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STRENGTHEN ENTERPRISES WITH SCIENCE AND TECHNOLOGY
把握大勢 · 以科技強企業摘要：重慶天然氣凈化總廠作為我國天然氣凈化工業的“搖籃”，經過40多年的發展壯大，現擁有天然氣凈化裝置12套，年處理天然氣能力超過1?010如。件隨著自動化技術飛速發展，天然氣凈化行業儀表經歷了現場儀表從氣動儀表到智能儀表，自控儀表系統由單元組合儀表到先進的集散控制系統、緊急停車系統、火災氣體監測系統的發展歷程。自控技術經過多年的發展趨于先進、穩定、成熟。本文對含硫天然氣凈化廠自控儀表系統的特點進行闡述，提出一些寶貴的經驗供同行參考。
關鍵詞：自控系統，天然氣凈化；硫磺回收裝置
0引言
天然氣凈化裝置主要是除去原料天然氣中夾帶的化學藥劑、烴類、游離水、固體雜質，并脫除酸性組分，如硫化氫、二氧化碳，凈化后天然氣進一步脫水達到管輸要求，將脫除的硫化氫反應生產硫磺進行回收，達到環保排放要求，同時配置了一些公用系統如污水處理、蒸汽、新鮮水和循環水、空氮、工廠風儀表風、燃料氣。天然氣凈化工藝技術較為成熟，脫除天然氣中的酸性組分主要采用化學溶劑吸收法、物理溶劑吸收法。脫水的工藝主要有三甘醇脫水、分子篩脫水等。硫磺回收主要有常規克勞斯工藝、冷床吸附（CBA）工藝、超級克勞斯（Super Claus）工藝、低溫克勞斯吸附（MCRC）、中國石油硫磺（CPS）回收技術等。
天然氣凈化裝置自控儀表系統發展至今，現場儀表同其他化工行業一樣，實現對壓力、溫度、液位、流量參數的測量與控制，由于天然氣凈化工藝高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕性強的特殊性，對現場儀表的要求有所不同。中央控制系統采用常規DCS、ESD、F&GS組合方式實現對裝置的監視控制、聯鎖保護、火災氣體檢測系統。
復雜設備的控制、保護基本采用就地PLC控制盤方式，通常配置液晶現場觸摸顯示屏作為人機界面。重要參數通過數字通訊方式在控制室集中顯示，這類設備有硫磺回收裝置主風機、硫磺回收主燃燒爐點火控制盤、溶液循環泵、鍋爐燃燒機、公用單元控制站等。
下面分別從現場儀表、控制系統、重要控制方案、在線分析儀介紹含硫天然氣凈化裝置的儀表系統特點。
1現場儀表
根據天然氣凈化工藝的特殊性現場儀表地選擇有一定的特殊要求。儀表材質要求。由于原料天然氣含有較高濃度的H2S和CO2，有較強的腐蝕性，在與介質接觸傳感器的材質方面必須具有抗H2S和CO2的腐蝕：硫磺回收裝置的過程氣溫度較高，高溫下腐蝕性更強，并且過程氣中的SO2容易與過程氣中的水生成H2SO3，具極強的腐蝕性，傳感器必須能耐腐蝕；在吸收再生系統中，吸收溶劑胺液具有堿性，就要求傳感器具有抗堿腐蝕的能力。
現場儀表的特點如下：
1）壓力測量類儀表，壓力測量技術成熟，就地測量選擇彈簧管式壓力表，需要遠傳選擇智能壓力、差壓變送器。被測介質腐蝕性強選擇隔膜壓力儀表，隔膜的材質可以根據被測介質進行有針對性的選擇，如，測量鹽酸選擇哈氏合金C-276，測量含硫化氫介質選擇316L不銹鋼。
2）液位檢測儀表，差壓式液位計原理簡單，技術成熟。在天然氣凈化裝置應用比較廣泛，備件易于管理，使用維護對儀表維護人員要求不高。因此，差壓式液位計廣泛用于脫硫、脫水、硫磺回收、公用單元的液位測量。缺點是需要灌裝隔離液，在脫硫單元溶液出現發泡時將嚴重影響到液位的測量。智能扭力管浮筒液位計性能穩定、安裝方式多樣，可以用于重要液位測量場合和差壓式液位計作對比檢測，如脫硫塔液位、閃蒸塔液位，但價格略貴。
3）溫度測量儀表，測溫儀表現場就地指示選擇雙金屬溫度計，采用保護套管結構，保護管材質結合工藝介質工況選擇，必要時保護管外做表面處理以提高抗腐蝕能力。硫磺回收裝置介質溫度較高、腐蝕性強。主燃燒爐爐膛溫度測量選擇B、S分度號高溫熱電偶，保護管材質結構及安裝都直接關系熱電偶的使用壽命。工藝操作也是影響使用壽命的重要因素。同時爐膛溫度采用非接觸式測溫儀表進行檢測，光學高溫計多采用進口產品，價格貴，使用方法得當基本免維護。主燃燒爐外表面采用表面熱電偶進行溫度檢測。反應器床層溫度采用多點（通常情況3點）不同插深熱電偶測量不同床層溫度。
4）流量測量儀表，凈化裝置進裝置原料氣、出裝置產品氣計量通常采用高級孔板閥計量，達到計量精度的要求，實現不停產維護檢查。其他流量測量可以使用簡易孔板、孔板法蘭、轉子流量計、渦街流量計、電磁流量計、均速管流量計、楔形流量計對工藝參數計量。根據不同的場合選擇不同類型流量計。脫水單元汽提氣流量因為量小，內藏孔板式流量計拆裝維護方便比較適合。硫磺回收單元風機入口流量選擇進口均速管流量計比較適合，硫磺回收主燃燒爐的空氣、酸氣流量因為工作壓力低、要求壓損小，文丘里管流量計比較適合，但設計上應考慮節流件尺寸便于合適的壓差測量范圍。對于超級克勞斯工藝一、二、三級再熱爐的燃料氣和空氣都要求計量準確。渦街流量計因測量范圍寬、精度高是不錯地選擇。
2控制系統
控制系統更新、發展主要包括軟件和硬件兩個方面。軟件伴隨著操作系統的更新后升級換代，系統硬件性能則伴隨著電子技術、自控技術、通訊技術發展而日新月異。
1998年長壽分廠采用美國霍尼韋爾TDC3000軟硬件系統，操作系統為DOS操作系統，2000年墊江分廠技術改造采用Windows3.2中文操作系統，和利時HS2000軟硬件。2001年引進分廠、2002年渠縣分廠技術改造采用WindowsNT4.0中文操作系統，軟硬件則采用北京和利時MACA Ⅱ控制系統。這一階段中央控制室全部為DCS完成所有的過程控制、聯鎖保護、火災氣體檢測功能。
2005年新建忠縣分廠控制系統采用霍尼韋爾PKS+FSC控制系統，控制系統分為兩部分，PKS主要用于過程控制，FSC用于聯鎖保護，操作系統為Windows2000操作系統。2008年引進分廠、墊江分廠、渠縣分廠升級改造，緊急停車系統（ESD）從常規DCS系統中獨立：火災氣體檢測（F&GS）從常規DCS系統中獨立.
2008年新建大竹分廠、2009年新建萬州分廠、2009年川中油氣礦新建龍崗凈化廠、2010年長壽分廠DCS系統升級均采用霍尼韋爾PKS+SM系統，操作系統為Windows XP、Windows2003 server。F&GS系統為獨立的一套監控系統。2013年忠縣分廠控制系統安全隱患治理，也采用霍尼韋爾PKS+SM系統，操作系統因Windows XP停產，也采用Windows 7專業版、Windows：2008 Server版操作系統。
天然氣凈化處理裝置DCS系統采用國產系統或進口系統。國產系統以和利時、浙大中控為主：引進系統主要有霍尼韋爾、福克斯被羅、艾默生、西門子等。國產系統價格相對較低、軟件功能比較完善，組態界面、操作界面為中文易于掌握，但硬件的穩定性離進口系統仍有一定的差距：進口系統軟件系統龐大，界面相對復雜，除一些描述性內容可以為中文，基本都是英文，組態的難度相對大一些，一旦工程組態調試完畢使用起來還是很方便的，進口系統價格稍貴。
緊急停車系統基本都為進口產品，主要有霍尼韋爾、德國黑馬、TRICON，采用冗余容錯技術，硬件與軟件技術都十分成熟，對于以脫硫為主的天然氣凈化裝置緊急停車系統主要實現：
1）過濾分離、脫硫、脫水單元的聯鎖保護。即壓力超高放空、脫硫塔、脫水塔低液位聯鎖保護，確保設備的安全以及天然氣凈化脫硫的質量。
2）硫磺回收裝置主燃燒爐、灼燒爐的點火程序及硫磺回收裝置的聯鎖保護。如果采用超級克勞斯回收工藝，還包括各級再熱爐、克勞斯反應爐的點火程序及熄火保護。
3）若有斯科特尾氣處理裝置，還包含制氫反應爐的點火程序及熄火保護。
由于緊急停車系統只配置工程師站進行控制方案組態、調試。控制方案的設計與組態顯得非常重要，所以，要求工程師組態徹底掌握設計方案，組態人員要具有豐富的程序設計經驗。
3重要控制方案
天然氣凈化裝置的控制大部分為簡單控制回路。控制裝置的壓力、液位、溫度、流量。脫硫單元再生塔塔頂溫度控制為串級回路，酸氣分液罐壓力控制為分程控制。其他復雜回路主要集中在硫磺回收裝置中，如酸水分液罐的液位控制、主燃燒爐的配風控制、廢熱鍋爐的液位控制及灼燒爐的配風控制。冷床吸附工藝
（CBA）反應器切換是典型的順控程序，硫磺回收主風機的控制屬于順控與邏輯控制相結合的控制方式，下面進行簡要介紹。
3.1配風控制
首先以超級克勞斯回收工藝為例，說明主燃燒爐的配風控制方案，包含了主要的設備及流程。
主燃燒爐的配風控制對于硫磺回收裝置來說至關重要，直接影響硫收率的高低。主要原理為，根據酸氣的流量進行配比控制，配風分為兩路，一路為主路空氣控制需要空氣占總量約90%，支路配風完成剩余約10%的空氣控制。
支路配風為選擇控制，可以根據尾氣中硫化氫含量或者硫化氫與二氧化硫的比值進行控制。兩路配風實現了主爐粗調、支路細調從而達到精確控制的目的，當然過程氣中硫化氫與二氧化硫在線分析數據的及時性與準確性對配風控制影響也非常重要。配風控制組態方式基本采用功能塊圖搭建的方式，涉及到酸氣流量、空氣流量計量，為了控制準確還用了流量補償公式計算進行補償。為了實現精確控制，還考慮了酸氣中的組分考慮進控制方案。
因硫磺回收控制方案的重要性，近些年來設計單位在控制方案上不斷改進、優化，利用DCS系統豐富多樣的功能實現復雜控制方案，如配風控制采用采樣控制方式等，收到了一定的效果。針對配風控制，CPE西南分公司為了簡化組態工作，還推出了模塊化的控制方案。
3.2反應器切換控制
在冷床吸附（CBA）硫磺回收工藝中，反應器的切換是非常重要的程序。通過反應器的切換使反應器不斷進行吸附和再生，從而保證回收裝置的連續運行同。切換程序是一個典型順控程序。分為多個步驟，每個步驟都有一些條件地判斷。
通過對程序控制閥地控制，實現3個CBA反應器的吸附、再生循環工作保證硫磺回收裝置的收率。主要儀表有4個三通閥和3個兩通閥進行流程切換。反應器設備上安裝有床層溫度傳感器進行步驟地判斷。為保證閥的正確切換，每臺程控閥安裝有閥位檢測開關。切換程序利用DCS系統的順控功能實現起來較為容易。程序編程按照工藝步驟進行設置，結合語言進行編程，程序邏輯性強，易于讀懂和維護管理。
3.3重要設備控制
天然氣凈化裝置重要設備主要有溶液循環泵、回收裝置的風機、蒸汽鍋爐、空壓機等。溶液循環泵視功率的大小配置有不同的保護。通常大功率電機與泵軸承溫度、電機繞組溫度、振動進入控制系統監控，或者現場設置控制盤，當溫度、振動高時對設備進行停車保護。硫磺回收裝置風機多采用進口風機，作為硫磺回收裝置的核心設備，必須長周期平穩運行，一般配置有現場控制盤，完成風機的啟動、停車、緊急停車、復位操作。控制方式多采用PLC控制，根據需要配置有觸摸屏人機界面。風機的控制包括一鍵式啟動、負荷調節、防瑞振控制、聯鎖保護等。同時具備遠程通訊功能將PLC采集到的數據和診斷信息傳至控制室顯示。通訊協議根據系統不同略有不同，常用Modbus、Profibus-DP協議。
鍋爐燃燒機的控制與風機類似。燃燒機的點火控制有專用的程序控制器，完成一系列的點火程序步驟控制。
4在線分析儀
在線分析儀及時分析氣質情況，為凈化操作提供技術指導。天然氣凈化裝置在線分析儀主要有幾類：
1）原料氣在線全分析儀，及時分析原料氣組分可以為操作提供依據。
2）凈化氣硫化氫在線分析儀，分析凈化氣硫化氫含量，便于及時監控凈化氣是否合格，根據氣質情況及時調整操作。
3）產品氣水露點分析儀，監控脫水后產品氣質量，便于及時根據氣質情況調整操作。
4）硫磺回收裝置過程氣硫化氫、二氧化硫比值分析儀，分析數據參與控制，數據及時性、準確性、穩定性要求高，還應便于維護。
5）硫磺回收尾氣灼燒后煙道氣氧含量分析儀，參與尾氣灼燒爐的配風控制。
6）尾氣二氧化硫分析儀，監控外排尾氣是否達標排放，裝置異常該參數能直接反映出來。
7）氫含量分析儀，含有斯科特尾氣處理裝置需配置氫含量分析儀，確保制氫爐的反應效果。
5結束語
經過這些年運行管理，總結出天然氣凈化裝置儀表系統的幾點建議：
1）智能變送器的種類不宜過多，過多不便于準備備品備件，對操作維護都帶來不便。智能儀表的通訊協議最好能統一，如HART、FF協議。
2）裝置測溫采用熱電偶加補償導線方式，在控制室完成信號轉換功能（如果需要的話）。
這樣節省成本，管理維護都十分方便。
3）控制閥、聯鎖閥、流量計、液位計法蘭連接標準近可能采取統一標準。
4）DCS、ESD系統盡可能采用統一廠家。
不同廠家系統之間通訊實現起來存在一定困難。新建裝置不存在這一問題。
5）控制方案適用、有效優先，應考慮操作人員的熟悉攀握。流程畫面、控制方案的組態是非常細致的工作，應得到足夠地重視。以上對天然氣凈化裝置的儀表控制系統的特點進行了闡述，并總結了含硫天然氣凈化裝置自控系統運行管理的一些經驗。
