內(nèi)浮頂罐油氣回收系統(tǒng)控制方案設計

贠瑩

(中石化(大連)石油化工研究院有限公司,遼寧 大連 116045)

石化行業(yè)中內(nèi)浮頂罐的呼吸揮發(fā)會產(chǎn)生大量的揮發(fā)性有機物(VOCs),VOCs不但是大氣污染的主要來源之一,還會危害人類健康[1-3]。因此,目前對石化行業(yè)內(nèi)浮頂罐VOCs的回收受到越來越多的重視。

1 內(nèi)置氣袋廢氣減排技術及流程簡介

某石化企業(yè)采用中石化(大連)石油化工研究院有限公司開發(fā)的“內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋廢氣減排”成套技術,對內(nèi)浮頂罐產(chǎn)生的廢氣統(tǒng)一收集,收集的廢氣接入罐區(qū)現(xiàn)有VOCs治理裝置處理后達標排放,VOCs治理裝置采用的是該公司研發(fā)的“低溫柴油吸收-堿液脫硫-脫硫及總烴濃度均化-催化氧化”工藝[4]。該內(nèi)浮頂罐油氣回收系統(tǒng)流程如圖1所示,內(nèi)浮頂罐儲存粗焦化汽油,最大收油量為20 t/h,最大出料量為25 t/h,儲存介質(zhì)的儲存溫度不大于40 ℃。該罐運行時的排氣量為50～100 m3/h[5]。該罐設置的氣袋為圓柱形,氣袋的頂部設有泄壓人孔,用于袋內(nèi)的氣體排放,其他地方均密閉。氣袋將內(nèi)浮頂罐內(nèi)分為油氣空間和氮氣空間,油氣空間為罐內(nèi)壁與袋外壁構(gòu)成的密閉空間,如圖1中A區(qū),袋內(nèi)為氮氣空間,如圖1中B區(qū)。袋內(nèi)含有低濃度VOCs的氮氣排放至現(xiàn)有催化氧化單元處理(脫硫及總烴濃度均化),袋外含有高濃度VOCs的氣體排放至現(xiàn)有低溫柴油吸收單元處理。

圖1 內(nèi)浮頂罐油氣回收系統(tǒng)流程示意

由圖1可知,內(nèi)浮頂罐罐頂兩側(cè)設置呼吸閥和泄壓閥[6];管道R01設置開關閥KV-101(FC)及流量計FT-101,控制A區(qū)高濃度油氣進入現(xiàn)有低溫柴油吸收單元;管道R02設置開關閥KV-102(FC)及流量計FT-102,控制B區(qū)低濃度廢氣進入現(xiàn)有催化氧化單元;管道R03設置開關閥KV-103(FC)及流量計FT-103,控制氮氣進入A區(qū)的氣量;管道R04設置開關閥KV-104(FC)及流量計FT-103,控制氮氣進入B區(qū)的氣量;罐頂設置壓力檢測點PT-101,通過實時監(jiān)測罐頂壓力來控制氮氣進入罐內(nèi)A區(qū)或B區(qū)的氣量,以及從A區(qū)或B區(qū)排出的廢氣量,以實現(xiàn)內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋自動補排程序的控制;罐頂設置可燃氣體濃度檢測器,以實時監(jiān)測罐內(nèi)可燃氣體濃度;罐內(nèi)設置液位檢測儀表LT-101,實時監(jiān)測罐內(nèi)汽油液位。

2 內(nèi)置氣袋自動補排控制方案設計

內(nèi)浮頂罐油氣回收系統(tǒng)通過PLC對采集的工藝參數(shù)處理后在屏幕上顯示,操作員能夠直觀地查看現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)曲線以及報警信息等內(nèi)容[7-8]。

內(nèi)置氣袋自動補排控制方案的軟件部分基于S7-300PLC進行設計,該程序包括前期判定條件和自動補排控制程序兩部分,以實現(xiàn)內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋自動補排控制。

前期的判定條件： 自動控制程序是否已投用,是否存在聯(lián)鎖及報警,氮氣總管線壓力是否已達標,是否存在急停動作;必須同時滿足以上4個條件時,程序方可繼續(xù)運行。假如氮氣總管壓力不達標,則需要停止自動補排程序;假如產(chǎn)生急停動作,則需立即停止自動補排程序,畫面提示“裝置急停,不允許運行”。

自動補排控制程序是根據(jù)罐內(nèi)氣相空間壓力及進料泵的開關狀態(tài),來判斷當前工藝所處的控制過程,并會自動跳轉(zhuǎn)到所對應的程序,實現(xiàn)內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋長周期自動補排控制。控制過程包括大呼吸排氣過程、小呼吸排氣過程、大呼吸吸氣過程和小呼吸吸氣過程。下面詳細介紹各過程的控制方案。

2.1 大呼吸排氣過程控制方案

儲罐收料時,罐內(nèi)氣相空間會減少,當氣相空間縮小至氣袋兩側(cè)的壓力為700 Pa時,B區(qū)的氣體通過單呼吸閥排氣至罐外;儲罐繼續(xù)收料到B區(qū)幾乎無氣相空間,此時的液位為儲罐運行的臨界液位。當達到臨界液位時繼續(xù)收料,此時罐內(nèi)氣相空間繼續(xù)減少,罐內(nèi)壓力將增加,當增加到800 Pa時,罐內(nèi)A區(qū)將通過排放油氣管開始排放油氣,油氣排放至低溫柴油處被吸收處理。當罐內(nèi)收料液位高于臨界液位、且不大于最高存儲液位時,停止收料后,需要通過氮氣線向氣袋內(nèi)B區(qū)補充氮氣,補充氮氣量為罐最小氣相體積V0的0.33～0.50倍,向氣袋內(nèi)補充氮氣的目的是保證儲罐在無收付料情況下,可以通過氣袋內(nèi)的氣體完成儲罐小呼吸過程,并且在小呼吸過程中不存在A區(qū)排放油氣的現(xiàn)象。在儲罐收料時,液位超過臨界液位開始,罐內(nèi)A區(qū)排放氣至低溫柴油吸收的氣體總量為VA排。

根據(jù)工藝要求,程序檢測到罐內(nèi)B區(qū)氣相壓力p0>700 Pa,且持續(xù)5 s時,開啟進料泵,此時認定內(nèi)浮頂罐處于大呼吸排氣過程。程序執(zhí)行的動作： 打開B區(qū)排氣閥KV-102,向下游裝置發(fā)出開機信號;繼續(xù)監(jiān)測罐內(nèi)p0以觀察B區(qū)排氣狀態(tài)。當罐內(nèi)p0<800 Pa,且持續(xù)5 s,此時處于B區(qū)排氣自然降壓階段;當p0≥800 Pa且持續(xù)5 s時,此時處于B區(qū)排無可排、壓力繼續(xù)上升階段。在該階段,程序根據(jù)罐內(nèi)液位L101的高低和臨界液位L1判斷是否需要補氮。當L101L1且持續(xù)10 s時,需要補氮,執(zhí)行動作： A區(qū)排除氣計量儀表計量值VA排清零,開始重新累計;打開A區(qū)排氣閥KV-101。A區(qū)由于排氣,壓力會降低,當p0<600 Pa,且持續(xù)5 s時,A區(qū)排氣完畢;A區(qū)排氣后,B區(qū)需要補氮。執(zhí)行動作： 關閉A區(qū)KV-101閥;B區(qū)補氮計量儀表計量值VB補清零,開始重新累計;打開B區(qū)補氮閥KV-104。

上述B區(qū)排氣自然降壓階段、B區(qū)壓力上升階段、A區(qū)排氣階段、B區(qū)補氮階段,程序都會自動檢測急停動作是否產(chǎn)生,若急停,則切除程序,返回程序起始處;程序也會檢測氣袋自動補排程序是否運行,若沒有運行,則切除程序,返回程序起始處。當VB補>KV0后,關閉B區(qū)KV-104閥。K值可設,一般補充氮氣量為罐最小氣相體積V0的0.33～0.50倍。

2.2 大呼吸吸氣過程控制方案

當p0<300 Pa,且持續(xù)5 s時,開啟出料泵,此時內(nèi)浮頂罐處于大呼吸吸氣過程。當程序檢測到L101≥L1且持續(xù)10 s,此時B區(qū)處于補氮自然升壓階段,打開B區(qū)KV-104閥,持續(xù)檢測p0的大小,當p0≥600 Pa且持續(xù)5 s時,補氮完畢,關閉B區(qū)KV-104閥。當L101>L1,且罐內(nèi)壓力低至300 Pa時,向B空間補氮氣,補氮過程中當罐內(nèi)壓力達到600 Pa時停止補氮。當L1010時),當向罐內(nèi)A區(qū)補充氮氣量達到VA排時,停止向A區(qū)補氮氣,切換為向B區(qū)補氮氣,當壓力達到600 Pa時停止補氮。

A區(qū)、B區(qū)在補氮過程中,程序會自動檢測急停動作是否產(chǎn)生,若急停,則切除程序,返回程序起始處;程序也會檢測氣袋自動補排程序是否運行,若沒有運行,則切除程序,返回程序起始處。

2.3 小呼吸排氣過程控制方案

當p0≥700 Pa,且持續(xù)5 s,關閉進料泵,此時內(nèi)浮頂罐處于小呼吸排氣過程。B區(qū)的氣體通過單呼閥排氣至罐外,程序執(zhí)行動作： 打開B區(qū)KV-102閥,向下游裝置發(fā)出開機信號;當程序檢測到p0<500 Pa,且持續(xù)5 s時,排氣完畢,關閉B區(qū)KV-102閥。

小呼吸排氣過程,急停和氣袋自動補排過程控制同2.1節(jié)。

2.4 小呼吸吸氣過程控制方案

當p0<300 Pa,且持續(xù)5 s時,關閉出料泵時,此時內(nèi)浮頂罐處于小呼吸吸氣過程。此時開始向罐內(nèi)B空間補氮,打開B區(qū)KV-104閥,B區(qū)吸氣過程中,壓力會上升,當p0≥600 Pa,且持續(xù)5 s時,補氮完畢,關閉KV-104閥。

這里需要說明一點,當罐頂壓力達到呼吸閥操作壓力最大值時,A空間呼吸閥開啟排氣;當罐頂壓力達到泄壓人孔的泄放壓力時,A/B空間的泄壓人孔泄放排氣。

小呼吸吸氣過程,急停和氣袋自動補排過程控制同2.2節(jié)。

3 安全方案設計

對內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋廢氣減排裝置的安全方案設計如下：

1)采用PLC實時監(jiān)控內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋廢氣減排過程,在必要的地方設置聯(lián)鎖控制系統(tǒng),以保證安全生產(chǎn)。PLC、通信總線、電源單元等采用冗余配置。

2)監(jiān)測內(nèi)浮頂罐罐頂壓力,設置相應開關閥對其進行調(diào)節(jié),防止因內(nèi)浮頂罐壓力過高或過低而造成生產(chǎn)事故。

3)裝置儀表不間斷電源采用交流供電方式,推薦規(guī)格為220 V(AC),20 kVA,以確保DCS的供電安全,不間斷時間為30 min。

4)爆炸危險場所的儀表采用本安防爆型,無本安防爆型的儀表采用隔爆型。

5)設置可燃氣體檢測報警器,輸出4～20 mA信號直接送至PLC進行顯示報警[9]。

6)儀表防雷設計[10]做好儀表接地和防雷保護措施,安裝就地式電涌保護器或PLC端電涌保護器以減少雷電現(xiàn)象帶來的設備損害。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了某石化企業(yè)“內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋廢氣減排”自動補排控制方案,所設計的控制方案實現(xiàn)了對“內(nèi)浮頂罐內(nèi)置氣袋廢氣減排”成套裝置的自動控制,能夠盡量減少人工操作頻率、降低運行成本保障裝置安全穩(wěn)定運行的同時,使廢氣達標排放。裝置自投用至今已穩(wěn)定運行6個月,凈化后的尾氣排放滿足環(huán)保要求。