對(duì)自控儀表系統(tǒng)在含硫天然氣凈化裝置應(yīng)用的探討

摘 ?要：在含硫天然氣凈化的過(guò)程中，自控儀表系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用?；诖?，本文依照測(cè)量類別的不同，對(duì)含硫天然氣凈化裝置中壓力測(cè)量、液位檢測(cè)、溫度測(cè)量、流量測(cè)量、在線分析這些現(xiàn)場(chǎng)儀表的具體應(yīng)用進(jìn)行了分析，并闡述了含硫天然氣凈化裝置的重點(diǎn)環(huán)節(jié)控制方案。

關(guān)鍵詞：自控儀表系統(tǒng);含硫天然氣凈化裝置;硫磺回收

中圖分類號(hào)：TE967 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）14-0134-03

Discussion on Application of Auto-control Instrument System in

Sulfur-containing Natural Gas Purification Unit

ZHANG Wei

（North I-1 Cryogenic Station of the Three Oil and Gas Processing Brigades of Natural Gas Branch of

Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing ?163453，China）

Abstract：In the process of purifying sulfur-containing natural gas，the automatic control instrument system plays an important role. Based on this，according to the different types of measurement，the specific applications of pressure measurement，liquid level detection，temperature measurement，flow measurement and on-line analysis of these field instruments in the sulfur-containing natural gas purification device are analyzed，and the control scheme of key links in the sulfur-containing natural gas purification device is expounded.

Keywords：automatic control instrument system;sulfur-containing natural gas purification unit;sulfur recovery

0 ?引 ?言

對(duì)于天然氣凈化裝置來(lái)說(shuō)，其主要對(duì)天然氣中的化學(xué)藥劑、游離水、固體雜質(zhì)、酸性組分等進(jìn)行去除，確保天然氣達(dá)到管輸要求。在天然氣凈化裝置中，自控儀表系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，其主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力、液位、溫度等參數(shù)的控制。在含硫天然氣凈化的過(guò)程中，由于其具有易燃易爆、腐蝕性強(qiáng)、高溫高壓等特性，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表有著不同的應(yīng)用要求。在這樣的情況下，相關(guān)人員要重點(diǎn)對(duì)含硫天然氣凈化裝置中自控儀表系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行關(guān)注。

1 ?含硫天然氣凈化裝置中現(xiàn)場(chǎng)儀表的具體應(yīng)用分析

1.1 ?基于壓力測(cè)量的儀表

就當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，壓力測(cè)量技術(shù)相對(duì)成熟，相關(guān)人員可以結(jié)合測(cè)量需求、測(cè)量環(huán)境等的不同進(jìn)行不同壓力測(cè)量?jī)x表的選擇與應(yīng)用。其中，若是需要完成就地測(cè)量，則可以使用彈簧管式壓力表;若是需要完成遠(yuǎn)程的壓力數(shù)據(jù)傳遞，則可以使用智能壓力、差壓變送器等等。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，可以使用隔膜壓力儀表完成實(shí)際的測(cè)量，而對(duì)于隔膜材質(zhì)，可以結(jié)合被測(cè)介質(zhì)的不同進(jìn)行針對(duì)性的選擇與應(yīng)用。例如，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為鹽酸時(shí)，隔膜材質(zhì)可以選用哈氏合金C-276;當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為含硫化氫時(shí)，隔膜材質(zhì)可以選用316L不銹鋼。

1.2 ?基于液位檢測(cè)的儀表

在含硫天然氣凈化裝置的現(xiàn)場(chǎng)儀表中，基于液位檢測(cè)的儀表普遍為差壓式液位計(jì)。差壓式液位計(jì)的測(cè)量原理更加簡(jiǎn)單，技術(shù)也相對(duì)成熟，因此在含硫天然氣凈化裝置中得到了更加廣泛的應(yīng)用。除此之外，差壓式液位計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)還有很多，包括對(duì)儀表維修養(yǎng)護(hù)人員的專業(yè)性要求不高、備件管理更加簡(jiǎn)單等等。就當(dāng)前的情況來(lái)看，差壓式液位計(jì)被普遍應(yīng)用于脫水、脫硫、硫磺的回收、公用單元的液位測(cè)量等環(huán)節(jié)。誠(chéng)然，差壓式液位計(jì)有著較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與使用范圍，但是也存在一定的不足。例如，差壓式液位計(jì)需要灌裝隔離液，當(dāng)脫硫單元中的溶液有嚴(yán)重的發(fā)泡現(xiàn)象時(shí)，液位測(cè)量的準(zhǔn)確性將有所下降。

相比較而言，智能扭力管浮筒液位計(jì)有著更加穩(wěn)定的性能，安裝方式也更加多樣。在一些重要的液位測(cè)量過(guò)程中，例如閃蒸塔液位測(cè)量、脫硫塔液位測(cè)量等，可以同時(shí)使用智能扭力管浮筒液位計(jì)與差壓式液位計(jì)，實(shí)現(xiàn)液位的對(duì)比檢測(cè)，進(jìn)一步提升液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。這種液位測(cè)量?jī)x表的性能較好，但是價(jià)格相對(duì)較高。

1.3 ?基于溫度測(cè)量的儀表

在含硫天然氣凈化裝置的現(xiàn)場(chǎng)儀表中，雙金屬溫度計(jì)是最常應(yīng)用的一種溫度測(cè)量?jī)x表。對(duì)于雙金屬溫度計(jì)來(lái)說(shuō)，其主要應(yīng)用了保護(hù)套管結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提升對(duì)性能的保護(hù)，在進(jìn)行管材質(zhì)的選擇時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際的工況完成，在一些必要的條件下，可以對(duì)保護(hù)管的外部展開處理，實(shí)現(xiàn)其抗腐蝕能力的提升。在硫磺的回收裝置中，其使用介質(zhì)的溫度相對(duì)較高，腐蝕性也更強(qiáng)，因此，必須要對(duì)雙金屬溫度計(jì)的外表展開防腐蝕處理。

對(duì)于主燃燒爐來(lái)說(shuō)，由于其溫度相對(duì)較高，所以對(duì)溫度測(cè)量?jī)x表的材質(zhì)、測(cè)量工藝等有著更多的要求。為了確保能夠?qū)χ魅紵隣t中的溫度展開準(zhǔn)確的測(cè)量，當(dāng)前普遍應(yīng)用非接觸式測(cè)溫儀表完成對(duì)溫度的測(cè)量，包括光學(xué)高溫計(jì)等等。誠(chéng)然，我國(guó)目前應(yīng)用的光學(xué)高溫計(jì)基本為進(jìn)口，所以有著較高的價(jià)格，但光學(xué)高溫計(jì)基本不需要后期維護(hù)，因此后期養(yǎng)護(hù)成本更低。在對(duì)主燃燒爐外部的表面溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，普遍應(yīng)用熱電偶完成溫度的檢測(cè);在對(duì)反應(yīng)器床層溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以應(yīng)用多點(diǎn)不同插深熱電偶測(cè)量完成不同床層溫度的檢測(cè)（一般選擇3點(diǎn)）[1]。

1.4 ?基于流量測(cè)量的儀表

在含硫天然氣凈化裝置中，基于流量測(cè)量的儀表主要完成了進(jìn)裝置原料氣以及出裝置產(chǎn)品氣的計(jì)量?，F(xiàn)階段，這樣的測(cè)量過(guò)程主要應(yīng)用了高級(jí)孔板閥計(jì)量完成。高級(jí)孔板閥計(jì)量能夠更好地滿足對(duì)于計(jì)量精確度的顯示需求，且支持不停機(jī)的維修檢查。在其他位置的流量測(cè)量，例如凈化裝置工藝參數(shù)的計(jì)量等，可以使用孔板法蘭、簡(jiǎn)易孔板、渦街流量計(jì)、均速管流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、楔形流量計(jì)等儀表完成。

對(duì)于天然氣凈化裝置的脫水單元來(lái)說(shuō)，由于其中包含的氣體氣流量相對(duì)較小，所以可以使用內(nèi)藏孔板流量計(jì)完成實(shí)際的測(cè)量，其主要原因在于這種類型的流量計(jì)的拆裝維護(hù)更加方便;對(duì)于天然氣凈化裝置的硫磺回收單元來(lái)說(shuō)，可以應(yīng)用進(jìn)口均速管流量計(jì)完成對(duì)風(fēng)機(jī)入口流量的測(cè)量;對(duì)硫磺回收單元來(lái)說(shuō)，由于主燃燒爐的工作壓力相對(duì)較低、要求的壓損相對(duì)較小，所以可以使用文丘里管流量計(jì)完成主燃燒爐中的酸氣、空氣的流量測(cè)量。需要注意的是，所有的流量裝置設(shè)計(jì)中，均要對(duì)節(jié)流件的尺寸進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，確保其能夠適應(yīng)壓差測(cè)量范圍。另外，由于進(jìn)口渦街流量計(jì)的測(cè)量精度更高、測(cè)量范圍更寬，所以比較適合應(yīng)用于對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性有更高要求的環(huán)節(jié)中，例如超級(jí)克勞斯工藝一、二、三級(jí)再熱爐的空氣及燃料氣計(jì)量等。

1.5 ?基于在線分析的儀表

對(duì)于在線分析儀表來(lái)說(shuō)，其主要完成了氣質(zhì)情況的第一時(shí)間分析，為后續(xù)的天然氣凈化操作提供了技術(shù)性的指導(dǎo)?，F(xiàn)階段，含硫天然氣凈化裝置中使用的在線分析儀表主要有以下幾種：

第一種是基于原料氣在線全分析的儀表，其主要完成了對(duì)原料氣組分的分析，為后續(xù)的凈化操作提供支持[2]。第二種是基于凈化天然氣硫化氫在線分析的儀表，其主要對(duì)凈化后天然氣中的硫化氫含量進(jìn)行分析，完成凈化氣合格性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為凈化操作的調(diào)整提供支持。第三種是基于產(chǎn)品天然氣水露點(diǎn)分析的儀表，其主要對(duì)完成脫水操作后產(chǎn)品氣的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，為凈化操作的調(diào)整提供支持。第四種是基于煙道氣含氧量分析的儀表，其主要參與了硫磺回收尾氣灼燒爐的配風(fēng)控制。第五種是基于尾氣二氧化硫含量分析的儀表，其主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)外排尾氣達(dá)標(biāo)情況的監(jiān)測(cè)，一旦凈化裝置出現(xiàn)異常，通過(guò)該儀表參數(shù)能夠直接發(fā)現(xiàn)。第六，基于氫含量分析的儀表，其主要應(yīng)用于斯科特尾氣處理裝置中，保證制氫爐反應(yīng)效果的良好。

2 ?含硫天然氣凈化裝置的重點(diǎn)環(huán)節(jié)控制方案分析

2.1 ?配風(fēng)控制

本文主要以超級(jí)克勞斯回收工藝為例，對(duì)含硫天然氣凈化裝置中主燃燒爐的配風(fēng)方案進(jìn)行說(shuō)明，如圖1所示是超級(jí)克勞斯回收工藝的流程簡(jiǎn)圖。

在該工藝流程簡(jiǎn)圖中，feed gas表示原料氣體;air表示助燃空氣;waste heat boiler表示余熱鍋爐;combustion chamber表示主助燃燒爐;condenser表示冷凝器;reheater表示再熱爐;reactor表示反應(yīng)器;incinerator表示灼燒爐;stack表示尾氣煙囪;QC H2S/SO2表示反饋控制器;FrC表示比率控制器。在其實(shí)際的運(yùn)行中，主要根據(jù)酸氣的流量完成配比控制，可以將配風(fēng)劃分為兩路，即主路配風(fēng)與支路配風(fēng)。其中，主路控制的空氣占總量的90%，支路實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余10%空氣的控制。支路配風(fēng)為選擇控制，即可以結(jié)合其中二氧化硫與硫化氫的比值、二氧化硫的含量完成控制。在主路配風(fēng)與支路配風(fēng)的共同作用下，可以實(shí)現(xiàn)配風(fēng)的精準(zhǔn)控制。

配風(fēng)控制的組態(tài)方式主要使用了功能塊圖構(gòu)建的方式，同時(shí)涉及到空氣流量以及酸氣流量的計(jì)量。為了進(jìn)一步確保配風(fēng)控制的精準(zhǔn)性，除了要用流量補(bǔ)償公式完成補(bǔ)償計(jì)算之外，還要對(duì)酸氣中的組分控制進(jìn)行考量。此時(shí)，能夠形成如圖2所示的配風(fēng)控制簡(jiǎn)圖。

在該控制簡(jiǎn)圖中，acid gas表示酸氣;main air表示主路配風(fēng);trim air表示支路配風(fēng);process gas表示過(guò)程氣;XC表示選擇控制器;ABC表示高級(jí)燃燒控制器。

2.2 ?反應(yīng)器切換控制

對(duì)于冷床吸附硫磺回收工藝來(lái)說(shuō)，反應(yīng)器的切換極為重要[3]。在反應(yīng)器切換的操作下，反應(yīng)器能夠不斷完成吸附與再生，確保了硫磺回收裝置的持續(xù)性運(yùn)行。對(duì)于切換程序來(lái)說(shuō)，其屬于典型的順控程序，可以將其劃分為不同的步驟，這些步驟均由不同的條件完成判斷。

利用程序控制閥，能夠使得多個(gè)冷床吸附反應(yīng)器完成吸收、再生的循環(huán)，保證了硫磺回收裝置的實(shí)際效率。流程切換主要由四個(gè)三通閥、三個(gè)兩通閥完成。在反應(yīng)器中，通過(guò)加設(shè)的床層溫度傳感器，能夠?qū)Ψ磻?yīng)步驟完成判斷。為了確保閥門切換的準(zhǔn)確程度，通常會(huì)在每一個(gè)程序控制閥門上加設(shè)閥位檢測(cè)開關(guān)。在切換程序的過(guò)程中，通過(guò)應(yīng)用DSC系統(tǒng)，能夠使得順控更加容易。在進(jìn)行編程的過(guò)程中，要重點(diǎn)結(jié)合冷床吸附硫磺回收的工藝步驟完成。在程序的強(qiáng)邏輯性支持下，維護(hù)管理更加方便。

2.3 ?重要設(shè)備控制

在含硫天然氣凈化裝置中，風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、溶液循環(huán)泵等為其中的重要設(shè)備。其中，風(fēng)機(jī)（硫磺回收裝置的風(fēng)機(jī)）主要應(yīng)用了進(jìn)口風(fēng)機(jī)，以保證其長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)運(yùn)行。通常情況下，風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、復(fù)位操作與緊急停車等，均由現(xiàn)場(chǎng)控制盤完成。在實(shí)際的風(fēng)機(jī)控制中，普遍使用了PLC控制，要結(jié)合實(shí)際的需求完成人機(jī)交互界面的配置。風(fēng)機(jī)控制著負(fù)荷調(diào)節(jié)、連鎖保護(hù)、一鍵式啟動(dòng)、防踹振控制等功能，同時(shí)，能夠在通信系統(tǒng)的支持下，將PLC采集到的數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)程傳輸至控制室。

對(duì)于溶液循環(huán)泵來(lái)說(shuō)，需要結(jié)合其實(shí)際功率的大小完成不同保護(hù)的配置。一般情況下，功率較大的電機(jī)、泵軸承溫度、電機(jī)繞組的溫度等由控制系統(tǒng)或是現(xiàn)場(chǎng)控制盤完成監(jiān)控。在這樣的配置下，能夠在高溫度、高振動(dòng)的條件下為設(shè)備提供有效的保護(hù)。

3 ?結(jié) ?論

綜上所述，在含硫天然氣凈化的過(guò)程中，由于其工藝具有易燃易爆、腐蝕性強(qiáng)、高溫高壓等特性，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表有著不同的應(yīng)用要求。通過(guò)應(yīng)用基于壓力測(cè)量的儀表、基于液位檢測(cè)的儀表、基于溫度測(cè)量的儀表、基于流量測(cè)量的儀表、基于在線分析的儀表，結(jié)合重點(diǎn)環(huán)節(jié)控制方案的實(shí)施，發(fā)揮出了自控儀表系統(tǒng)的作用，保證了含硫天然氣凈化裝置的運(yùn)行效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫明.自控儀表系統(tǒng)框架協(xié)議采購(gòu)策略之探析 [J].自動(dòng)化應(yīng)用，2018（10）：116-118.

[2] 李雨桐.天然氣凈化廠硫回收自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [D].成都：西南石油大學(xué)，2016.

[3] 陳世劍，鄭民，高進(jìn)，等.自控儀表系統(tǒng)在含硫天然氣凈化裝置應(yīng)用綜述 [J].儀器儀表用戶，2014，21（3）：19-22.

作者簡(jiǎn)介：張威（1987.11-），男，漢族，遼寧鳳城人，儀表技術(shù)員，助理工程師，2010年畢業(yè)于韓國(guó)光州大學(xué)經(jīng)營(yíng)管理專業(yè)，本科，研究方向：儀表自動(dòng)化。