低浓度含氧煤层气净化控制系统设计

肖 正

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

0 引言

在“节能减排、转型升级”的方针下,清洁能源的开发利用越来越受到重视[1]。我国埋深煤层气资源储量达31万亿立方米,占世界排名前12位国家资源总量的13%[2],与常规天然气资源量相当。目前,煤层气含量的波动和低值严重影响了煤层气的综合利用。现有的国内外煤层气浓缩技术都处于初级研发阶段,主要技术有膜分离技术、变压吸附技术和深冷分离技术[3-5]。其中,深冷分离技术的工艺和设备基于空分和天然气液化技术发展而来,具有技术成熟且应用于煤层气提纯时不需要使用特殊材料的特点。其只需要解决混合气体爆炸危险问题就可以满足要求。深冷分离法产品可以直接储存运输,减少了后期的液化工艺,经济性较好[6]。

作为工艺生产流程的神经中枢,分布式控制系统(distributed control system,DCS)的优劣影响着自动化控制技术的水平。本文针对低浓度含氧煤层气深冷液化净化工艺设计了相对应的DCS,并根据工艺要求确定了控制系统的总体构架。本文在考虑控制系统安全性、可靠性和经济性的基础上,对DCS软件和硬件进行选型、软件开发和组态设计,实现了DCS在工程实例中的一体化应用。

1 煤层气深冷液化净化单元总体方案

1.1 总体工艺流程

低浓度含氧煤层气深冷液化工艺装置如图1所示。

图1 低浓度含氧煤层气深冷液化工艺装置示意图

低浓度含氧煤层气深冷液化工序包括压缩、净化、液化与分离、液化天然气(liquefied natural gas,LNG)储存以及自动控制系统和在线分析[7-9]。其中,液化与分离又包括流程工艺和制冷工艺。流程工艺实现煤层气深冷液化以及甲烷与其余物质的分离,生产LNG。制冷工艺提供深冷液化所需要的冷量。上述工艺的核心是利用含氧煤层气中各组分沸点不同的特点,在低温条件下采用精馏手段将甲烷分离出来。含氧煤层气中的主要组分甲烷、氮气和氧气的沸点都很低,需要在-140 ℃以下的低温环境中进行精馏分离,因此需要利用制冷系统将含氧煤层气冷却到工艺要求的低温状态。与此同时,甲烷常压下的沸点为-161.5 ℃,在低温条件下分离含氧煤层气的同时将分离出来的甲烷液化即得到LNG产品。由于含氧煤层气的分离过程为低温过程,因此要求加入低温设备之前需要将含氧煤层气中的高沸点组分脱除,以免设备在低温条件下堵塞。同时,由于低温换热器为铝制设备,需要将对铝有腐蚀性的汞事先脱除。含氧煤层气中的高沸点组分为酸性气体和水分,需要通过脱酸和干燥将其脱除,并使其能满足深冷工艺的要求。因此,净化工艺也是含氧煤层气深冷液化利用工艺中的关键部分。其净化结果直接影响后续液化分离工艺过程能否正常运行。

整个装置核心工艺包括含氧煤层气净化和深冷液化这2个单元。含氧煤层气净化单元包括脱碳、脱水及脱汞单元。工艺过程的连续稳定运行必须有相应的控制系统进行保障,且具有一定的适应性和调节能力,并能提高工艺过程的安全性和经济性。上述工艺单元都采用DCS进行控制,由安全仪表系统实现安全联锁功能。两者共同作用,可确保整个工艺系统的安全性和可靠性。

综上所述,低浓度含氧煤层气深冷液化工艺过程如图2所示。

图2 低浓度含氧煤层气深冷液化工艺过程图

1.2 控制系统总体方案

含氧煤层气深冷液化净化控制系统一方面要根据工艺要求进行控制设计,例如需要控制N-甲基二乙醇胺溶液的循环量、浓度、分子筛再生温度、吸附压力、再生压力等,同时还要满足设备参数的要求,例如根据吸附塔尺寸大小、分子筛装填量来进行时序控制程序的设计。上述控制需求包括单一参数控制,例如通过分子筛再生温度来控制加热器;包括函数控制,例如通过控制有机碱溶液循环量和浓度的匹配来使脱碳净化系统效果最佳、能耗最低;包括时间控制,例如脱水单元的时序控制就是以时间为参数进行控制。上述控制包括开关量控制、模拟量控制、比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制等。根据上述分析,需要控制系统、控制硬件以及组态能够实现上述各类控制功能。

控制系统软、硬件网络架构如图3所示。

图3 控制系统软、硬件网络架构图

图3中:分布式外围设备(decentralized peripherals,DP)/过程自动化(process automation,PA)连接器中的DP连接器主要用于现场设备控制和数据交换,支持高速和实时通信,主要设备包括可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)。PA连接器主要用于过程控制和连接仪表设备,通信速率低。

通过对低浓度含氧煤层气深冷液化工艺分析和研究,可将整个工序主要分为压缩计量系统、原料气压缩系统、脱碳系统、脱水系统、低温精馏系统这5个单元。控制方案主要采用了顺序控制、PID控制、比值控制、连锁控制等方法,以完成整个工艺流程的测点远程监控。控制系统主要由硬件和软件这2个方面组成。

控制系统整体安全性、扩展性要求如下:模拟量控制系统、顺序控制系统、数据采集系统需结合工艺设计特点满足工况的运行要求,确保设备安全、稳定运行,控制系统的有效利用率≥98%。控制系统应配置高性能的工业以太网络及控制处理单元、过程输入/输出(input/output,I/O)模块、人机接口单元和过程控制软件等来完成面向过程级别的生产过程控制。控制系统硬件应具有安全、可靠、稳定的特点;系统软件应具有易组态、易操作、易扩展的特点,且充分体现分散布置、集中管理的设计理念。在整个系统发生通信、硬件故障和触发停机条件时,要确保设备安全停机。

2 DCS硬件设计

2.1 硬件系统要求

系统硬件设计要求较高,任何控制系统硬件的可靠性和安全性是整套工艺设备正常运行的先决条件。本文重点叙述中央处理器(central processing unint,CPU)模块、I/O功能模块、电源、机柜散热等硬件单元设计要求。

DCS应在通信网络、电源适配单元、CPU模块进行冗余配置,搭载独立并行接口,能进行单独的修改、下装和上传程序。互为主从的冗余CPU模块实时同步更新数据信息且运行状态保持完全一致。若主/从处理器模块发生故障将无扰切换,以保证系统正常运行。控制柜内各电子元器件配有明显标识。带诊断功能的器件外壳须带有发光二级管(light emitting diode,LED)指示。操作站监控界面对于系统冗余数据应具备故障报警和运行记录功能。在物理安全层面,CPU模块设计了失电保存数据功能。为防止程序意外丢失,需配置专用后备电池[10]。

所有I/O模块应有I/O工作状态的LED指示。各模块均能热拔插,即带电插拨而不影响其他模块正常工作。模块编址不应受机柜内所处位置影响。在保证系统可靠、经济的前提下,模块的种类应尽量少,以减少备件、节省费用。系统I/O模块采用低功耗的固态电路、标准模块化架构,以提高扩展性能。所有模块均具有自诊断、热拔插功能。冗余电源一路来自不间断电源(uninterruptible power supply,UPS),另一路来自工业电源。两路电源波动范围分别为220 V±10%、50±1 Hz[11-12]。配电机柜应配置封垫条,以提升抗射频干扰能力。柜门上应配有卸放静电手环。针对机柜内电子元件工作热耗及需散热的电源装置,应提供排气风扇和内部循环风扇。

2.2 硬件系统配置

低浓度气体净化工艺流程中共有300个DCS测量控制点。其中:模拟量输入(analog input,AI)测点140个;模拟量输出(analog output,AO)测点30个;数字量输入(digital input,DI)测点80个;数字量输出(digital output,DO)测点50个。测点余量按15%备用。压缩机自成独立PLC系统,与DCS通信进行数据交换。现场所有控制仪表模拟量信号经过安全栅隔离后进入DCS。

控制系统测点如表1所示。

表1 控制系统测点

系统配置如表2所示。

系统为冗余架构。控制器CPU、网络、电源、部分重要模拟量信号模块均按1∶1冗余设计。根据测点规模,DCS选用杭州和利时MACS5.2.3控制系统。该控制系统配置1个控制站、2个操作员站(兼服务器)、1个工程师站、1面配电柜、1面安全栅柜、1面安全仪表柜和1面I/O控制柜。

3 DCS软件设计

3.1 控制系统软件设计要求

DCS软件具备上下位一体化的组态编程与调试功能,能够按要求归档历史数据和报表日志,并根据工艺需求自行增减条目。控制系统具有开放性、标准化、系列化的设计特点。系统网络上各台操作站采用局域网方式通信,以实现数据采集与读取。当需要增加新的操作站时,可将新增计算机通过以太网地址组态入网,而不影响系统其他计算机的工作。工程师操作站实现在线、离线条件下对算法组态的修改,且在任何工况下能够在线监控程序并实现无扰下装。

3.2 软件组态设计

控制系统软件组态是DCS设计的重要组成部分。DCS软件一般由上位机监控软件、数据服务器软件和控制器算法软件构成。这些部分均由1个软件包安装。监控软件通过专用传输协议、网络架构与控制器算法软件进行通信。系统软件由组态软件、操作员站软件、控制站软件和服务器软件构成。组态软件包括设备组态、服务器算法组态、图形组态、数据库总控、控制器算法组态、报表组态等功能。操作员站软件具有操作员权限,主要完成用户对流程画面、数据趋势、功能参数设置、报警日志的查询等画面及功能的操作。服务器软件对实时和历史数据库中的数据进行集中管理和监控,为网络构架各环节数据提供存储和读写服务。

某工程项目的软件组态实施方案如图4所示。

图4 软件组态实施方案图

组态过程如下。

①新建工程。

新建工程是建立1个项目的信息,在数据库总控功能中完成。大型控制系统配置多组服务器共同存储数据,将不同工艺单元的数据划分成多个域。每个域可由独立的服务器、系统网络和多个现场控制站组成。各域用域名区别开,并通过域间变量相互引用。

②硬件配置。

项目的硬件配置在设备组态工具中完成。本文设备组态工具由设备模块组态和I/O通道组态组成。组态采用树形目录架构形式,以拓展出相关内容。控制系统默认服务器站号以0为起始往后扩展。单个现场控制站站号以10为起始、操作员站站号以50为基数往后扩展。相同通信协议、通信参数和端口的数据传输在完成系统设备组态后,利用引入菜单功能将设备组态生成的模块数据信息转化为图形化的系统网络图。

③数据库组态。

项目的数据库组态在数据库总控功能中完成。其定义和编辑系统各站的变量信息,以建立数据库。数据类型分为实际I/O点和中间量点。实际I/O点即通过现场控制站对现场仪表设备等进行交互的外部物理点。中间量点则是通过计算处理后得到的数据库中没有相关物理信息的内部变量点,从而起到传递数值的作用。数据库的编译是在设备组态自检语法没有错误的前提下进行数据库基本编译,从而生成控制器算法文件。通过这种方式,数据库中录入的站点信息被联合编译到控制器算法软件中,为控制器算法的搭建提供变量信息。

④控制器算法组态。

DCS控制策略生成工具提供丰富的功能块函数算法库,如国际标准化运算符、数据类型转换函数、定时功能、置位复位器、计数器功能函数、PID控制功能模块、分层控制功能模块、顺序时序控制功能模块等。用户可根据需求,利用丰富的库函数定义功能函数,以便算法程序的调用,从而实现批处理流程、PID回路、复杂回路、逻辑回路的优化。针对系统的二次开发,用户可根据自身能力采用6种面向问题的高级编程语言编制符合需求的控制功能模块并封装嵌入到系统中以供调用。

3.3 工程下装和调试

编译下装是将程序等检索无误后把控制方案文件下载到主控制器的过程。系统在运行后需特别注意:若系统正常运行后,禁止对程序进行更新和优化工作,以减少出现失误操作导致安全生产受威胁的概率。在生产过程如需程序修改并下装,则必须得到有关技术部门和生产部门的书面确认,并做好突发事件的预案。系统下装必须由具备担任此项工作的能力的人负责和实施。工程项目下装流程如图5所示。

图5 工程项目下装流程图

3.4 图形组态和操作权限

图形组态是结合工艺流程图来编辑流程图监控画面的工具。在系统总画面、各工艺单元流程画面和设备工况画面中的测点数据信息,通过互联网协议(internet protocol,IP)地址与服务器通信,将数据库中的数据采集到监控画面的相应位置,以实现检测现场的实时参数传输、在线整定和目标数值设置、查看实时/历史趋势及报表和日志数据等功能。监控系统可分为3个操作权限等级,分别为工程师、操作员和监视级别。每个等级都有不同的操作范围。监视级别权限只能浏览页面,没有任何修改权限。操作员权限可以操作画面,满足日常所需控制功能。工程师权限可设置重要工况参数。生产运行期间需严格遵行角色权限,以实施对应操作。

4 运行效果分析

实际装置的运行情况表明,含氧煤层气净化技术及DCS都取得了较好的应用价值。在脱除酸性气体方面,N-甲基二乙醇胺循环量、浓度以及脱酸装置的压力温度等参数均实现了自动调节,可根据原料气流量及其中酸性气体的含量,通过函数控制方式自动调节相应的阀门和补液设备。装置实际运行中净化后,原料气中:CO2含量在(30～120)×10-6之间波动,稳定运行值为55×10-6,当CO2浓度超过200×10-6时报警;H2S浓度在(1～10)×10-6之间波动,稳定运行值为3×10-6,H2S浓度超过20×10-6时报警。系统在考核期间稳定运行,控制设备及控制系统能根据工况的变化自动进行调整,无需人工干预。在脱水方面,脱水系统根据事先定义好的时间控制程序运行,并根据实际情况对时序程序中的时间参数进行调整。脱水系统在考核期间稳定运行。该系统由20只程控阀自动切换控制,以8 h为1个周期,无需人工干预。系统运行期间净化后原料气H2O含量在(1～10)×10-6之间波动,稳定运行时H2O含量小于4×10-6。当H2O含量超过15×10-6时报警。

5 结论

DCS是现代工业控制领域的主流发展方向。DCS具有技术成熟、安全可靠、经济性好的特点。本文根据低浓度含氧煤层气深冷液化制LNG工艺要求,设计了对应的DCS。首先,本文在充分分析低浓度含氧煤层气深冷液化净化过程中的胺液脱酸、分子筛脱水和脱汞的工艺流程的基础上搭建了DCS架构。其次,本文根据低浓度含氧煤层气深冷液化净化控制系统的硬件要求,采用控制器单元、电源单元和网络单元三冗余的总线型拓扑架构,并对现场控制站控制器单元采用冗余设计,完成了DCS的硬件系统设计。最后,本文对DCS软件的配置和组态进行设计,实现了DCS在工程实例中的一体化应用。项目经过实际投产运行,生产出的LNG产品各项数据指标均达到设计要求。DCS可实现各项控制功能,确保系统安全、可靠、稳定运行。