低濃度含氧煤層氣凈化控制系統(tǒng)設(shè)計

肖 正

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)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(jié)能減排、轉(zhuǎn)型升級”的方針下,清潔能源的開發(fā)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(guī)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。現(xiàn)有的國內(nèi)外煤層氣濃縮技術(shù)都處于初級研發(fā)階段,主要技術(shù)有膜分離技術(shù)、變壓吸附技術(shù)和深冷分離技術(shù)[3-5]。其中,深冷分離技術(shù)的工藝和設(shè)備基于空分和天然氣液化技術(shù)發(fā)展而來,具有技術(shù)成熟且應(yīng)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(chǎn)品可以直接儲存運輸,減少了后期的液化工藝,經(jīng)濟性較好[6]。

作為工藝生產(chǎn)流程的神經(jīng)中樞,分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)的優(yōu)劣影響著自動化控制技術(shù)的水平。本文針對低濃度含氧煤層氣深冷液化凈化工藝設(shè)計了相對應(yīng)的DCS,并根據(jù)工藝要求確定了控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架。本文在考慮控制系統(tǒng)安全性、可靠性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上,對DCS軟件和硬件進行選型、軟件開發(fā)和組態(tài)設(shè)計,實現(xiàn)了DCS在工程實例中的一體化應(yīng)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(tǒng)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(xiàn)煤層氣深冷液化以及甲烷與其余物質(zhì)的分離,生產(chǎn)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(huán)境中進行精餾分離,因此需要利用制冷系統(tǒng)將含氧煤層氣冷卻到工藝要求的低溫狀態(tài)。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(chǎn)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(shè)備之前需要將含氧煤層氣中的高沸點組分脫除,以免設(shè)備在低溫條件下堵塞。同時,由于低溫換熱器為鋁制設(shè)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(guān)鍵部分。其凈化結(jié)果直接影響后續(xù)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(xù)穩(wěn)定運行必須有相應(yīng)的控制系統(tǒng)進行保障,且具有一定的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)能力,并能提高工藝過程的安全性和經(jīng)濟性。上述工藝單元都采用DCS進行控制,由安全儀表系統(tǒng)實現(xiàn)安全聯(lián)鎖功能。兩者共同作用,可確保整個工藝系統(tǒng)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(tǒng)總體方案

含氧煤層氣深冷液化凈化控制系統(tǒng)一方面要根據(jù)工藝要求進行控制設(shè)計,例如需要控制N-甲基二乙醇胺溶液的循環(huán)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(shè)備參數(shù)的要求,例如根據(jù)吸附塔尺寸大小、分子篩裝填量來進行時序控制程序的設(shè)計。上述控制需求包括單一參數(shù)控制,例如通過分子篩再生溫度來控制加熱器;包括函數(shù)控制,例如通過控制有機堿溶液循環(huán)量和濃度的匹配來使脫碳凈化系統(tǒng)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(shù)進行控制。上述控制包括開關(guān)量控制、模擬量控制、比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制等。根據(jù)上述分析,需要控制系統(tǒng)、控制硬件以及組態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)上述各類控制功能。

控制系統(tǒng)軟、硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟、硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖3中:分布式外圍設(shè)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(xiàn)場設(shè)備控制和數(shù)據(jù)交換,支持高速和實時通信,主要設(shè)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(shè)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(tǒng)、原料氣壓縮系統(tǒng)、脫碳系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、低溫精餾系統(tǒng)這5個單元。控制方案主要采用了順序控制、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(jiān)控。控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件這2個方面組成。

控制系統(tǒng)整體安全性、擴展性要求如下:模擬量控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需結(jié)合工藝設(shè)計特點滿足工況的運行要求,確保設(shè)備安全、穩(wěn)定運行,控制系統(tǒng)的有效利用率≥98%?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)配置高性能的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)過程控制?？刂葡到y(tǒng)硬件應(yīng)具有安全、可靠、穩(wěn)定的特點;系統(tǒng)軟件應(yīng)具有易組態(tài)、易操作、易擴展的特點,且充分體現(xiàn)分散布置、集中管理的設(shè)計理念。在整個系統(tǒng)發(fā)生通信、硬件故障和觸發(fā)停機條件時,要確保設(shè)備安全停機。

2 DCS硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)要求

系統(tǒng)硬件設(shè)計要求較高,任何控制系統(tǒng)硬件的可靠性和安全性是整套工藝設(shè)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(shè)計要求。

DCS應(yīng)在通信網(wǎng)絡(luò)、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(shù)據(jù)信息且運行狀態(tài)保持完全一致。若主/從處理器模塊發(fā)生故障將無擾切換,以保證系統(tǒng)正常運行?？刂乒駜?nèi)各電子元器件配有明顯標識。帶診斷功能的器件外殼須帶有發(fā)光二級管(light emitting diode,LED)指示。操作站監(jiān)控界面對于系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)應(yīng)具備故障報警和運行記錄功能。在物理安全層面,CPU模塊設(shè)計了失電保存數(shù)據(jù)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(yīng)有I/O工作狀態(tài)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(yīng)受機柜內(nèi)所處位置影響。在保證系統(tǒng)可靠、經(jīng)濟的前提下,模塊的種類應(yīng)盡量少,以減少備件、節(jié)省費用。系統(tǒng)I/O模塊采用低功耗的固態(tài)電路、標準模塊化架構(gòu),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(yè)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(yīng)配置封墊條,以提升抗射頻干擾能力。柜門上應(yīng)配有卸放靜電手環(huán)。針對機柜內(nèi)電子元件工作熱耗及需散熱的電源裝置,應(yīng)提供排氣風扇和內(nèi)部循環(huán)風扇。

2.2 硬件系統(tǒng)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(shù)字量輸入(digital input,DI)測點80個;數(shù)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(tǒng),與DCS通信進行數(shù)據(jù)交換。現(xiàn)場所有控制儀表模擬量信號經(jīng)過安全柵隔離后進入DCS。

控制系統(tǒng)測點如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)測點

系統(tǒng)配置如表2所示。

系統(tǒng)為冗余架構(gòu)?？刂破鰿PU、網(wǎng)絡(luò)、電源、部分重要模擬量信號模塊均按1∶1冗余設(shè)計。根據(jù)測點規(guī)模,DCS選用杭州和利時MACS5.2.3控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)配置1個控制站、2個操作員站(兼服務(wù)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(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計要求

DCS軟件具備上下位一體化的組態(tài)編程與調(diào)試功能,能夠按要求歸檔歷史數(shù)據(jù)和報表日志,并根據(jù)工藝需求自行增減條目?？刂葡到y(tǒng)具有開放性、標準化、系列化的設(shè)計特點。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上各臺操作站采用局域網(wǎng)方式通信,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)地址組態(tài)入網(wǎng),而不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。工程師操作站實現(xiàn)在線、離線條件下對算法組態(tài)的修改,且在任何工況下能夠在線監(jiān)控程序并實現(xiàn)無擾下裝。

3.2 軟件組態(tài)設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件組態(tài)是DCS設(shè)計的重要組成部分。DCS軟件一般由上位機監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件和控制器算法軟件構(gòu)成。這些部分均由1個軟件包安裝。監(jiān)控軟件通過專用傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與控制器算法軟件進行通信。系統(tǒng)軟件由組態(tài)軟件、操作員站軟件、控制站軟件和服務(wù)器軟件構(gòu)成。組態(tài)軟件包括設(shè)備組態(tài)、服務(wù)器算法組態(tài)、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫總控、控制器算法組態(tài)、報表組態(tài)等功能。操作員站軟件具有操作員權(quán)限,主要完成用戶對流程畫面、數(shù)據(jù)趨勢、功能參數(shù)設(shè)置、報警日志的查詢等畫面及功能的操作。服務(wù)器軟件對實時和歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行集中管理和監(jiān)控,為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)提供存儲和讀寫服務(wù)。

某工程項目的軟件組態(tài)實施方案如圖4所示。

圖4 軟件組態(tài)實施方案圖

組態(tài)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(shù)據(jù)庫總控功能中完成。大型控制系統(tǒng)配置多組服務(wù)器共同存儲數(shù)據(jù),將不同工藝單元的數(shù)據(jù)劃分成多個域。每個域可由獨立的服務(wù)器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和多個現(xiàn)場控制站組成。各域用域名區(qū)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(shè)備組態(tài)工具中完成。本文設(shè)備組態(tài)工具由設(shè)備模塊組態(tài)和I/O通道組態(tài)組成。組態(tài)采用樹形目錄架構(gòu)形式,以拓展出相關(guān)內(nèi)容?？刂葡到y(tǒng)默認服務(wù)器站號以0為起始往后擴展。單個現(xiàn)場控制站站號以10為起始、操作員站站號以50為基數(shù)往后擴展。相同通信協(xié)議、通信參數(shù)和端口的數(shù)據(jù)傳輸在完成系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)后,利用引入菜單功能將設(shè)備組態(tài)生成的模塊數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為圖形化的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

③數(shù)據(jù)庫組態(tài)。

項目的數(shù)據(jù)庫組態(tài)在數(shù)據(jù)庫總控功能中完成。其定義和編輯系統(tǒng)各站的變量信息,以建立數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)類型分為實際I/O點和中間量點。實際I/O點即通過現(xiàn)場控制站對現(xiàn)場儀表設(shè)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(shù)據(jù)庫中沒有相關(guān)物理信息的內(nèi)部變量點,從而起到傳遞數(shù)值的作用。數(shù)據(jù)庫的編譯是在設(shè)備組態(tài)自檢語法沒有錯誤的前提下進行數(shù)據(jù)庫基本編譯,從而生成控制器算法文件。通過這種方式,數(shù)據(jù)庫中錄入的站點信息被聯(lián)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(tài)。

DCS控制策略生成工具提供豐富的功能塊函數(shù)算法庫,如國際標準化運算符、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)、定時功能、置位復(fù)位器、計數(shù)器功能函數(shù)、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(jù)需求,利用豐富的庫函數(shù)定義功能函數(shù),以便算法程序的調(diào)用,從而實現(xiàn)批處理流程、PID回路、復(fù)雜回路、邏輯回路的優(yōu)化。針對系統(tǒng)的二次開發(fā),用戶可根據(jù)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(tǒng)中以供調(diào)用。

3.3 工程下裝和調(diào)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(tǒng)在運行后需特別注意:若系統(tǒng)正常運行后,禁止對程序進行更新和優(yōu)化工作,以減少出現(xiàn)失誤操作導致安全生產(chǎn)受威脅的概率。在生產(chǎn)過程如需程序修改并下裝,則必須得到有關(guān)技術(shù)部門和生產(chǎn)部門的書面確認,并做好突發(fā)事件的預(yù)案。系統(tǒng)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(tài)和操作權(quán)限

圖形組態(tài)是結(jié)合工藝流程圖來編輯流程圖監(jiān)控畫面的工具。在系統(tǒng)總畫面、各工藝單元流程畫面和設(shè)備工況畫面中的測點數(shù)據(jù)信息,通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(internet protocol,IP)地址與服務(wù)器通信,將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)采集到監(jiān)控畫面的相應(yīng)位置,以實現(xiàn)檢測現(xiàn)場的實時參數(shù)傳輸、在線整定和目標數(shù)值設(shè)置、查看實時/歷史趨勢及報表和日志數(shù)據(jù)等功能。監(jiān)控系統(tǒng)可分為3個操作權(quán)限等級,分別為工程師、操作員和監(jiān)視級別。每個等級都有不同的操作范圍。監(jiān)視級別權(quán)限只能瀏覽頁面,沒有任何修改權(quán)限。操作員權(quán)限可以操作畫面,滿足日常所需控制功能。工程師權(quán)限可設(shè)置重要工況參數(shù)。生產(chǎn)運行期間需嚴格遵行角色權(quán)限,以實施對應(yīng)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(shù)及DCS都取得了較好的應(yīng)用價值。在脫除酸性氣體方面,N-甲基二乙醇胺循環(huán)量、濃度以及脫酸裝置的壓力溫度等參數(shù)均實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié),可根據(jù)原料氣流量及其中酸性氣體的含量,通過函數(shù)控制方式自動調(diào)節(jié)相應(yīng)的閥門和補液設(shè)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(wěn)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(wěn)定運行值為3×10-6,H2S濃度超過20×10-6時報警。系統(tǒng)在考核期間穩(wěn)定運行,控制設(shè)備及控制系統(tǒng)能根據(jù)工況的變化自動進行調(diào)整,無需人工干預(yù)。在脫水方面,脫水系統(tǒng)根據(jù)事先定義好的時間控制程序運行,并根據(jù)實際情況對時序程序中的時間參數(shù)進行調(diào)整。脫水系統(tǒng)在考核期間穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)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(yù)。系統(tǒng)運行期間凈化后原料氣H2O含量在(1～10)×10-6之間波動,穩(wěn)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(jié)論

DCS是現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域的主流發(fā)展方向。DCS具有技術(shù)成熟、安全可靠、經(jīng)濟性好的特點。本文根據(jù)低濃度含氧煤層氣深冷液化制LNG工藝要求,設(shè)計了對應(yīng)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(chǔ)上搭建了DCS架構(gòu)。其次,本文根據(jù)低濃度含氧煤層氣深冷液化凈化控制系統(tǒng)的硬件要求,采用控制器單元、電源單元和網(wǎng)絡(luò)單元三冗余的總線型拓撲架構(gòu),并對現(xiàn)場控制站控制器單元采用冗余設(shè)計,完成了DCS的硬件系統(tǒng)設(shè)計。最后,本文對DCS軟件的配置和組態(tài)進行設(shè)計,實現(xiàn)了DCS在工程實例中的一體化應(yīng)用。項目經(jīng)過實際投產(chǎn)運行,生產(chǎn)出的LNG產(chǎn)品各項數(shù)據(jù)指標均達到設(shè)計要求。DCS可實現(xiàn)各項控制功能,確保系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行。