自控仪表系统在含硫天然气净化装置应用综述.pdf

置 麦旦 自控仪表系统在含硫天然气净化装置应用综述 陈世剑， 郑民， 高进 ， 罗仁江 西南油气田分公司重庆天然气净化总厂，重庆 4 0 1 2 2 0 口综述 口 摘要重庆天然气净化总厂作为我国天然气净化工业的 “ 摇篮”， 经过4 0 多年的发展壮大 ，现拥有天然气净化装 置l 2 套 ，年处理天然气能力超过I X 1 0 I n 。伴随着自动化技术飞速发展，天然气净化行业仪表经历了现场仪表从 气动仪表到智能仪表，自控仪表系统由单元组合仪表到先进的集散控制系统 、紧急停车系统、火灾气体监测系统的 发展历程。自控技术经过多年的发展趋于先进、稳定 、成熟。本文对含硫天然气净化厂自控仪表系统的特点进行阐 述 ，提出一些宝贵的经验供同行参考。 关键词自控系统；天然气净化；硫磺回收装置 中图分类号T P 2 9 文献标识码B 文章编号D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 0 1 I ns t r u m e n t Co nt r o l S y s t e m Ap p l i c a t i o n i n Na t u r a l g a s Tr e a t i ng Pl a n t C h c n S h ij i a n , Z h c n gMi n , O a o J i n , Lu o Re n j i a n g C h o n g q i n g N a t u r a l g a s P u r i fi c a t i o n P l a n t ， S o u t h w e s t o i l a n d g a s F il e l d C o m p a n y L o n g e v i t y 4 0 1 2 2 0 C h i n a Ab s t r a c t Ch o n g q i h g n a t u r a l g a s p u r i fi c a t i o n p l a n t g e n e r a l h a s d e v e l o p e d f o r m o r e t h a n 4 0 y e a r s ． I t h a s 1 2 s e t s n a t u r a l g a s t r e a t i n g u n i t s ， a n d h a s t h e t r e a t i n g a b i l i t y mo r e t h a n l 0 b i l l i o n s c u b i c m e t e r v e r y y e a r ． I n s t r u me n t c o n t r o l s y s t e m d e v e l o p e d r a p i d l y ， fro m p n e u m a t i c t o i n t e l l i g e n t j n s t r u m e n t ． NO W， c e n t r a l c o nt r o l r o o m i s c o mp o s e d o f Di s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m DCS ， E me r g e n c y s h u t d o wn s y s t e m E S D， F i r e Ga s s y s t e m F G S ． Au t o ma t i o n c o n t r o l b e c o me s p o w e r f u 1 ． T h i s pa p e r pr o vi de s s ome i m por t a nt e x pe rie nc e i n na t ur a l g a s t r ea t i ng pl a nt ． K e y wo r d s a u t o m a t i o n c o n t r o l s y s t e m； n a t u r a l g a s p u r i f i c a t i o n ； s u l f u r r e c o v e r y u n i t 0 引言 天然气净化装置主要是除去原料天然气 中夹带 的化 学药剂 、烃类 、游离水 、固体杂质，并脱除酸性组分 ，如 硫化氢 、二氧化碳，净化后天然气进一步脱水达到管输要 求，将脱除的硫化氢反应生产硫磺进行回收 ，达到环保排 放要求 ，同时配置了一些公用系统如污水处理、蒸汽、新 鲜水和循环水 、空氮 、工厂风仪表风 、燃料气 。天然气净 化工艺技术较为成熟 ，脱除天然气中的酸性组分主要采用 化学溶剂吸收法、物理溶剂吸收法。脱水的工艺主要有三 甘醇脱水、分子筛脱水等。硫磺回收主要有常规克劳斯工 艺、冷床吸附 C B A工艺 、超级克劳斯 S u p e r C l a u s 工 艺、低温克劳斯吸附 MC R C、中国石油硫磺 C P S回 收技术等 。 天然气净化装置 自控仪表系统发展至今 ，现场仪表同 其他化工行业一样 ，实现对压力、温度、液位 、流量参数 的测量与控制，由于天然气净化工艺高温 、高压 、易燃、 易爆、腐蚀性强的特殊性，对现场仪表的要求有所不同” 】 。 中央控制系统采用常规D C S 、E S D、F G S 组合方式实现对 装置的监视控制 、联锁保护、火灾气体检测系统。 复杂设备的控制 、保护基本采用就地P L C控制盘方 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 式，通常配置液晶现场触摸显示屏作为人机界面。重要参 数通过数字通讯方式在控制室集中显示，这类设备有硫磺 回收装置主风机 、硫磺回收主燃烧炉点火控制盘、溶液循 环泵、锅炉燃烧机、公用单元控制站等。 下面分别从现场仪表 、控制系统、重要控制方案 、在 线分析仪介绍含硫天然气净化装置的仪表系统特点。 1现场仪表 根据天然气净化工艺的特殊性现场仪表地选择有一定 的特殊要求。仪表材质要求。由于原料天然气含有较高浓 度的H S 和C O ，有较强的腐蚀性，在与介质接触传感器的 材质方面必须具有抗H S 和c o 的腐蚀；硫磺 回收装置的过 程气温度较高 ，高温下腐蚀性更强 ，并且过程气中的s 0 容 易与过程气中的水生成H ， S O ，具极强的腐蚀性 ，传感器 必须能耐腐蚀 ；在吸收再生系统中，吸收溶剂胺液具有碱 性，就要求传感器具有抗碱腐蚀的能力。 现场仪表的特点如下 1 压力测量类仪表 ，压力测量技术成熟 ，就地测量 选择弹簧管式压力表 ，需要远传选择智能压力 、差压变送 器。被测介质腐蚀性强选择隔膜压力仪表 ，隔膜的材质可 EI C V O I ． 2 1 2 01 4 NO ． 3 1 9 口综述口 以根据被测介质进行有针对性的选择 ，如，测量盐酸选择 哈氏合金C 一 2 7 6 ，测量含硫化氢介质选择3 1 6 L 不锈钢。 2液位检测仪表，差压式液位计原理简单 ，技术成 熟。在天然气净化装置应用比较广泛 ，备件易于管理，使 用维护对仪表维护人员要求不高。因此 ，差压式液位计广 泛用于脱硫 、脱水 、硫磺回收、公用单元的液位测量。缺 点是需要灌装隔离液，在脱硫单元溶液出现发泡时将严重 影响到液位的测量。智能扭力管浮筒液位计性能稳定 、安 装方式多样 ，可以用于重要液位测量场合和差压式液位计 作对比检测 ，如脱硫塔液位 、闪蒸塔液位，但价格略贵 。 3温度测量仪表，测温仪表现场就地指示选择双金属 温度计 ，采用保护套管结构 ，保护管材质结合工艺介质工 况选择 ，必要时保护管外做表面处理以提高抗腐蚀能力。 硫磺回收装置介质温度较高 、腐蚀性强。主燃烧炉炉膛温 度测量选择B、s 分度号高温热电偶 ，保护管材质结构及安 装都直接关系热电偶的使用寿命 。工艺操作也是影响使用 寿命的重要因素。同时炉膛温度采用非接触式测温仪表进 行检测 ，光学高温计多采用进 口产品，价格贵 ，使用方法 得当基本免维护。主燃烧炉外表面采用表面热电偶进行温 度检测。反应器床层温度采用多点 通常情况3 点 不同插 深热电偶测量不同床层温度。 4流量测量仪表，净化装置进装置原料气、出装置 产品气计量通常采用高级孔板阀计量 ，达到计量精度的要 求 ，实现不停产维护检查。其他流量测量可以使用简易孔 板 、孑 L 板法兰 、转子流量计 、涡街流量计 、电磁流量计 、 均速管流量计 、楔形流量计对工艺参数计量。根据不同的 场合选择不同类型流量计 。脱水单元汽提气流量因为量 小 ，内藏孑 L 板式流量计拆装维护方便 比较适合。硫磺回收 单元风机入L I 流量选择进 口均速管流量计比较适合，硫磺 回收主燃烧炉的空气 、酸气流量因为工作压力低 、要求压 损小，文丘里管流量计比较适合，但设计上应考虑节流件 尺寸便于合适的压差测量范围。对于超级克劳斯工艺一 、 二 、三级再热炉的燃料气和空气都要求计量准确。进 口涡 街流量计因测量范围宽 、精度高是不错地选择。 2 控制系统 控制系统更新 、发展主要包括软件和硬件两个方面。 软件伴随着操作系统的更新后升级换代 ，系统硬件性能则 伴随着电子技术 、自控技术、通讯技术发展而 日新月异。 1 9 9 8 年长寿分厂采用美国霍尼韦尔T DC 3 0 0 0 软硬件 系统 ，操作系统为D OS 操作系统。2 0 0 0 年垫江分厂技术 改造采用Wi n d o w s 3 ． 2 中文操作系统 ，和利时HS 2 0 0 0 软硬 件l 。2 0 0i 年引进分厂 、2 0 0 2 年渠县分厂技术改造采用 w i n d o w s N T 4 ． 0 中文操作系统，软硬件则采用北京和利时 MA C A l I 控制系统。这一阶段中央控制室全部为D C S 完成所 有的过程控制、联锁保护 、火灾气体检测功能。 2 0 0 5 年新建忠县分厂控制系统采用霍尼韦尔P K S F S C 控制系统。控制系统分为两部分，P K S 主要用于过程控制， F S C 用于联锁保护，操作系统为Wi n d o w s 2 0 0 0 操作系统。 2 O El C VO 1 ． 2 1 2 0 1 4 No ． 3 赞 麦旦 2 0 0 8 年 引 进分 厂 、垫 江分 厂 、渠县 分 厂升 级改 造 ，紧 急 停车系统 E S D从常规D C S 系统中独立 ；火灾气体检测 F G S从常规D C S 系统中独立。 2 0 0 8 年新建大竹分厂 、2 0 0 9 年新建万州分厂 、2 0 0 9 年川中油气矿新建龙 岗净化厂、2 0 1 0 年长寿分厂D C S 系统 升级均采用霍尼韦尔P K S S M系统 ，操作 系统 为Wi n d o w s X P、Wi n d o w s 2 0 0 3 s e r v e r 。F GS 系统为独立的一套监控系 统。2 0 1 3 年忠县分厂控制系统安全隐患治理 ，也采用霍尼 韦尔P K S S M系统 ，操作系统因Wi n d o w s X P 停产，也采用 Wi n d o w s 7 专业版、Wi n d o w s 2 0 0 8 S e r v e r 版操作系统。 天然气净化处理装置DC S 系统采用国产系统或进 口系 统。国产系统以和利时、浙大中控为主；引进系统主要有 霍尼韦尔、福克斯波罗 、艾默生 、西门子等。国产系统价 格相对较低 、软件功能比较完善 ，组态界面、操作界面为 中文易于掌握 ，但硬件的稳定性离进口系统仍有一定的差 距 ；进口系统软件系统庞大，界面相对复杂 ，除一些描述 性内容可以为中文，基本都是英文，组态的难度相对大一 些 ，一旦工程组态调试完毕使用起来还是很方便的， 进 口 系统价格稍贵。 紧急停车系统基本都为进口产品，主要有霍尼韦尔 、 德国黑马、T R I C O N，采用冗余容错技术，硬件与软件技术 都十分成熟 ，对于以脱硫为主的天然气净化装置紧急停车 系统主要实现 1 过滤分离、脱硫 、脱水单元的联锁保护。即压力超 高放空、脱硫塔 、脱水塔低液位联锁保护 ，确保设备的安 全以及天然气净化脱硫的质量。 2 硫磺回收装置主燃烧炉、灼烧炉的点火程序及硫磺 回收装置的联锁保护。如果采用超级克劳斯回收工艺 ，还 包括各级再热炉、克劳斯反应炉的点火程序及熄火保护。 3 若有斯科特尾气处理装置 ，还包含制氢反应炉的点 火程序及熄火保护 。 由于紧急停车系统只配置工程师站进行控制方案组 态 、调试。控制方案的设计与组态显得非常重要，所以， 要求工程师组态彻底掌握设计方案 ，组态人员要具有丰富 的程序设计经验。 3重要控制方 案 天然气净化装置的控制大部分为简单控制回路。控制 装置的压力 、液位、温度 、流量。脱硫单元再生塔塔顶温 度控制为串级回路，酸气分液罐压力控制为分程控制 。其 他复杂回路主要集中在硫磺回收装置中，如酸水分液罐的 液位控制、主燃烧炉的配风控制、废热锅炉的液位控制及 灼烧炉的配风控制。冷床吸附工艺 C B A反应器切换是 典型的顺控程序，硫磺 回收主风机的控制属于顺控与逻辑 控制相结合的控制方式，下面进行简要介绍 ] 。 3 ． 1配风控制 首先以超级克劳斯回收工艺为例，说明主燃烧炉的配 风控制方案，包含了主要的设备及流程。如图1 所示。 口综述口 4在线分析仪 在线分析仪及时分析气质情况，为净化操作提供技术 指导。天然气净化装置在线分析仪主要有几类 1 原料气在线全分析仪，及时分析原料气组分可以为 操作提供依据 。 2 净化气硫化氢在线分析仪 ，分析净化气硫化氢含 量，便于及时监控净化气是否合格 ，根据气质情况及时调 整操作。 3产品气水露点分析仪，监控脱水后产品气质量，便 于及时根据气质情况调整操作。 4硫磺回收装置过程气硫化氢 、二氧化硫 比值分析 仪，分析数据参与控制，数据及时性 、准确性 、稳定性要 求高，还应便于维护。 5硫磺回收尾气灼烧后烟道气氧含量分析仪，参与尾 气灼烧炉的配风控制。 6尾气二氧化硫分析仪 ，监控外排尾气是否达标排 放，装置异常该参数能直接反映出来。 7氢含量分析仪，含有斯科特尾气处理装置需配置氢 含量分析仪，确保制氢炉的反应效果。 5结束语 经过这些年运行管理 ，总结出天然气净化装置仪表系 统的几点建议 1 智能变送器 的种类不宜过多 ，过多不便 于准备备 品 备件 ，对操作维护都带来不便 。智能仪表的通讯协议最好 能统一，H A R T、F F 协议。 器 麦旦 2 装置测温采用热电偶加补偿导线方式 ，在控制室完 成信号转换功能 如果需要的话 。这样节省成本 ，管理 维护都十分方便。 3控制阀、联锁阀、流量计、液位计法兰连接标准近 可能采取统一标准。 4DC S 、E S D系统尽可能采用统一厂家。不同厂家系 统之间通讯实现起来存在一定困难。新建装置不存在这一 问题 。 5控制方案适用、有效优先，应考虑操作人员的熟悉 掌握。流程画面、控制方案的组态是非常细致的工作 ，应 得到足够地重视。 以上对天然气净化装置的仪表控制系统的特点进行了 阐述 ，并总结了含硫天然气净化装置 自控系统运行管理的 一 些经验 。 参考文献 [ 1 】 傅敬强 天然气净化操作技师培训教材【 M1 北京 石油_丁业出版 社， 2 0 1 2 [ 2 】 和利时系统软件手册f z I ．杭州和利时自动化股份有限公司． [ 3 ] c B A 硫磺回收装置操作手册[ z 】 博莱克 威奇 B l a c kV e a t c h 国际公 司， 2 0 0 7 ． 『 4 i 英格索兰风机随机资料【 z 1 l 英格索兰机械有限公司，2 0 0 8 【 5 ] 威索普特燃烧机随机资料 [ Z] ． 威索普特燃烧设 备有限公 司， 2 0 0 1 ． 收 稿 日期 2 0 1 3 1 2 2 9 作者简介陈世剑 ，男 ，从事天然气净化厂 自动化技术工作 。 上接 第8 9 页 4结束语 ． 本文主要介绍数字化控制系统中的历史库系统中压缩 l l 模块的设计和实现。通过介绍数据压缩对于数字化控制系 统运行的作用和意义 ，以及对当今压缩算法发展的简要介 i 绍 ，引出了可以提高系统性能的压缩算法设计。其中 “ 二 次压缩”的设计理念是当前实时历史数据库产品中比较先 进的技术手段。 j ‘ |_ m⋯ 喜 誉 毒 参考文献 、 ⋯高宁波， 金宏， 王宏安． 历史数据实时压缩方法研究L I 1 汁算机功 图4 “ 斜 率比较 旋 转门 ”算 法流程 图 Fig．4 ’’ S l o p e C o mp a r i s o n r e v o l v i n g d o o r ” a l g o r i t h m flo w c h a r t 上述的 “ 旋转门”压缩算法是 系统第一次对历史数 据的逻辑压缩 ，当经过逻辑压缩后的保留数据累积到一 定的数量 例如1 k时 ，再对其进行第二次物理压缩，采 用的是Hu ff ma n 无损压缩算法 ，其基本原理是，构建一个 Hu f f ma n Z ． 又树用于字符编码，依据待压缩数据二进制子串 现的频率对其进行排列 ，出现频率大的串用较少的位来 表示 ，而较小的串用较多的编码来表示，以此既达到数据 压缩的目的，又完整保留了逻辑压缩后的数据信息 ] 。 2 2 EI C V O I ． 21 2 0 1 4 No ． 3 能与应用 ，2 0 0 4 ， 2 8 1 6 7 - 1 7 1 ． [ 2 ] 高宁波， 金宏， 王宏安历 史数据实时压缩方法研究l 1 1 l 计算机功 能与应用，2 0 0 4 ， 2 8 1 6 7 - 1 7 1 【 3 】 蒋鹏， 黄清波， 王智， 等． 一种新的化工过程历史数据压缩方法研 究U 1 ．浙江大学学报，2 0 0 5 ， 3 9 6 8 1 4 5 1 5 ． [ 4 ] 徐慧， 实时数据库 中数据压缩算法的研究[ D】 杭州 浙江大 学 ， 2 0 0 6 [ 5 ] 曲奕霖 流程工业历史数据的压缩策略与压缩方法研究【 D] ． 杭 州浙 江大学，2 0 0 6 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 8 作者简介马晓宇 1 9 8 1 一 ， 女，硕士研究生，从事核电仪控系 统研发 工作 。