PLC在气处理装置中的应用

天然气处理装置是油田中心处理站的关键环节，天然气处理自动化控制系统是提高天然气处理效率、降低能耗的关键。采用以PLC为核心的工艺过程自动监控系统，对所有的压缩机、阀门实现自动监控，根据工艺要求可以实时控制冷却器、分离器、干燥撬等设备。使天然气的温度、压力、含水含油指标均满足工业用气要求。本文以笔者参与的伊朗MIS油田地面建设项目，分析介绍天然气处理装置的自动控制。 1 项目概况及总体要求 从三相分离器、脱硫塔及储油罐等设备分离出来的天然气，先输送到集气器V-02620内，由于气体的压力基本等同于大气压，所以经过压缩机SK-03310的一级压缩后，将天然气从常压升高到0.15MPa。然后再通过二级压缩将压力进一步压缩到0.45MPa,此时的天然气无论品质及压力都不能满足外卖的要求，所以需要将增压后的天然气再经过低压气体分离器V-03360的进一步气水分离，将干燥后的天然气送到压缩机SK-03320内，继续增压到0.75MPa，增压后的天然气再通过外输分离器V-03330，进行进一步气水分离。分离出来的水送到轻烃分离器V-03340，干燥后的天然气外卖到用户端。其系统工艺流程图如图1所示。 2 控制系统硬件组成 （1）PLC控制系统 根据装置工作要求，选用性价比较高的西门子公司的S7-300系列可编程控制器构建控制系统。PLC中CPU采用CPU315-2DP，系统采用交流220V电源供电，主模板有16点数字量输入，用于检测控制命令和开关状态：16点数字量输出，用于各操作开关的控制、指示灯的状态显示；模拟量输人，将模拟测量信号转变为相应的数字量并被计算机所接收。控制系统共带有32个信号处理模块（15个DI，12个DO，5个AI）。 （2）监控站 监控站选用西门子工业控制计算机和高性能工业监控软件WinCC（视窗控制中心），完成整个系统的工艺流程、设备运行状态的显示和监控、实现曲线的显示、历史数据的保存、权限管理、操作查询、报警、打印等功能。 （3）仪表系统 仪表系统由压力及温度变送器、配电器、液位计、压力及液位开关、调节阀和紧急防空阀等构成，主要完成液位、压力、温度信号的获取和阀门的控制执行。 3 自动化软件设计 天然气处理装置自动化控制系统的软件包括上位机、下位机两部分。 3．1 上位机软件设计 上位机软件采用Windows2000操作系统，编程平台为WinCC5.1。上位机实现的功能为：数字显示天然气处理装置的液位、压力、温度、各设备的启动、停止、运行、故障等状态；可记录250条故障情况（故障时刻、故障类型等），方便进行事故分析；通过报表编辑器，实现相关信息输出打印。 3．2 下位机软件设计 下位机采用西门子公司开发的STEP 7 5.2软件对PLC进行编程和对PLC设备配置进行维护。编制的软件主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计、与上位机通讯的DB块的设计。STEP提供了具有生成标准导出功能块库或FC库能力的编程功能，能够在应用程序内一再调用。FC功能块的使用提高了程序的运行速度并且更加方便了软件的移植性和可扩展性。 4 系统实现功能 4．1 低压压缩机控制 在正常生产过程中，压缩机的一级压缩和二级压缩应协调运行，以保持压缩机的出口压力在预定值上，PLC系统应能够对压缩机运行状态进行分析，以实现预测性检修。当负载率较低，压缩机在低于额定工况下运转时，可通过PLC系统实现变频调速控制功能。 当工艺专业设定压缩机管网正常出口压力为p₁，而现场实际测定压力p₂，根据△p=p₁-p₂值的大小，由PLC系统内的PID功能模块进行PID运算，控制变频器来改变电机运转，达到所要求的压力。当△p>0时，即现场压力偏高，则提高变频器的输出频率，使电机转速加快，提高实际气压；当△p<0时，即现场压力偏低，则使转速降低。这样不断调整，使△p趋于0。现场实际压力在设定的压力附近波动，保证压力稳定。PLC实现压缩机出口压力单回路闭环PID控制以及压缩机的启动、停止、切换、故障处理等各种控制功能。 4．2 高压压缩机控制 从低压气体压缩机出来的压缩天然气在进入气液分离罐K-03320的过程中，应将天然气的温度及压力值送到PLC监视，管线上的压力开关PSLL-03321的低低联锁信号连接到PLC系统，当气液分离罐K-03320入口的天然气压力过低时，PLC系统将输出一个信号到高压压缩机SK-03320，停止压缩机的运行，以保护压缩机。压缩机SK-03320的运行状态及机械保护信号送PLC系统。当压缩机SK-03320出现故障或管线上的压力开关PSHH-03321高高联锁信号送到PLC系统后，PLC系统将紧急放空阀BDV-03312打开，将一级压缩后的天然气排放到放空分液罐SK-03810。然后再送到火炬系统燃烧。分离器K-03320上的液位开关LSHH-03321／LSLL-03321将在高液位时通过PLC系统打开排液阀LV-03321，将凝液排放到开排系统。控制系统如图2所示。 4．3 报警及故障自诊断 通过PLC内部程序设定报警及联锁保护，一旦出现故障，立即停止相应的操作，并发出相应的报警信号。 （1）压缩机的油压低、水压低等故障信号，可由现场防爆电接点压力表测得，直接送到PLC，由PLC控制实现声光报警和延时停车。 （2）增设现场振动传感器，并将信号送到PLC，对压缩机的运行状态进行显示和诊断。 5 设计体会 （1）采用变频控制后，实现了压缩机的软启动，减少了启动电流对电网的冲击，节电效果明显。 （2）采用PLC后，组成闭环自控系统，实现自动调节，运行更加稳定可靠。 （3）系统的可扩展性好。若压缩机在变频／工频供电方式下运行时，只需将增加的信息或信号引至PLC，即可实现整个系统的自动控制。 （4）压缩机的控制柜至电气的主电机启／停信号共用一个通道，非开即停，而电气部分开关柜的设计则需要两个脉冲信号，分别用来启／停主电机。 从安全角度看，电气部分的设计可以防止维护检查时主电机的误启动；从设备角度看，电气部分的设计可以防止继电器长时间带电动作，故利用PLC中的备用通道增加一路主电机停车信号，可避免上述隐故障。