PLC控制系统在天然气脱水系统中的应用

胡佳琦 骆相丹

(中海油上海分公司西湖作业公司1，上海 200030;中海油上海分公司平湖项目组2，上海 200030)

0 引言

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。当输气管道压力和环境温度变化时，可能引起水气从天然气气流中析出，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［1］。因此，天然气必须进行脱水。

目前，天然气脱水常用的工艺有吸附干燥法、溶剂吸收法和冷冻分离法三种。分子筛脱水工艺具有更高的脱水深度和较强的可再生性，因此采用分子筛作为吸附剂的吸附干燥法得到了广泛的应用［2］。

1 分子筛脱水工艺

分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均匀。这些孔穴能把比它直径小的分子吸附到孔腔的内部，对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，因此，这些孔穴能把极性程度不同、饱和程度不同、分子大小不同和沸点不同的分子分离开，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛［2］。选用分子筛作为干燥剂的脱水工艺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 分子筛脱水工艺流程图Fig.1 Technological process of the molecular sieve dehydration

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［3］。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。系统采用PLC实现时序控制、温度PID调节，操作方便、运行可靠。

分子筛脱水工艺流程的四个阶段具体介绍如下。

①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。

②再生阶段:当分子筛干燥塔吸附湿气达到24 h时，干燥塔T2进入吸附阶段，T1停止吸附，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，为分子筛床层加热，脱除已吸附的水分，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。

③冷却阶段:当分子筛床层被再生气加热的时间达到6 h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。

④等待阶段:当冷却时间达到4 h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2 h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。

2 PLC控制系统结构

2.1 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Fig.2 Structure of the control system

控制层采用 AB SLC5/04 PLC作为控制核心［4］，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［5］。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面、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。

2.2 软件构成

下位控制层采用 RSLogix 500编程软件［6］，可对PLC进行硬件配置、程序编辑、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DeltaV DCS系统［7］。其通过通信组态、控制组态、画面组态和数据连接，实现与PLC的通信，并下发控制指令，实现远程控制。

3 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。

3.1 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，保证切换准确可靠。

系统顺序控制如下。

① 打开T1吸收阀 KV11、KV12，关闭再生阀 KV13、KV14，T1进入吸附阶段;

② 关闭T2吸收阀 KV21、KV22，打开再生阀 KV23、KV24，T2进入再生阶段;

③将再生气温度设为300℃，关闭旁通阀KV15，T2加热再生6 h;

④将再生气温度设为50℃，T2冷却4 h;

⑤ 打开旁通阀K15，T2等待2 h;

⑥ 打开T2吸收阀 KV21、KV22，关闭再生阀 KV23、KV24，T2进入吸附阶段;

⑦ 关闭T1吸收阀 KV11、KV12，打开再生阀 KV13、KV14，T1进入再生阶段;

⑧将再生气温度设为300℃，关闭旁通阀KV15，T1加热再生6 h;

⑨将再生气温度设为50℃，T1冷却4 h;

⑩ 打开旁通阀KV15，T1等待2 h;

⑪ 重复步骤① ～ ②。

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①或步骤⑥开始执行，确保在需要的情况下可以对流程进行调整。

3.2 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［8］。为达到工艺要求，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［9］。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。

3.3 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。

3.4 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［10］。当工艺参数超过关断设定值时，整个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。

4 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，该系统已投入正常运行。本系统充分发挥PLC在顺序控制方面的优势，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。

［1］李仕伦.天然气工程［M］.北京:石油工业出版社，2008:356-365.

［2］徐如人，庞文琴.分子筛与多孔材料化学［M］.北京:科学出版社，2004:5-7.

［3］王开岳.天然气净化工艺［M］.北京:石油工业出版社，2005:269-276.

［4］薛迎成.罗克韦尔PLC技术基础及应用［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［5］钱晓龙，李鸿儒.智能电器与Micrologix控制器［M］.北京:机械工业出版社，2003:302-307.

［6］浙江大学罗克韦尔自动化技术中心.可编程序控制系统［M］.杭州:浙江大学出版社，1999.

［7］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.

［8］中华人民共和国工业和信息化部.HG/T2524-20104A分子筛［S］.北京:化学工业出版社，2011:1-8.

［9］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.

［10］阳宪惠，郭海涛.安全仪表系统的功能安全［M］.北京:清华大学出版社，2007:3-4.