PLC 控制系統在天然氣脫水系統中的應用

摘 要：文章介紹了利用分子篩進行天然氣深度脫水工藝，設計并開發了PLC控制系統。對PLC控制系統工藝、原理及流程的確定和可行性進行了闡述，并提出了操作中需注意的問題和建議。該項目經投產運行，證實了該控制系統具有的可操作性，對順控執行及連鎖保護都達到了預期水平。

關鍵詞：分子篩脫水；循環換熱；PID調節

引言

在油田開采的天然氣中含有飽和量的水蒸氣，即水氣。為天然中的有害成分。輸氣管線因為含水，降低了對其他有效成分的輸送，也使熱值降低。而輸氣管道的壓力溫度的變化，會引起水氣析出，產生冰或固體水化物及液態水，使輸氣壓力降低，造成管道和換熱器及閥門等設備堵塞。如果液態水含有酸性組分，在輸送能過程中，將加速管壁的腐蝕[1]。由此證明，天然氣脫水是必然的。分子篩脫水工藝相比常用的溶劑吸收、冷凍分離和吸附干燥三種方法，其脫水深度和可再生性都更高，并因此被廣泛應用[2]。

1 分子篩脫水工藝

1.1 分子篩脫水工藝的定義

分子篩做為一種立方晶格的硅鋁酸鹽化合物，有大量均勻的幾何網狀型空穴，微孔結構均勻，只有直徑小于孔徑的分子才能進入，對不飽和分子和極性分子有優先吸附能力，因此，起到了篩分分子的選擇吸附作用，也就是說，分子篩是具有篩離分子的能力，故稱為分子篩[2]。脫水工藝上采用分子篩為干燥劑的，即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

1.2 分子篩脫水工藝的流程

分子篩脫水流程的四個階段分為吸附脫水、加熱再生、床層冷吹、等待再次吸附[3]。以采用兩塔和三塔的居多，本文介紹的為兩塔流程，以時序自動切換。在時序控制和溫度PID調解上，采用PLC控制系統進行循環換熱節能脫水工藝，在節能推廣上具有更高的可操作性。

1.2.1 吸附階段

濕氣由干燥塔頂進入，塔內分子篩充發揮作用，水氣脫除后，由塔底流入粉塵過濾器濾除粉塵和液滴，成為干氣。部分干氣作為再生氣重新進入分子篩再生系統，余下干氣則進入后續處理的設備中。

1.2.2 再生階段

分子篩干燥塔開始工作時，吸附濕氣達24h時，塔A停止吸附，進入再生階段，塔B進入吸附階段；再生氣加熱爐將合格干氣加熱至300℃的再生氣，進入塔內，加熱分子篩床層將吸附的水分脫除，將已脫除的水分經時間控制閥分離出干燥塔；由再生氣冷卻器冷吹，至25℃后進入分離罐，分離掉游離水，再次回到分子篩入口處。

1.2.3 冷吹階段

再生氣加熱將當分子篩床層加熱到6h時，脫水工序完成，轉入冷吹階段。將再生氣加熱爐調火降溫至50℃，開始冷吹分子篩床層。

1.2.4 等待階段

冷吹時間至4h時，開始關閉干燥塔底部的再生氣進氣閥和頂部的排氣閥，旁通閥打開，此時分子篩干燥塔無氣體通過，轉入等待階段。2h后，塔B換為塔A，開始吸附脫水，塔B進入再生。此過程循環不斷。

2 PLC控制系統的構成

圖2 PLC控制系統結構圖表

2.1 硬件

PLC控制系統由下位控制層及上位監控層組成（如圖2）。以ABSLC5/04PLC作為控制層控制核心，來控制干燥塔的控閥開關，實現分子篩脫水工藝流程中四個階段的切換。控制層與監控層的數據傳輸，是以DH485調制解調器來完成[4]。監控層的打印機和工控計算機，負責現場的實時監控及報表打印。工程師站的作用是以組態軟件對監控畫面、參數等進行修改，其余操作站負責監控及報表打印。

2.2 軟件

下位控制層使用RSLogix500編程軟件，可直接操控PLC控制系統的硬件、程序、運行、調試及強制輸出，對閥門、儀表起到自動控制及保護的作用。上位監控層使用美國EMERSON公司DeltaVDCS系統。并利用通信、控制、畫面四種組態和數據連接，同PLC保持通信，下發指令完成遠程控制。

3 PLC控制系統的功能

根據工藝流程要求，PLC控制系統需實現的功能包括流程順序控制、加熱溫度自動調節、在線監控、故障報警和聯鎖保護。

3.1 分子篩脫水裝置工藝流程

脫水工藝流程需要在吸附、再生、冷吹、等待四個階段循環切換。為保證各個切換閥門動作的準確性，本控制程序采用STEP作為切換標志，每個STEP對應相應的閥門動作，保證切換準確可靠。系統順序控制如下。

3.1.1 塔A進入吸附階段：打開KV11和KV12兩個吸收閥，關閉KV13及KV14兩個再生閥，原料氣流經吸附塔進行吸附脫水。

3.1.2 塔B進入再生階段：關閉KV21、KV22兩個吸收閥，再生閥KV23、KV24打開。

3.1.3 再生氣溫度達到設置溫度300℃時，旁通閥KV15關閉，塔B加熱再生6h。

3.1.4 將再生氣溫度設為50℃，塔B冷吹4h。

3.1.5 將旁通閥K15打開，塔B等待2h。

3.1.6 塔B進入吸附階段：打開塔B的KV21、KV22吸收閥，關KV23、KV24再生閥。

3.1.7 塔1進入再生階段：將塔A的KV11、KV12關閉，KV13、KV14打開。

3.1.8 設再生氣溫度至300℃，將KV15關閉，塔A加熱再生6h；

3.1.9 將再生氣溫度設為50℃，塔A冷吹4h。

3.1.10 將旁通閥KV15打開，塔A等待2h，返回步驟3.1.1～3.1.2依次進行重復操作。

在上位機上對以上流程進行操作，對過程數據的變化和進行中的步驟實時監控，隨時掌握流程進程。上位機的復位鍵，隨時調整流程步驟按鈕，可使流程直接跳轉步驟進行操作，確保對流程的靈活調整。

3.2 再生氣溫度中的PID調節

PLC控制系統設計了自動調節的溫度程序。將再生氣加熱爐出口溫度與設定值進行比較，以輸出偏差控制加熱爐燃料氣調節閥的開度。溫度低則增大調節閥開度，升高再生氣；溫度過高則減小調節閥開度。

3.3 在線監控系統

分子篩脫水系統中，其工藝流程、設備運行狀況、過程變量值及歷史趨勢圖，都由上位機來顯示。操作員通過顯示器，可以對整個流程運行進行監控，對自控系統發出干預指令，隨時根據需要調整流程順序及工藝參數。

3.4 故障報警和聯鎖保護系統

生產過程中發生故障或工藝參數超限，控制系統中的聲光報警啟動，提示操作員及時排除故障，確保系統正常運行[5]。當工藝參數超過關斷設定值時，分子篩脫水系統立即自動關閉。上位機及現場控制盤都設有緊急關停鍵，可在緊急情況下人為關停整個系統，以保證人員及設備的安全。

4 結束語

經試運行證實，PLC控制系統可準確控制分子篩脫水設備，實現工藝生產過程中對不同程序間的自動切換，天然氣脫水效果已達工藝要求，該系統目前已正式運行。可見，只要加強運行管理，嚴格操作規程，便可達到對天然氣露點控制預期的要求，也證實了本系統對制定天然氣脫水項目控制程序具有借鑒作用。

參考文獻

[1]李仕倫.天然氣工程[M].北京：石油工業出版，2008：356-365.

[2]徐如人，龐文琴.分子篩與多孔材料化學[M].北京：科學出版社，004：5-7.

[3]王開岳.天然氣凈化工藝[M].北京：石油工業出版社，2005：269-276.

[4]錢曉龍，李鴻儒.智能電器與Micrologix控制器[M].北京：機械工業出版社，2003：302-307.

[5]陽憲惠，郭海濤.安全儀表系統的功能安全[M].北京：清華大學出版社，2007：3-4.

作者簡介：劉軍（1982-），男，寧夏銀川市人，工作單位：寧夏安全生產技術支撐體系專業中心，主要從事關于安全生產技術專業領域的檢測檢驗。