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.
