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摘要：重慶天然氣凈化總廠作為我國天然氣凈化工業(yè)的“搖籃”，經(jīng)過40多年的發(fā)展壯大，現(xiàn)擁有天然氣凈化裝置12套，年處理天然氣能力超過1?010如。件隨著自動化技術(shù)飛速發(fā)展，天然氣凈化行業(yè)儀表經(jīng)歷了現(xiàn)場儀表從氣動儀表到智能儀表，自控儀表系統(tǒng)由單元組合儀表到先進的集散控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、火災(zāi)氣體監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷程。自控技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展趨于先進、穩(wěn)定、成熟。本文對含硫天然氣凈化廠自控儀表系統(tǒng)的特點進行闡述，提出一些寶貴的經(jīng)驗供同行參考。
關(guān)鍵詞：自控系統(tǒng)，天然氣凈化；硫磺回收裝置
0引言
天然氣凈化裝置主要是除去原料天然氣中夾帶的化學(xué)藥劑、烴類、游離水、固體雜質(zhì)，并脫除酸性組分，如硫化氫、二氧化碳，凈化后天然氣進一步脫水達到管輸要求，將脫除的硫化氫反應(yīng)生產(chǎn)硫磺進行回收，達到環(huán)保排放要求，同時配置了一些公用系統(tǒng)如污水處理、蒸汽、新鮮水和循環(huán)水、空氮、工廠風(fēng)儀表風(fēng)、燃料氣。天然氣凈化工藝技術(shù)較為成熟，脫除天然氣中的酸性組分主要采用化學(xué)溶劑吸收法、物理溶劑吸收法。脫水的工藝主要有三甘醇脫水、分子篩脫水等。硫磺回收主要有常規(guī)克勞斯工藝、冷床吸附（CBA）工藝、超級克勞斯（Super Claus）工藝、低溫克勞斯吸附（MCRC）、中國石油硫磺（CPS）回收技術(shù)等。
天然氣凈化裝置自控儀表系統(tǒng)發(fā)展至今，現(xiàn)場儀表同其他化工行業(yè)一樣，實現(xiàn)對壓力、溫度、液位、流量參數(shù)的測量與控制，由于天然氣凈化工藝高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕性強的特殊性，對現(xiàn)場儀表的要求有所不同。中央控制系統(tǒng)采用常規(guī)DCS、ESD、F&GS組合方式實現(xiàn)對裝置的監(jiān)視控制、聯(lián)鎖保護、火災(zāi)氣體檢測系統(tǒng)。
復(fù)雜設(shè)備的控制、保護基本采用就地PLC控制盤方式，通常配置液晶現(xiàn)場觸摸顯示屏作為人機界面。重要參數(shù)通過數(shù)字通訊方式在控制室集中顯示，這類設(shè)備有硫磺回收裝置主風(fēng)機、硫磺回收主燃燒爐點火控制盤、溶液循環(huán)泵、鍋爐燃燒機、公用單元控制站等。
下面分別從現(xiàn)場儀表、控制系統(tǒng)、重要控制方案、在線分析儀介紹含硫天然氣凈化裝置的儀表系統(tǒng)特點。
1現(xiàn)場儀表
根據(jù)天然氣凈化工藝的特殊性現(xiàn)場儀表地選擇有一定的特殊要求。儀表材質(zhì)要求。由于原料天然氣含有較高濃度的H2S和CO2，有較強的腐蝕性，在與介質(zhì)接觸傳感器的材質(zhì)方面必須具有抗H2S和CO2的腐蝕：硫磺回收裝置的過程氣溫度較高，高溫下腐蝕性更強，并且過程氣中的SO2容易與過程氣中的水生成H2SO3，具極強的腐蝕性，傳感器必須能耐腐蝕；在吸收再生系統(tǒng)中，吸收溶劑胺液具有堿性，就要求傳感器具有抗堿腐蝕的能力。
現(xiàn)場儀表的特點如下：
1）壓力測量類儀表，壓力測量技術(shù)成熟，就地測量選擇彈簧管式壓力表，需要遠(yuǎn)傳選擇智能壓力、差壓變送器。被測介質(zhì)腐蝕性強選擇隔膜壓力儀表，隔膜的材質(zhì)可以根據(jù)被測介質(zhì)進行有針對性的選擇，如，測量鹽酸選擇哈氏合金C-276，測量含硫化氫介質(zhì)選擇316L不銹鋼。
2）液位檢測儀表，差壓式液位計原理簡單，技術(shù)成熟。在天然氣凈化裝置應(yīng)用比較廣泛，備件易于管理，使用維護對儀表維護人員要求不高。因此，差壓式液位計廣泛用于脫硫、脫水、硫磺回收、公用單元的液位測量。缺點是需要灌裝隔離液，在脫硫單元溶液出現(xiàn)發(fā)泡時將嚴(yán)重影響到液位的測量。智能扭力管浮筒液位計性能穩(wěn)定、安裝方式多樣，可以用于重要液位測量場合和差壓式液位計作對比檢測，如脫硫塔液位、閃蒸塔液位，但價格略貴。
3）溫度測量儀表，測溫儀表現(xiàn)場就地指示選擇雙金屬溫度計，采用保護套管結(jié)構(gòu)，保護管材質(zhì)結(jié)合工藝介質(zhì)工況選擇，必要時保護管外做表面處理以提高抗腐蝕能力。硫磺回收裝置介質(zhì)溫度較高、腐蝕性強。主燃燒爐爐膛溫度測量選擇B、S分度號高溫?zé)犭娕迹Ｗo管材質(zhì)結(jié)構(gòu)及安裝都直接關(guān)系熱電偶的使用壽命。工藝操作也是影響使用壽命的重要因素。同時爐膛溫度采用非接觸式測溫儀表進行檢測，光學(xué)高溫計多采用進口產(chǎn)品，價格貴，使用方法得當(dāng)基本免維護。主燃燒爐外表面采用表面熱電偶進行溫度檢測。反應(yīng)器床層溫度采用多點（通常情況3點）不同插深熱電偶測量不同床層溫度。
4）流量測量儀表，凈化裝置進裝置原料氣、出裝置產(chǎn)品氣計量通常采用高級孔板閥計量，達到計量精度的要求，實現(xiàn)不停產(chǎn)維護檢查。其他流量測量可以使用簡易孔板、孔板法蘭、轉(zhuǎn)子流量計、渦街流量計、電磁流量計、均速管流量計、楔形流量計對工藝參數(shù)計量。根據(jù)不同的場合選擇不同類型流量計。脫水單元汽提氣流量因為量小，內(nèi)藏孔板式流量計拆裝維護方便比較適合。硫磺回收單元風(fēng)機入口流量選擇進口均速管流量計比較適合，硫磺回收主燃燒爐的空氣、酸氣流量因為工作壓力低、要求壓損小，文丘里管流量計比較適合，但設(shè)計上應(yīng)考慮節(jié)流件尺寸便于合適的壓差測量范圍。對于超級克勞斯工藝一、二、三級再熱爐的燃料氣和空氣都要求計量準(zhǔn)確。渦街流量計因測量范圍寬、精度高是不錯地選擇。
2控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)更新、發(fā)展主要包括軟件和硬件兩個方面。軟件伴隨著操作系統(tǒng)的更新后升級換代，系統(tǒng)硬件性能則伴隨著電子技術(shù)、自控技術(shù)、通訊技術(shù)發(fā)展而日新月異。
1998年長壽分廠采用美國霍尼韋爾TDC3000軟硬件系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為DOS操作系統(tǒng)，2000年墊江分廠技術(shù)改造采用Windows3.2中文操作系統(tǒng)，和利時HS2000軟硬件。2001年引進分廠、2002年渠縣分廠技術(shù)改造采用WindowsNT4.0中文操作系統(tǒng)，軟硬件則采用北京和利時MACA Ⅱ控制系統(tǒng)。這一階段中央控制室全部為DCS完成所有的過程控制、聯(lián)鎖保護、火災(zāi)氣體檢測功能。
2005年新建忠縣分廠控制系統(tǒng)采用霍尼韋爾PKS+FSC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分為兩部分，PKS主要用于過程控制，F(xiàn)SC用于聯(lián)鎖保護，操作系統(tǒng)為Windows2000操作系統(tǒng)。2008年引進分廠、墊江分廠、渠縣分廠升級改造，緊急停車系統(tǒng)（ESD）從常規(guī)DCS系統(tǒng)中獨立：火災(zāi)氣體檢測（F&GS）從常規(guī)DCS系統(tǒng)中獨立.
2008年新建大竹分廠、2009年新建萬州分廠、2009年川中油氣礦新建龍崗凈化廠、2010年長壽分廠DCS系統(tǒng)升級均采用霍尼韋爾PKS+SM系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Windows XP、Windows2003 server。F&GS系統(tǒng)為獨立的一套監(jiān)控系統(tǒng)。2013年忠縣分廠控制系統(tǒng)安全隱患治理，也采用霍尼韋爾PKS+SM系統(tǒng)，操作系統(tǒng)因Windows XP停產(chǎn)，也采用Windows 7專業(yè)版、Windows：2008 Server版操作系統(tǒng)。
天然氣凈化處理裝置DCS系統(tǒng)采用國產(chǎn)系統(tǒng)或進口系統(tǒng)。國產(chǎn)系統(tǒng)以和利時、浙大中控為主：引進系統(tǒng)主要有霍尼韋爾、福克斯被羅、艾默生、西門子等。國產(chǎn)系統(tǒng)價格相對較低、軟件功能比較完善，組態(tài)界面、操作界面為中文易于掌握，但硬件的穩(wěn)定性離進口系統(tǒng)仍有一定的差距：進口系統(tǒng)軟件系統(tǒng)龐大，界面相對復(fù)雜，除一些描述性內(nèi)容可以為中文，基本都是英文，組態(tài)的難度相對大一些，一旦工程組態(tài)調(diào)試完畢使用起來還是很方便的，進口系統(tǒng)價格稍貴。
緊急停車系統(tǒng)基本都為進口產(chǎn)品，主要有霍尼韋爾、德國黑馬、TRICON，采用冗余容錯技術(shù)，硬件與軟件技術(shù)都十分成熟，對于以脫硫為主的天然氣凈化裝置緊急停車系統(tǒng)主要實現(xiàn)：
1）過濾分離、脫硫、脫水單元的聯(lián)鎖保護。即壓力超高放空、脫硫塔、脫水塔低液位聯(lián)鎖保護，確保設(shè)備的安全以及天然氣凈化脫硫的質(zhì)量。
2）硫磺回收裝置主燃燒爐、灼燒爐的點火程序及硫磺回收裝置的聯(lián)鎖保護。如果采用超級克勞斯回收工藝，還包括各級再熱爐、克勞斯反應(yīng)爐的點火程序及熄火保護。
3）若有斯科特尾氣處理裝置，還包含制氫反應(yīng)爐的點火程序及熄火保護。
由于緊急停車系統(tǒng)只配置工程師站進行控制方案組態(tài)、調(diào)試。控制方案的設(shè)計與組態(tài)顯得非常重要，所以，要求工程師組態(tài)徹底掌握設(shè)計方案，組態(tài)人員要具有豐富的程序設(shè)計經(jīng)驗。
3重要控制方案
天然氣凈化裝置的控制大部分為簡單控制回路。控制裝置的壓力、液位、溫度、流量。脫硫單元再生塔塔頂溫度控制為串級回路，酸氣分液罐壓力控制為分程控制。其他復(fù)雜回路主要集中在硫磺回收裝置中，如酸水分液罐的液位控制、主燃燒爐的配風(fēng)控制、廢熱鍋爐的液位控制及灼燒爐的配風(fēng)控制。冷床吸附工藝
（CBA）反應(yīng)器切換是典型的順控程序，硫磺回收主風(fēng)機的控制屬于順控與邏輯控制相結(jié)合的控制方式，下面進行簡要介紹。
3.1配風(fēng)控制
首先以超級克勞斯回收工藝為例，說明主燃燒爐的配風(fēng)控制方案，包含了主要的設(shè)備及流程。
主燃燒爐的配風(fēng)控制對于硫磺回收裝置來說至關(guān)重要，直接影響硫收率的高低。主要原理為，根據(jù)酸氣的流量進行配比控制，配風(fēng)分為兩路，一路為主路空氣控制需要空氣占總量約90%，支路配風(fēng)完成剩余約10%的空氣控制。
支路配風(fēng)為選擇控制，可以根據(jù)尾氣中硫化氫含量或者硫化氫與二氧化硫的比值進行控制。兩路配風(fēng)實現(xiàn)了主爐粗調(diào)、支路細(xì)調(diào)從而達到精確控制的目的，當(dāng)然過程氣中硫化氫與二氧化硫在線分析數(shù)據(jù)的及時性與準(zhǔn)確性對配風(fēng)控制影響也非常重要。配風(fēng)控制組態(tài)方式基本采用功能塊圖搭建的方式，涉及到酸氣流量、空氣流量計量，為了控制準(zhǔn)確還用了流量補償公式計算進行補償。為了實現(xiàn)精確控制，還考慮了酸氣中的組分考慮進控制方案。
因硫磺回收控制方案的重要性，近些年來設(shè)計單位在控制方案上不斷改進、優(yōu)化，利用DCS系統(tǒng)豐富多樣的功能實現(xiàn)復(fù)雜控制方案，如配風(fēng)控制采用采樣控制方式等，收到了一定的效果。針對配風(fēng)控制，CPE西南分公司為了簡化組態(tài)工作，還推出了模塊化的控制方案。
3.2反應(yīng)器切換控制
在冷床吸附（CBA）硫磺回收工藝中，反應(yīng)器的切換是非常重要的程序。通過反應(yīng)器的切換使反應(yīng)器不斷進行吸附和再生，從而保證回收裝置的連續(xù)運行同。切換程序是一個典型順控程序。分為多個步驟，每個步驟都有一些條件地判斷。
通過對程序控制閥地控制，實現(xiàn)3個CBA反應(yīng)器的吸附、再生循環(huán)工作保證硫磺回收裝置的收率。主要儀表有4個三通閥和3個兩通閥進行流程切換。反應(yīng)器設(shè)備上安裝有床層溫度傳感器進行步驟地判斷。為保證閥的正確切換，每臺程控閥安裝有閥位檢測開關(guān)。切換程序利用DCS系統(tǒng)的順控功能實現(xiàn)起來較為容易。程序編程按照工藝步驟進行設(shè)置，結(jié)合語言進行編程，程序邏輯性強，易于讀懂和維護管理。
3.3重要設(shè)備控制
天然氣凈化裝置重要設(shè)備主要有溶液循環(huán)泵、回收裝置的風(fēng)機、蒸汽鍋爐、空壓機等。溶液循環(huán)泵視功率的大小配置有不同的保護。通常大功率電機與泵軸承溫度、電機繞組溫度、振動進入控制系統(tǒng)監(jiān)控，或者現(xiàn)場設(shè)置控制盤，當(dāng)溫度、振動高時對設(shè)備進行停車保護。硫磺回收裝置風(fēng)機多采用進口風(fēng)機，作為硫磺回收裝置的核心設(shè)備，必須長周期平穩(wěn)運行，一般配置有現(xiàn)場控制盤，完成風(fēng)機的啟動、停車、緊急停車、復(fù)位操作。控制方式多采用PLC控制，根據(jù)需要配置有觸摸屏人機界面。風(fēng)機的控制包括一鍵式啟動、負(fù)荷調(diào)節(jié)、防瑞振控制、聯(lián)鎖保護等。同時具備遠(yuǎn)程通訊功能將PLC采集到的數(shù)據(jù)和診斷信息傳至控制室顯示。通訊協(xié)議根據(jù)系統(tǒng)不同略有不同，常用Modbus、Profibus-DP協(xié)議。
鍋爐燃燒機的控制與風(fēng)機類似。燃燒機的點火控制有專用的程序控制器，完成一系列的點火程序步驟控制。
4在線分析儀
在線分析儀及時分析氣質(zhì)情況，為凈化操作提供技術(shù)指導(dǎo)。天然氣凈化裝置在線分析儀主要有幾類：
1）原料氣在線全分析儀，及時分析原料氣組分可以為操作提供依據(jù)。
2）凈化氣硫化氫在線分析儀，分析凈化氣硫化氫含量，便于及時監(jiān)控凈化氣是否合格，根據(jù)氣質(zhì)情況及時調(diào)整操作。
3）產(chǎn)品氣水露點分析儀，監(jiān)控脫水后產(chǎn)品氣質(zhì)量，便于及時根據(jù)氣質(zhì)情況調(diào)整操作。
4）硫磺回收裝置過程氣硫化氫、二氧化硫比值分析儀，分析數(shù)據(jù)參與控制，數(shù)據(jù)及時性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性要求高，還應(yīng)便于維護。
5）硫磺回收尾氣灼燒后煙道氣氧含量分析儀，參與尾氣灼燒爐的配風(fēng)控制。
6）尾氣二氧化硫分析儀，監(jiān)控外排尾氣是否達標(biāo)排放，裝置異常該參數(shù)能直接反映出來。
7）氫含量分析儀，含有斯科特尾氣處理裝置需配置氫含量分析儀，確保制氫爐的反應(yīng)效果。
5結(jié)束語
經(jīng)過這些年運行管理，總結(jié)出天然氣凈化裝置儀表系統(tǒng)的幾點建議：
1）智能變送器的種類不宜過多，過多不便于準(zhǔn)備備品備件，對操作維護都帶來不便。智能儀表的通訊協(xié)議最好能統(tǒng)一，如HART、FF協(xié)議。
2）裝置測溫采用熱電偶加補償導(dǎo)線方式，在控制室完成信號轉(zhuǎn)換功能（如果需要的話）。
這樣節(jié)省成本，管理維護都十分方便。
3）控制閥、聯(lián)鎖閥、流量計、液位計法蘭連接標(biāo)準(zhǔn)近可能采取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
4）DCS、ESD系統(tǒng)盡可能采用統(tǒng)一廠家。
不同廠家系統(tǒng)之間通訊實現(xiàn)起來存在一定困難。新建裝置不存在這一問題。
5）控制方案適用、有效優(yōu)先，應(yīng)考慮操作人員的熟悉攀握。流程畫面、控制方案的組態(tài)是非常細(xì)致的工作，應(yīng)得到足夠地重視。以上對天然氣凈化裝置的儀表控制系統(tǒng)的特點進行了闡述，并總結(jié)了含硫天然氣凈化裝置自控系統(tǒng)運行管理的一些經(jīng)驗。
