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PLC控制系统在天然气脱水系统中的应用.doc

1、PLC 控制系统在天然气脱水系统中的应用摘要:从油田开采得到的天然气一般都含有饱和量的水蒸气(简称水气) 。水气是天然气中有害无益的成分。天然气中存在水气,减少了输气管线对其他有效成分的输送能力,降低了天然气的热值。文章就天然气脱水工艺进行了研究,探讨了利用分子筛进行天然气深度脱水工艺,设计并开发了 PLC 控制系统。 关键词:PLC 控制系统;分子筛脱水;PID 调节 中图分类号: TQ352 文献标识码: A 引言 在油田开采的天然气中含有饱和量的水蒸气,即水气。为天然中的有害成分。输气管线因为含水,降低了对其他有效成分的输送,也使热值降低。当输气管道压力和环境温度变化时,可能引起水气从天

2、然气气流中析出,形成液态水、冰或天然气的固体水化物,这会降低输气压力,严重时还会堵塞阀门和管道及换热器等设备。在输送含有酸性组分的天然气时,液态水的存在还会加速酸性组分对管壁的腐蚀、缩短管道的使用寿命。因此,天然气必须进行脱水。 一 分子筛脱水工艺 分子筛做为一种立方晶格的硅铝酸盐化合物,有大量均匀的几何网状型空穴,微孔结构均匀,只有直径小于孔径的分子才能进入,对不饱和分子和极性分子有优先吸附能力,因此,起到了筛分分子的选择吸附作用,也就是说,分子筛是具有筛离分子的能力,故称为分子筛。脱水工艺上采用分子筛为干燥剂的,即称为分子筛脱水工艺。分子筛脱水工艺流程(如图 1)所示。 图 1 分子筛脱水

3、工艺流程图 整个流程分为分子筛吸附脱水、分子筛加热再生、分子筛床层冷却和等待再次吸附四个阶段。一般采用两塔或三塔,按一定的时序在四个阶段间自动切换。 分子筛脱水工艺流程的四个阶段具体介绍如下: 吸附阶段:含水天然气(即湿气)从干燥塔顶进入,与塔内分子筛充分接触,脱除水气,从塔底流出,进入粉尘过滤器。滤除粉尘及液滴后,成为合格的干气。其中一部分干气作为再生气进入分子筛再生系统,其余干气进入后续处理设备。 再生阶段:当分子筛干燥塔吸附湿气达到 24h 时,干燥塔 T2 进入吸附阶段,T1 停比吸附,进入再生阶段。合格干气进入再生气加热炉,加热成为 300的再生气;然后从分子筛干燥塔下部进入塔内,为

4、分子筛床层加热,脱除己吸附的水分,并夹带脱除的水分经塔顶时间控制阀离开分子筛干燥塔;经再生气冷却器冷却至 25后,进入再生气分离罐,分离掉游离水后回到分子筛入口。 冷却阶段:当分子筛床层被再生气加热的时间达到 6h 时,床层的脱水工序完成,转入冷却阶段。此时再生气加热炉切换至小火,再生气温度降为 50,对分子筛床层进行冷却。 等待阶段:当冷却时间达到 4h 时,干燥塔底部的再生气进气阀和顶部,再生气排气阀关闭,分子筛干燥塔的旁通阀打开,无气体经过分子筛干燥塔。该塔进入等待阶段。等待 2h 后,干燥塔 T1 接替干燥塔 T2 开始吸附脱水,干燥塔 T2 开始再生。整个过程不断循环。 二 PLC

5、控制系统结构 (一)硬件构成 控制系统分为下位控制层和上位监控层。控制系统结构如图 2 所示。图 2 控制系统结构图 控制层采用 AB SLCS/04 PLC 作为控制核心,控制分子筛干燥塔各程控阀的开关,实现吸附、再生、冷却、等待四个阶段的切换。控制层通过 DH485 调制解调器与监控层进行数据传输。监控层由多台工控计算机和打印机组成,用于实现对现场工作状态的实时监控,并打印相关报表。其中一台为工程师站,可以使用组态软件对上位监控画而、系统控制参数等进行修改;其余为操作站,负责监控和报表打印。 (二)软件构成 下位控制层采用 RSLogix500 编程软件,可对 PLC 进行硬件配置、程序编

6、辑、模拟运行、在线调试和强制输出等操作,实现对现场仪表、阀门的自动控制和保护。 上位监控层采用美国 EMERSON 公司的 DeltaVDCS 系统。其通过通信组态、控制组态、画而组态和数据连接,实现与 PLC 的通信,并下发控制指令,实现远程控制。 三 PLC 控制系统功能 根据工艺流程要求,PLC 控制系统需实现的功能包括流程顺序控制、加热温度自动调节、在线监控、故障报警和联锁保护。 (一)分子筛脱水流程顺序控制 脱水工艺流程需要在吸附、再生、冷却、等待四个阶段循环切换。为保证各个切换阀门动作的准确性,本控制程序采用 STEP 作为切换标志,每个 STEP 对应相应的阀门动作,保证切换准确

7、可靠。 系统顺序控制如下: 打开 T1 吸收阀 KV11、KV12,关闭再生阀 KV13、KV14 ,T1 进入吸附阶段; 关闭 T2 吸收阀 KV21、KV22,打开再生阀 KV23、KV24 ,T2 进入再生阶段; 将再生气温度设为 300,关闭旁通阀 KV15,T2 加热再生 6h; 将再生气温度设为 50,T2 冷却 4h; 打开旁通阀 K15,T2 等待 2h; 打开 T2 吸收阀 KV21,KV22,关闭再生阀 KV23,KV24,T2 进入吸附阶段; 关闭 T1 吸收阀 KV11, KV12,打开再生阀 KV13,KV14,T1 进入再生阶段; 将再生气温度设为 300,关闭旁通

8、阀 KV15,T1 加热再生 6h; 将再生气温度设为 50,T1 冷却 4h; 打开旁通阀 KV15,T1 等待 2h; 重复步骤-。 以上顺序控制在上位机上进行操作,实现一键启动、一键停止,并实时监控过程数据的变化以及目前正在进行的步骤,随时掌握流程进程。上位机还组态了上部复位和下部复位两个复位按钮。通过点击这两个按钮,可以使流程直接跳转到步骤或步骤开始执行,确保在需要的情况下可以对流程进行调整。 (二)再生气加热温度 PID 调节 再生气温度是整个流程中控制的重点。温度过低,分子筛床层再生无法达不到预期目标,从而影响脱水效果;温度过高,不仅浪费燃料,而且还可能造成分子筛床层结焦。为达到工

9、艺要求,PLC 控制系统设计了温度自动调节程序。 将再生气加热炉出口温度与设定值进行比较,输出的偏差用于控制加热炉燃料气调节阀开度。当温度偏低时,调节阀开度增大,使再生气温度升高;反之,当温度偏高时,调节阀开度减小。 (三)在线监控 上位机用来显示整个分子筛脱水系统的工艺流程、设备运行状况、过程变量值和历史趋势图。操作人员可以通过显示器监控流程运行情况,并能通过鼠标、键盘改变流程顺序、调整工艺参数,实现对自控系统的干预。 (四)故障报警及联锁保护 当生产过程中出现故障或工艺参数超限时,控制系统会出现声光报警,提醒操作人员及时采取措施排除故障,保证系统的正常运行。当工艺参数超过关断设定值时,整个

10、分子筛脱水系统自动关停,保证人员、设备的安全。同时,现场控制盘和上位机均有紧急关停按钮,在出现紧急情况时,可人为关停整个系统。 四 结束语 试运行表明,本文设计的 PLC 控制系统能够准确控制分子筛脱水设备在吸附、再生、冷却、等待四个阶段之间的自动切换,脱水效果达到工艺要求。目前,该系统己投入正常运行。本系统充分发挥 PLC 在顺序控制方而的优势,采用“STEP”作为顺序控制的标志,控制精准程序可读性好,对于其他天然气脱水项目控制程序的编写具有借鉴作用。 参考文献 1李仕伦.天然气工程M.北京:石油工业出版社,2008:356-365. 2石油化工仪表自动化培训教材编写组.集散控制系统及现场总线M.北京:中国石化出版社,2010:250-322. 3邵裕森,戴先中.过程控制工程M.2 版.北京:机械工业出版社,2011:98-112 4中华人民共和国工业和信息化部.HG/T2524-2010 4A 分子筛S北京:化学工业出版社,2011:1-8.

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