凝液穩(wěn)定裝置中的自動(dòng)控制應(yīng)用

陳麗君

（中海油石化工程有限公司 青島分公司 自控室，山東 青島 266100）

天然氣凝液是指從氣田開(kāi)采的天然氣中凝析出來(lái)的液烴混合物，習(xí)慣上也被稱為輕烴或凝析油。未經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的天然氣凝液在儲(chǔ)存或運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生油氣揮發(fā)損失，不僅對(duì)環(huán)境造成危害，而且是對(duì)能源的極大浪費(fèi)[1]。凝液穩(wěn)定裝置可以將凝液中揮發(fā)性強(qiáng)的輕組分脫除，減少凝液在常溫常壓下的蒸發(fā)損耗，使凝液穩(wěn)定。以某海外項(xiàng)目天然氣處理廠的凝液穩(wěn)定裝置為例，對(duì)凝液穩(wěn)定處理裝置中的自動(dòng)控制應(yīng)用進(jìn)行研究，供廣大設(shè)計(jì)人員參考與探討。

1 凝液穩(wěn)定裝置的工藝分析

1.1 工藝流程

未經(jīng)穩(wěn)定處理前，該天然氣處理廠產(chǎn)生的凝液被直接收集后返輸至原油處理入口，致使油處理系統(tǒng)中含有大量的輕烴，在原油處理過(guò)程中，水洗罐為常壓操作，凝液中的輕烴容易揮發(fā)，低壓火炬因夾帶凝液而造成燃燒不充分，導(dǎo)致火炬冒黑煙現(xiàn)象非常嚴(yán)重，不僅造成了能源的浪費(fèi)，而且產(chǎn)生了環(huán)境污染。引入凝液穩(wěn)定工藝的目的就是在凝液儲(chǔ)存之前將其中的輕組分除去，主要是對(duì)其中揮發(fā)性最強(qiáng)的C1～C4組分進(jìn)行分離，分離得越多越徹底，凝液的穩(wěn)定程度越高。

圖1 凝液穩(wěn)定裝置流程示意Fig.1 Typical flow diagram of condensate stabilizer device

凝液穩(wěn)定裝置流程示意如圖1所示，該凝液穩(wěn)定裝置采用單塔穩(wěn)定工藝。含水未穩(wěn)定的天然氣首先進(jìn)入凝液分離器（三相分離器）中進(jìn)行油、水、氣的初步分離，然后凝液進(jìn)入凝液穩(wěn)定塔，塔底重沸器對(duì)凝液進(jìn)行加熱并產(chǎn)生上升的蒸汽，塔頂蒸汽經(jīng)冷凝、回流，由塔頂返回穩(wěn)定塔再次分餾，塔底排出穩(wěn)定后的天然氣凝液，經(jīng)換熱后引出裝置。因油田伴生氣有富余，為增強(qiáng)生產(chǎn)裝置操作穩(wěn)定性，該工藝中穩(wěn)定氣未考慮回收，直接去火炬燃燒。

1.2 運(yùn)行模式

為滿足3種不同的應(yīng)用需求，該凝液穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)了3種運(yùn)行模式，分別為：

1）穩(wěn)定模式

凝液接收系統(tǒng)的凝液進(jìn)入三相分離器中進(jìn)行油、水、氣分離，然后氣體燃燒，水進(jìn)入水處理系統(tǒng)。分離器出口的凝液從塔頂進(jìn)入凝液穩(wěn)定塔，塔頂?shù)臍怏w直接燃燒而不凝結(jié)，塔底穩(wěn)定的凝液進(jìn)入現(xiàn)有的原油儲(chǔ)罐。

穩(wěn)定模式能保證塔底凝液達(dá)到穩(wěn)定要求，可直接與原油摻混。

2）貧氣模式

凝液收集系統(tǒng)的凝液進(jìn)入三相分離器進(jìn)行油、水、氣分離，然后氣體燃燒，水進(jìn)入水處理系統(tǒng)。分離器出口的凝液從塔頂進(jìn)入凝液穩(wěn)定塔，塔頂?shù)臍怏w進(jìn)入塔頂冷凝器，然后進(jìn)入塔頂回流罐進(jìn)行氣、液分離后，氣體燃燒，液體被抽回到穩(wěn)定塔頂部進(jìn)行回流。塔底冷凝產(chǎn)品被送出裝置。

貧氣模式的塔頂氣組分最輕，利于消煙，但塔底產(chǎn)品不夠穩(wěn)定。

3）直摻模式

凝液收集系統(tǒng)的凝液進(jìn)入三相分離器進(jìn)行油、水、氣分離。然后氣體燃燒，水進(jìn)入水處理系統(tǒng)。分離器出口的凝液被直接送出裝置。

直摻模式的凝液回收率最高，能耗最低，收益最大。

2 自動(dòng)控制應(yīng)用

2.1 三種運(yùn)行模式切換

三種運(yùn)行模式下的介質(zhì)流向不同，主要表現(xiàn)在：穩(wěn)定模式下穩(wěn)定塔塔頂氣體直接燃燒而不進(jìn)行冷凝回流；貧氣模式下塔頂氣體經(jīng)塔頂冷凝器和塔頂回流罐后，氣液分離，氣體燃燒，液體被抽回到塔頂進(jìn)行回流；直摻模式下凝液穩(wěn)定塔被旁通掉，由三相分離器分離出的凝液不經(jīng)過(guò)分餾而被直接回收。

控制介質(zhì)流向主要通過(guò)在關(guān)鍵回路上設(shè)置的開(kāi)關(guān)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制系統(tǒng)完成不同模式下開(kāi)關(guān)閥的預(yù)定動(dòng)作，保證介質(zhì)流經(jīng)特定的管路和設(shè)備，分別完成3種特定的工藝流程。同時(shí)，由于3種模式運(yùn)行時(shí)的工藝參數(shù)不同，控制要求也不同，控制系統(tǒng)不僅要控制介質(zhì)流向，還要完成對(duì)控制回路的切換，實(shí)現(xiàn)單一工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)于多個(gè)變量的控制要求。如圖2所示，以凝液分離器液位控制為例，直摻模式下，XV-1101關(guān)閉，XV-1102打開(kāi)，凝液分離器出口的冷凝液被凝液提升泵直接送出裝置，凝液分離罐的液位LT-1101由泵出口控制閥LV-1101控制；穩(wěn)定/貧氣模式下，XV-1101打開(kāi)，XV-1102關(guān)閉，凝液經(jīng)換熱器換熱后進(jìn)入凝液穩(wěn)定塔分餾，F(xiàn)V-1101作為出口流量控制閥，LT-1101與至換熱器的流量FT-1101構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。兩種工況下LT-1101分別作為兩個(gè)PID控制回路的被控變量，通過(guò)MHS-1101軟開(kāi)關(guān)控制兩種工況下的信號(hào)切換。

圖2 凝液分離器自動(dòng)控制流程示意Fig.2 Typical flow diagram of condensate separator automatic control

表1 3種運(yùn)行模式下控制系統(tǒng)設(shè)置列表Table 1 List of control system settings in three operating modes

通過(guò)軟件組態(tài)在操作站設(shè)置模式選擇軟開(kāi)關(guān)分別對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定模式、貧氣模式和直摻模式，對(duì)3種運(yùn)行模式下的各控制參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，當(dāng)操作員人工選擇某一運(yùn)行模式開(kāi)關(guān)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)3種模式的遠(yuǎn)程一鍵切換，切換內(nèi)容主要包括控制開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)/關(guān)動(dòng)作，設(shè)置MHS切換軟開(kāi)關(guān)控制信號(hào)流向，修改變送器的給定值和報(bào)警值等參數(shù)，設(shè)置情況如表1所示。

2.2 主要自動(dòng)控制方案

2.2.1 凝液分離器的壓力分程控制

凝液分離器采用三相分離器，凝液在三相分離器內(nèi)停留過(guò)程中，油和水存在著密度差，游離水沉降，原油上浮，形成油、水兩相，從而油、水分離，油氣由三相分離器頂部排出至火炬燃燒。當(dāng)凝液來(lái)液中的輕組分不能滿足三相分離器的壓力時(shí)，需通過(guò)補(bǔ)氣線進(jìn)行人工或自動(dòng)調(diào)節(jié)。

如圖2所示，該裝置設(shè)有氣相出口壓力檢測(cè)PT-1101，與補(bǔ)氣線調(diào)節(jié)閥PV-1101A（氣開(kāi)閥）和排氣線調(diào)節(jié)閥PV-1101B（氣關(guān)閥）構(gòu)成了分程控制系統(tǒng)。正常工況下，補(bǔ)氣閥PV-1101A關(guān)閉，由壓力控制器PIC-1101輸出信號(hào)至PV-1101B進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)；當(dāng)工作壓力低于設(shè)定值，排氣閥PV-1101B全關(guān)也無(wú)法滿足壓力需求時(shí)，補(bǔ)氣閥PV-1101A開(kāi)始工作，并接收PIC-1101的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使壓力回到設(shè)定值。補(bǔ)氣閥與排氣閥協(xié)調(diào)配合，分段工作[2]，對(duì)凝液分離器的壓力進(jìn)行分程控制，共同穩(wěn)定凝液分離器的壓力。

2.2.2 穩(wěn)定塔塔頂回流量的選擇性控制

穩(wěn)定塔塔頂溫度是由回流罐的回流冷量來(lái)提供的，回流量過(guò)大，塔頂溫度降低，氣體輕烴不易從凝液中脫出，塔底輕組分含量上升，飽和蒸汽壓增加，原油產(chǎn)品不純；回流量過(guò)小，塔頂溫度增加，少量的重組分從塔頂蒸出，導(dǎo)致火炬冒黑煙，造成能源浪費(fèi)及環(huán)境污染。

該裝置塔頂回流量控制采用了塔頂氣溫度TT-1201與回流罐液位LT-1201構(gòu)成的選擇性控制系統(tǒng)，流程示意如圖3所示。選擇性控制系統(tǒng)又稱為超馳控制系統(tǒng)，即當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)接到事故報(bào)警、偏差越限、故障等異常信號(hào)時(shí)，控制邏輯自動(dòng)改變控制模式，用另一個(gè)控制回路替代原有控制回路，使工藝過(guò)程進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的安全狀態(tài)，待工況恢復(fù)正常時(shí)再自動(dòng)切換回原來(lái)的控制方式，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)[3]。

圖3 穩(wěn)定塔塔頂回流控制流程示意Fig.3 Typical flow diagram of top reflux control

正常工況下，塔頂氣溫度TT-1201未超過(guò)安全軟限，回流量由回流罐液位LT-1201進(jìn)行控制；若受到擾動(dòng)影響，TT-1201產(chǎn)生波動(dòng)而超過(guò)了安全軟限，控制系統(tǒng)即刻發(fā)出報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)切換至由TT-1201控制調(diào)節(jié)閥LV-1201，調(diào)節(jié)回流量，使塔頂溫度快速回到安全工作狀態(tài)，完成超馳控制。整個(gè)過(guò)程自動(dòng)完成，響應(yīng)及時(shí)，既減少了人工參與行為，又確保了工藝狀態(tài)穩(wěn)定。

2.2.3 塔頂壓力的熱旁路控制

貧氣模式下對(duì)穩(wěn)定塔的塔頂壓力控制通過(guò)設(shè)置塔頂冷凝器和塔頂回流罐實(shí)現(xiàn)熱旁路的控制方式[4]。當(dāng)塔頂壓力PT-1201小于設(shè)定值時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥PV-1201的開(kāi)度增大，進(jìn)入回流罐的氣體流量增多，回流至塔頂?shù)哪簻囟壬?，壓力也隨之升高并回到設(shè)定值；當(dāng)塔頂壓力PT-1201大于設(shè)定值時(shí)，熱旁路調(diào)節(jié)閥PV-1201的開(kāi)度減小，進(jìn)入回流罐的氣體流量減少，凝液自冷凝器中進(jìn)入回流罐中，回流罐液位升高，回流至塔頂?shù)哪涸龆?，溫度降低，壓力也隨之減小并回到設(shè)定值。塔頂壓力恒定則塔內(nèi)溫度穩(wěn)定，以確保產(chǎn)品組分的有效分離。

3 結(jié)束語(yǔ)

凝液穩(wěn)定裝置雖然工藝流程簡(jiǎn)單，但自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用必不可少，特別是采用了串級(jí)控制、分程控制、選擇性控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，不但大大提高了裝置的自動(dòng)化水平，而且有利地保證了生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)是工藝生產(chǎn)過(guò)程中的必要組成部分，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要作用。