低濃度含氧煤層氣凈化控制系統設計

肖 正

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

0 引言

在“節能減排、轉型升級”的方針下,清潔能源的開發利用越來越受到重視[1]。我國埋深煤層氣資源儲量達31萬億立方米,占世界排名前12位國家資源總量的13%[2],與常規天然氣資源量相當。目前,煤層氣含量的波動和低值嚴重影響了煤層氣的綜合利用?，F有的國內外煤層氣濃縮技術都處于初級研發階段,主要技術有膜分離技術、變壓吸附技術和深冷分離技術[3-5]。其中,深冷分離技術的工藝和設備基于空分和天然氣液化技術發展而來,具有技術成熟且應用于煤層氣提純時不需要使用特殊材料的特點。其只需要解決混合氣體爆炸危險問題就可以滿足要求。深冷分離法產品可以直接儲存運輸,減少了后期的液化工藝,經濟性較好[6]。

作為工藝生產流程的神經中樞,分布式控制系統(distributed control system,DCS)的優劣影響著自動化控制技術的水平。本文針對低濃度含氧煤層氣深冷液化凈化工藝設計了相對應的DCS,并根據工藝要求確定了控制系統的總體構架。本文在考慮控制系統安全性、可靠性和經濟性的基礎上,對DCS軟件和硬件進行選型、軟件開發和組態設計,實現了DCS在工程實例中的一體化應用。

1 煤層氣深冷液化凈化單元總體方案

1.1 總體工藝流程

低濃度含氧煤層氣深冷液化工藝裝置如圖1所示。

圖1 低濃度含氧煤層氣深冷液化工藝裝置示意圖

低濃度含氧煤層氣深冷液化工序包括壓縮、凈化、液化與分離、液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)儲存以及自動控制系統和在線分析[7-9]。其中,液化與分離又包括流程工藝和制冷工藝。流程工藝實現煤層氣深冷液化以及甲烷與其余物質的分離,生產LNG。制冷工藝提供深冷液化所需要的冷量。上述工藝的核心是利用含氧煤層氣中各組分沸點不同的特點,在低溫條件下采用精餾手段將甲烷分離出來。含氧煤層氣中的主要組分甲烷、氮氣和氧氣的沸點都很低,需要在-140 ℃以下的低溫環境中進行精餾分離,因此需要利用制冷系統將含氧煤層氣冷卻到工藝要求的低溫狀態。與此同時,甲烷常壓下的沸點為-161.5 ℃,在低溫條件下分離含氧煤層氣的同時將分離出來的甲烷液化即得到LNG產品。由于含氧煤層氣的分離過程為低溫過程,因此要求加入低溫設備之前需要將含氧煤層氣中的高沸點組分脫除,以免設備在低溫條件下堵塞。同時,由于低溫換熱器為鋁制設備,需要將對鋁有腐蝕性的汞事先脫除。含氧煤層氣中的高沸點組分為酸性氣體和水分,需要通過脫酸和干燥將其脫除,并使其能滿足深冷工藝的要求。因此,凈化工藝也是含氧煤層氣深冷液化利用工藝中的關鍵部分。其凈化結果直接影響后續液化分離工藝過程能否正常運行。

整個裝置核心工藝包括含氧煤層氣凈化和深冷液化這2個單元。含氧煤層氣凈化單元包括脫碳、脫水及脫汞單元。工藝過程的連續穩定運行必須有相應的控制系統進行保障,且具有一定的適應性和調節能力,并能提高工藝過程的安全性和經濟性。上述工藝單元都采用DCS進行控制,由安全儀表系統實現安全聯鎖功能。兩者共同作用,可確保整個工藝系統的安全性和可靠性。

綜上所述,低濃度含氧煤層氣深冷液化工藝過程如圖2所示。

圖2 低濃度含氧煤層氣深冷液化工藝過程圖

1.2 控制系統總體方案

含氧煤層氣深冷液化凈化控制系統一方面要根據工藝要求進行控制設計,例如需要控制N-甲基二乙醇胺溶液的循環量、濃度、分子篩再生溫度、吸附壓力、再生壓力等,同時還要滿足設備參數的要求,例如根據吸附塔尺寸大小、分子篩裝填量來進行時序控制程序的設計。上述控制需求包括單一參數控制,例如通過分子篩再生溫度來控制加熱器;包括函數控制,例如通過控制有機堿溶液循環量和濃度的匹配來使脫碳凈化系統效果最佳、能耗最低;包括時間控制,例如脫水單元的時序控制就是以時間為參數進行控制。上述控制包括開關量控制、模擬量控制、比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制等。根據上述分析,需要控制系統、控制硬件以及組態能夠實現上述各類控制功能。

控制系統軟、硬件網絡架構如圖3所示。

圖3 控制系統軟、硬件網絡架構圖

圖3中:分布式外圍設備(decentralized peripherals,DP)/過程自動化(process automation,PA)連接器中的DP連接器主要用于現場設備控制和數據交換,支持高速和實時通信,主要設備包括可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)。PA連接器主要用于過程控制和連接儀表設備,通信速率低。

通過對低濃度含氧煤層氣深冷液化工藝分析和研究,可將整個工序主要分為壓縮計量系統、原料氣壓縮系統、脫碳系統、脫水系統、低溫精餾系統這5個單元?？刂品桨钢饕捎昧隧樞蚩刂?、PID控制、比值控制、連鎖控制等方法,以完成整個工藝流程的測點遠程監控?？刂葡到y主要由硬件和軟件這2個方面組成。

控制系統整體安全性、擴展性要求如下:模擬量控制系統、順序控制系統、數據采集系統需結合工藝設計特點滿足工況的運行要求,確保設備安全、穩定運行,控制系統的有效利用率≥98%?？刂葡到y應配置高性能的工業以太網絡及控制處理單元、過程輸入/輸出(input/output,I/O)模塊、人機接口單元和過程控制軟件等來完成面向過程級別的生產過程控制?？刂葡到y硬件應具有安全、可靠、穩定的特點;系統軟件應具有易組態、易操作、易擴展的特點,且充分體現分散布置、集中管理的設計理念。在整個系統發生通信、硬件故障和觸發停機條件時,要確保設備安全停機。

2 DCS硬件設計

2.1 硬件系統要求

系統硬件設計要求較高,任何控制系統硬件的可靠性和安全性是整套工藝設備正常運行的先決條件。本文重點敘述中央處理器(central processing unint,CPU)模塊、I/O功能模塊、電源、機柜散熱等硬件單元設計要求。

DCS應在通信網絡、電源適配單元、CPU模塊進行冗余配置,搭載獨立并行接口,能進行單獨的修改、下裝和上傳程序?；橹鲝牡娜哂郈PU模塊實時同步更新數據信息且運行狀態保持完全一致。若主/從處理器模塊發生故障將無擾切換,以保證系統正常運行?？刂乒駜雀麟娮釉骷溆忻黠@標識。帶診斷功能的器件外殼須帶有發光二級管(light emitting diode,LED)指示。操作站監控界面對于系統冗余數據應具備故障報警和運行記錄功能。在物理安全層面,CPU模塊設計了失電保存數據功能。為防止程序意外丟失,需配置專用后備電池[10]。

所有I/O模塊應有I/O工作狀態的LED指示。各模塊均能熱拔插,即帶電插撥而不影響其他模塊正常工作。模塊編址不應受機柜內所處位置影響。在保證系統可靠、經濟的前提下,模塊的種類應盡量少,以減少備件、節省費用。系統I/O模塊采用低功耗的固態電路、標準模塊化架構,以提高擴展性能。所有模塊均具有自診斷、熱拔插功能。冗余電源一路來自不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS),另一路來自工業電源。兩路電源波動范圍分別為220 V±10%、50±1 Hz[11-12]。配電機柜應配置封墊條,以提升抗射頻干擾能力。柜門上應配有卸放靜電手環。針對機柜內電子元件工作熱耗及需散熱的電源裝置,應提供排氣風扇和內部循環風扇。

2.2 硬件系統配置

低濃度氣體凈化工藝流程中共有300個DCS測量控制點。其中:模擬量輸入(analog input,AI)測點140個;模擬量輸出(analog output,AO)測點30個;數字量輸入(digital input,DI)測點80個;數字量輸出(digital output,DO)測點50個。測點余量按15%備用。壓縮機自成獨立PLC系統,與DCS通信進行數據交換?，F場所有控制儀表模擬量信號經過安全柵隔離后進入DCS。

控制系統測點如表1所示。

表1 控制系統測點

系統配置如表2所示。

系統為冗余架構?？刂破鰿PU、網絡、電源、部分重要模擬量信號模塊均按1∶1冗余設計。根據測點規模,DCS選用杭州和利時MACS5.2.3控制系統。該控制系統配置1個控制站、2個操作員站(兼服務器)、1個工程師站、1面配電柜、1面安全柵柜、1面安全儀表柜和1面I/O控制柜。

3 DCS軟件設計

3.1 控制系統軟件設計要求

DCS軟件具備上下位一體化的組態編程與調試功能,能夠按要求歸檔歷史數據和報表日志,并根據工藝需求自行增減條目?？刂葡到y具有開放性、標準化、系列化的設計特點。系統網絡上各臺操作站采用局域網方式通信,以實現數據采集與讀取。當需要增加新的操作站時,可將新增計算機通過以太網地址組態入網,而不影響系統其他計算機的工作。工程師操作站實現在線、離線條件下對算法組態的修改,且在任何工況下能夠在線監控程序并實現無擾下裝。

3.2 軟件組態設計

控制系統軟件組態是DCS設計的重要組成部分。DCS軟件一般由上位機監控軟件、數據服務器軟件和控制器算法軟件構成。這些部分均由1個軟件包安裝。監控軟件通過專用傳輸協議、網絡架構與控制器算法軟件進行通信。系統軟件由組態軟件、操作員站軟件、控制站軟件和服務器軟件構成。組態軟件包括設備組態、服務器算法組態、圖形組態、數據庫總控、控制器算法組態、報表組態等功能。操作員站軟件具有操作員權限,主要完成用戶對流程畫面、數據趨勢、功能參數設置、報警日志的查詢等畫面及功能的操作。服務器軟件對實時和歷史數據庫中的數據進行集中管理和監控,為網絡構架各環節數據提供存儲和讀寫服務。

某工程項目的軟件組態實施方案如圖4所示。

圖4 軟件組態實施方案圖

組態過程如下。

①新建工程。

新建工程是建立1個項目的信息,在數據庫總控功能中完成。大型控制系統配置多組服務器共同存儲數據,將不同工藝單元的數據劃分成多個域。每個域可由獨立的服務器、系統網絡和多個現場控制站組成。各域用域名區別開,并通過域間變量相互引用。

②硬件配置。

項目的硬件配置在設備組態工具中完成。本文設備組態工具由設備模塊組態和I/O通道組態組成。組態采用樹形目錄架構形式,以拓展出相關內容?？刂葡到y默認服務器站號以0為起始往后擴展。單個現場控制站站號以10為起始、操作員站站號以50為基數往后擴展。相同通信協議、通信參數和端口的數據傳輸在完成系統設備組態后,利用引入菜單功能將設備組態生成的模塊數據信息轉化為圖形化的系統網絡圖。

③數據庫組態。

項目的數據庫組態在數據庫總控功能中完成。其定義和編輯系統各站的變量信息,以建立數據庫。數據類型分為實際I/O點和中間量點。實際I/O點即通過現場控制站對現場儀表設備等進行交互的外部物理點。中間量點則是通過計算處理后得到的數據庫中沒有相關物理信息的內部變量點,從而起到傳遞數值的作用。數據庫的編譯是在設備組態自檢語法沒有錯誤的前提下進行數據庫基本編譯,從而生成控制器算法文件。通過這種方式,數據庫中錄入的站點信息被聯合編譯到控制器算法軟件中,為控制器算法的搭建提供變量信息。

④控制器算法組態。

DCS控制策略生成工具提供豐富的功能塊函數算法庫,如國際標準化運算符、數據類型轉換函數、定時功能、置位復位器、計數器功能函數、PID控制功能模塊、分層控制功能模塊、順序時序控制功能模塊等。用戶可根據需求,利用豐富的庫函數定義功能函數,以便算法程序的調用,從而實現批處理流程、PID回路、復雜回路、邏輯回路的優化。針對系統的二次開發,用戶可根據自身能力采用6種面向問題的高級編程語言編制符合需求的控制功能模塊并封裝嵌入到系統中以供調用。

3.3 工程下裝和調試

編譯下裝是將程序等檢索無誤后把控制方案文件下載到主控制器的過程。系統在運行后需特別注意:若系統正常運行后,禁止對程序進行更新和優化工作,以減少出現失誤操作導致安全生產受威脅的概率。在生產過程如需程序修改并下裝,則必須得到有關技術部門和生產部門的書面確認,并做好突發事件的預案。系統下裝必須由具備擔任此項工作的能力的人負責和實施。工程項目下裝流程如圖5所示。

圖5 工程項目下裝流程圖

3.4 圖形組態和操作權限

圖形組態是結合工藝流程圖來編輯流程圖監控畫面的工具。在系統總畫面、各工藝單元流程畫面和設備工況畫面中的測點數據信息,通過互聯網協議(internet protocol,IP)地址與服務器通信,將數據庫中的數據采集到監控畫面的相應位置,以實現檢測現場的實時參數傳輸、在線整定和目標數值設置、查看實時/歷史趨勢及報表和日志數據等功能。監控系統可分為3個操作權限等級,分別為工程師、操作員和監視級別。每個等級都有不同的操作范圍。監視級別權限只能瀏覽頁面,沒有任何修改權限。操作員權限可以操作畫面,滿足日常所需控制功能。工程師權限可設置重要工況參數。生產運行期間需嚴格遵行角色權限,以實施對應操作。

4 運行效果分析

實際裝置的運行情況表明,含氧煤層氣凈化技術及DCS都取得了較好的應用價值。在脫除酸性氣體方面,N-甲基二乙醇胺循環量、濃度以及脫酸裝置的壓力溫度等參數均實現了自動調節,可根據原料氣流量及其中酸性氣體的含量,通過函數控制方式自動調節相應的閥門和補液設備。裝置實際運行中凈化后,原料氣中:CO2含量在(30～120)×10-6之間波動,穩定運行值為55×10-6,當CO2濃度超過200×10-6時報警;H2S濃度在(1～10)×10-6之間波動,穩定運行值為3×10-6,H2S濃度超過20×10-6時報警。系統在考核期間穩定運行,控制設備及控制系統能根據工況的變化自動進行調整,無需人工干預。在脫水方面,脫水系統根據事先定義好的時間控制程序運行,并根據實際情況對時序程序中的時間參數進行調整。脫水系統在考核期間穩定運行。該系統由20只程控閥自動切換控制,以8 h為1個周期,無需人工干預。系統運行期間凈化后原料氣H2O含量在(1～10)×10-6之間波動,穩定運行時H2O含量小于4×10-6。當H2O含量超過15×10-6時報警。

5 結論

DCS是現代工業控制領域的主流發展方向。DCS具有技術成熟、安全可靠、經濟性好的特點。本文根據低濃度含氧煤層氣深冷液化制LNG工藝要求,設計了對應的DCS。首先,本文在充分分析低濃度含氧煤層氣深冷液化凈化過程中的胺液脫酸、分子篩脫水和脫汞的工藝流程的基礎上搭建了DCS架構。其次,本文根據低濃度含氧煤層氣深冷液化凈化控制系統的硬件要求,采用控制器單元、電源單元和網絡單元三冗余的總線型拓撲架構,并對現場控制站控制器單元采用冗余設計,完成了DCS的硬件系統設計。最后,本文對DCS軟件的配置和組態進行設計,實現了DCS在工程實例中的一體化應用。項目經過實際投產運行,生產出的LNG產品各項數據指標均達到設計要求。DCS可實現各項控制功能,確保系統安全、可靠、穩定運行。