基于PLC 的油氣回收裝置控制系統設計

徐東升 劉明芹 文西芹 王永新 張時良

（1.江蘇海洋大學機械工程學院；2.連云港市拓普科技發展有限公司）

油品中的有機組分（如甲烷、乙烷及異戊烷等）具有較強的揮發性，在儲存、運輸和使用過程中會由于儲運管道密封性能差、外界溫度及壓力差等多重因素的影響而造成油氣揮發［1］。 揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是形成細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的重要前體物，大量排放會對大氣環境和氣候變化造成嚴重影響。 近年來，我國已陸續制定出各種標準及規范來嚴格約束油氣的排放。 根據GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》的要求，大氣污染物排放不得超出限值，如苯含量不大于4mg/m3，甲苯含量不大于5mg/m3，二甲苯含量不大于20mg/m3， 混合芳烴含量不大于80mg/m3，非甲烷類總烴含量不大于120mg/m3［2］。但是實際上，油品裝卸過程中產生的油氣揮發性物質含量遠高于標準要求，為打贏藍天保衛戰，開發高效的油氣回收裝置至關重要。

目前，國內外常用的油氣回收方法主要有催化氧化燃燒法、吸附法、吸收法、冷凝法和膜分離法。 其中，催化氧化燃燒法是將油氣組分轉變成對空氣無害的二氧化碳和水，優點是有害物質去除徹底，缺點是無法回收再利用，導致油氣浪費，損失大。 吸附法的優點是油氣回收率相對較高，投資費用較低，缺點是吸附裝置間歇操作，操作復雜，占地面積大；吸附過程吸附熱升高，影響吸附效果；吸附熱過高存在安全隱患；吸附劑處理困難，產生二次污染。 吸收法主要用于廢氣的前處理工藝和后處理工藝（吸收等離子體破壞后產生的二次污染物），吸收工藝簡單，投資小，適合大流量和高濃度油氣回收， 但對設備的要求較高，需定期更換吸收劑，且回收率較低，設備易腐蝕。 冷凝法主要用于處理高濃度尾氣，適合多種裝車品種，但該方法復雜，裝置能耗高，對制冷材料有特殊要求， 頻繁啟停導致壓縮機極易損壞，技術難度較高，要求掌握極高的制冷技術，且回收率較低。 膜分離法工藝簡單，占地小，但很難處理成分復雜的有機廢氣，且膜成本較高，易損壞［3～5］。 從現有技術看，單一的回收技術很難使尾氣排放達標，為此通常采用兩種或兩種以上組合式油氣回收方法。 近年來冷凝吸附組合式油氣回收方法憑借其占地面積小、回收率高、維護容易、使用壽命長及運行安全等特點被廣泛使用。

某港區液體化工品碼頭裝卸介質為凝析油、甲苯、對二甲苯、甲醇、混合芳烴和乙二醇，由于揮發性油氣種類復雜，故筆者采用冷凝吸附工藝設計了一套油氣回收裝置控制系統。

1 冷凝吸附油氣回收工藝過程

冷凝吸附油氣回收工藝流程如圖1 所示。 揮發油氣經過管道收集至裝置引氣口，當傳感器檢測到引氣口油氣壓力大于某一設定值時開啟引氣風機M1，將油氣引至制冷系統。 制冷系統設置三級冷箱，油氣依次經過預冷裝置、一級冷箱、二級冷箱和三級冷箱，預冷裝置的低溫氣體將引進氣體預冷，可使油氣中的水分冷凝以減少后續各級冷箱的霜堵問題。 經過三級冷箱后，油氣中的大部分碳氫化合物被冷凝至液相，收集到儲存罐中進行油水分離。 石莉等通過仿真與實驗驗證得出，當冷凝溫度在-75℃左右時，單獨使用冷凝工藝的回收率在90%左右［6］。為降低制冷能耗，依據油氣組分的不同沸點（表1），設定各級冷箱溫度依次為：預冷裝置5℃、一級冷箱-25℃、二級冷箱-50℃、三級冷箱-75℃［7］，相應的油氣回收率分別為52%、73%、93%［8］。 其中，一級冷箱設置A、B兩級，通過控制各級閥門的開閉來進行交替制冷與除霜， 以減少在制冷過程中水和苯的結霜問題，同時提高制冷回收率。 三級冷箱處增設復疊壓縮制冷系統，采用不同的制冷劑，在同等工況、同等換熱制冷量的情況下可使系統能耗降到最低，并且能更容易達到設定的深冷溫度［9］。 此外，復疊壓縮機組運行時能夠確保各級壓縮機在正常壓力下運行，從而減少安全隱患，確保設備安全穩定運行。

圖1 冷凝吸附油氣回收工藝流程

表1 油氣組分沸點 ℃

經過冷凝后，近90%的油氣凝結為液態，而未被冷凝的大分子有機氣體被引入吸附系統進行吸附回收［10］。 吸附系統由吸附和解吸兩個部分組成：吸附部分以活性炭作為吸附介質，吸附部分設有兩個吸附罐A、B 交替進行工作， 裝置啟動后通過控制一系列閥門的動作順序， 實現單個吸附罐的工作狀態轉換和兩個吸附罐間的交替切換； 解吸部分主要利用真空泵通過高真空的方式使油氣從活性炭上脫附下來。 當脫附開始工作時，真空泵啟動對吸附罐進行抽真空，在負壓的作用下將油氣從活性炭中吸出， 脫附的油氣經管道回入進氣口，再次參與回收。 殘余的氧氣、 氮氣等無害氣體通過排空管道排入大氣。

2 控制系統設計

冷凝吸附油氣回收工藝流程采用S7-200 Smart 控制器作下位機，PC 作上位機， 兩者間采用RS485 通信。 控制系統拓撲圖如圖2 所示。

圖2 控制系統拓撲圖

2.1 硬件部分

油氣回收裝置包含引氣系統、 制冷系統、吸附系統和回油系統。根據工藝過程和控制任務要求，確定PLC 數字量和模擬量輸入/輸出點數，選擇S7-200 Smart CPU SR 60 作為主控制器，擴展AI 和DR。 具體端子分配如下：

a. 動力源設備包括引氣系統的引氣風機M1，制冷系統的一、二、三級制冷壓縮機、復疊壓縮機和風冷冷凝風扇，吸附系統和回油系統的真空泵、回油泵。 每個設備均需有各自的反饋信號， 共31個數字輸入點。 引氣風機M1 三擋變頻調速，需要3 個數字輸出端子， 制冷機組各控制接觸器需要21 個數字輸出點，共24 個數字輸出點。因此，輸入點地址分配范圍I0.0～I2.1、I9.3～I9.7、I12.0～I12.7，輸出點地址分配范圍Q0.0～Q2.7。

b. 電磁閥等控制器件包括引氣系統的緊急排空氣動蝶閥、電磁閥，制冷系統的一級冷箱（包括主通閥、 進出口電磁閥）， 吸附系統的吸附罐（包括進氣、排氣、再生、吹掃電磁閥），回油系統的回油管道電磁閥。 各閥門需設置開關到位反饋信號檢測，共需28 個數字輸入點。 同時，制冷機組的制冷、化霜、吸氣、熱氟、復疊和泄壓電磁閥需給予動作，共需29 個數字輸出點。 輸入點地址分配范圍I2.4～I4.3、I8.0～I9.3，輸出點地址分配范圍Q8.0～Q9.7、Q12.0～Q13.4。

c. 控制系統總啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、手動輸油按鈕、手動吸附按鈕和手自動模式切換，共需要7 個數字輸入點，故輸入點地址分配范圍I13.0～I13.6。

d. 聲光報警裝置、內置保護供電及油壓差供電等，共需8 個數字輸出點，輸出點地址分配范圍Q13.5～Q13.7、Q16.0～Q16.4。

e. 需采集的模擬量包括引氣壓力， 各級制冷溫度值，吸附罐A、B 的溫度與壓力值，儲油罐液位等，共需13 個模擬值。 地址分配范圍AI0+～AI12+。

2.2 軟件部分

圖3 模式選擇流程

系統設有自動模式和手動模式，模式選擇流程如圖3 所示。 自動運行模式下裝置在程序控制下自動運行，是正常的工作模式。 自動運行較為復雜，編寫程序時分主程序和各子程序，通過主程序調用子程序來實現自動控制［11，12］。 手動操作是在人員干預下手動運行，此時裝置不能自動運行。 另外，報警未排除并未復位、手動模式下按鈕按下后未復位、緊急停車旋鈕未復位時裝置也無法自動運行。

2.2.1 手動模式

如圖4 所示，在手動模式下，可以通過觸摸屏選擇對應的設備按鈕來控制相應的設備與閥門的啟停動作。 值得注意的是，編制手動程序時，需要設置必要的軟件聯鎖， 以避免誤動作致使油氣回收裝置故障。

2.2.2 自動模式

基于PLC 的油氣回收裝置控制系統在自動模式下，依據油氣回收工藝要求編制邏輯程序，主要包括狀態檢測、制冷及冷凝、吸附脫附及其他輔助程序等。 自動運行程序流程和報警程序流程如圖5、6 所示。

圖4 手動操作流程

圖5 自動運行程序流程

圖6 報警程序流程

2.3 監控界面設計

Simatic WinCC 具有腳本編程范圍大、 可視化、穩定性高及開放性好等特點，因此采用該軟件對工業過程進行控制，可以實現從數據采集到數據處理、數據庫構造、報表輸出、曲線顯示、動畫顯示及流程控制等環節的實時監控（圖7），且上/下位機之間通信簡單、穩定，保證系統的安全穩定可靠運行［13～15］。 本項目由Simatic WinCC 組態，由觸摸屏進行本地控制，上位機實現遠程控制。

圖7 油氣回收裝置控制系統界面

3 結束語

基于PLC 的油氣回收裝置控制系統投入運行后， 現場采集油氣進氣口濃度為959.330g/m3，排空口尾氣濃度為11.415g/m3， 油氣回收裝置回收率為98.8%， 滿足尾氣濃度排放標準和回收率標準，成功地實現了油氣回收裝置自動、手動控制下的制冷與冷凝、 吸附與脫附及報警等功能。控制系統的精確運行， 使裝置能耗降低約10%，達到了用戶的要求。