷卻。

④等待階段:當(dāng)冷卻時(shí)間達(dá)到4 h時(shí)，干燥塔底部的再生氣進(jìn)氣閥和頂部，再生氣排氣閥關(guān)閉，分子篩干燥塔的旁通閥打開(kāi)，無(wú)氣體經(jīng)過(guò)分子篩干燥塔。該塔進(jìn)入等待階段。等待2 h后，干燥塔T1接替干燥塔T2開(kāi)始吸附脫水，干燥塔T2開(kāi)始再生。整個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)。

2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)分為下位控制層和上位監(jiān)控層。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the control system

控制層采用 AB SLC5/04 PLC作為控制核心［4］，控制分子篩干燥塔各程控閥的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)吸附、再生、冷卻、等待四個(gè)階段的切換。控制層通過(guò)DH485調(diào)制解調(diào)器與監(jiān)控層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［5］。監(jiān)控層由多臺(tái)工控計(jì)算機(jī)和打印機(jī)組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并打印相關(guān)報(bào)表。其中一臺(tái)為工程師站，可以使用組態(tài)軟件對(duì)上位監(jiān)控畫(huà)面、系統(tǒng)控制參數(shù)等進(jìn)行修改;其余為操作站，負(fù)責(zé)監(jiān)控和報(bào)表打印。

2.2 軟件構(gòu)成

下位控制層采用 RSLogix 500編程軟件［6］，可對(duì)PLC進(jìn)行硬件配置、程序編輯、模擬運(yùn)行、在線調(diào)試和強(qiáng)制輸出等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、閥門(mén)的自動(dòng)控制和保護(hù)。

上位監(jiān)控層采用美國(guó)EMERSON公司的DeltaV DCS系統(tǒng)［7］。其通過(guò)通信組態(tài)、控制組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)和數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，并下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 PLC控制系統(tǒng)功能

根據(jù)工藝流程要求，PLC控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能包括流程順序控制、加熱溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、在線監(jiān)控、故障報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)。

3.1 分子篩脫水流程順序控制

脫水工藝流程需要在吸附、再生、冷卻、等待四個(gè)階段循環(huán)切換。為保證各個(gè)切換閥門(mén)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，本控制程序采用STEP作為切換標(biāo)志，每個(gè)STEP對(duì)應(yīng)相應(yīng)的閥門(mén)動(dòng)作，保證切換準(zhǔn)確可靠。

系統(tǒng)順序控制如下。

① 打開(kāi)T1吸收閥 KV11、KV12，關(guān)閉再生閥 KV13、KV14，T1進(jìn)入吸附階段;

② 關(guān)閉T2吸收閥 KV21、KV22，打開(kāi)再生閥 KV23、KV24，T2進(jìn)入再生階段;

③將再生氣溫度設(shè)為300℃，關(guān)閉旁通閥KV15，T2加熱再生6 h;

④將再生氣溫度設(shè)為50℃，T2冷卻4 h;

⑤ 打開(kāi)旁通閥K15，T2等待2 h;

⑥ 打開(kāi)T2吸收閥 KV21、KV22，關(guān)閉再生閥 KV23、KV24，T2進(jìn)入吸附階段;

⑦ 關(guān)閉T1吸收閥 KV11、KV12，打開(kāi)再生閥 KV13、KV14，T1進(jìn)入再生階段;

⑧將再生氣溫度設(shè)為300℃，關(guān)閉旁通閥KV15，T1加熱再生6 h;

⑨將再生氣溫度設(shè)為50℃，T1冷卻4 h;

⑩ 打開(kāi)旁通閥KV15，T1等待2 h;

? 重復(fù)步驟① ～ ②。

以上順序控制在上位機(jī)上進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)、一鍵停止，并實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程數(shù)據(jù)的變化以及目前正在進(jìn)行的步驟，隨時(shí)掌握流程進(jìn)程。上位機(jī)還組態(tài)了上部復(fù)位和下部復(fù)位兩個(gè)復(fù)位按鈕。通過(guò)點(diǎn)擊這兩個(gè)按鈕，可以使流程直接跳轉(zhuǎn)到步驟①或步驟⑥開(kāi)始執(zhí)行，確保在需要的情況下可以對(duì)流程進(jìn)行調(diào)整。

3.2 再生氣加熱溫度PID調(diào)節(jié)

再生氣溫度是整個(gè)流程中控制的重點(diǎn)。溫度過(guò)低，分子篩床層再生無(wú)法達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，從而影響脫水效果;溫度過(guò)高，不僅浪費(fèi)燃料，而且還可能造成分子篩床層結(jié)焦［8］。為達(dá)到工藝要求，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)程序。

將再生氣加熱爐出口溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出的偏差用于控制加熱爐燃料氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度［9］。當(dāng)溫度偏低時(shí)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，使再生氣溫度升高;反之，當(dāng)溫度偏高時(shí)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小。

3.3 在線監(jiān)控

上位機(jī)用來(lái)顯示整個(gè)分子篩脫水系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備運(yùn)行狀況、過(guò)程變量值和歷史趨勢(shì)圖。操作人員可以通過(guò)顯示器監(jiān)控流程運(yùn)行情況，并能通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)改變流程順序、調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自控系統(tǒng)的干預(yù)。

3.4 故障報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)

當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)故障或工藝參數(shù)超限時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)聲光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)采取措施排除故障，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行［10］。當(dāng)工藝參數(shù)超過(guò)關(guān)斷設(shè)定值時(shí)，整個(gè)分子篩脫水系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)停，保證人員、設(shè)備的安全。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)和上位機(jī)均有緊急關(guān)停按鈕，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可人為關(guān)停整個(gè)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

試運(yùn)行表明，本文設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制分子篩脫水設(shè)備在吸附、再生、冷卻、等待四個(gè)階段之間的自動(dòng)切換，脫水效果達(dá)到工藝要求。目前，該系統(tǒng)已投入正常運(yùn)行。本系統(tǒng)充分發(fā)揮PLC在順序控制方面的優(yōu)勢(shì)，采用“STEP”作為順序控制的標(biāo)志，控制精準(zhǔn)程序可讀性好，對(duì)于其他天然氣脫水項(xiàng)目控制程序的編寫(xiě)具有借鑒作用。

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