（西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠，重慶 401220）

自控儀表系統(tǒng)在含硫天然氣凈化裝置應(yīng)用綜述

陳世劍，鄭民，高進(jìn)，羅仁江

（西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠，重慶 401220）

重慶天然氣凈化總廠作為我國(guó)天然氣凈化工業(yè)的“搖籃”，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展壯大，現(xiàn)擁有天然氣凈化裝置12套，年處理天然氣能力超過(guò)1×1010m3。伴隨著自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展，天然氣凈化行業(yè)儀表經(jīng)歷了現(xiàn)場(chǎng)儀表從氣動(dòng)儀表到智能儀表，自控儀表系統(tǒng)由單元組合儀表到先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、火災(zāi)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展歷程。自控技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展趨于先進(jìn)、穩(wěn)定、成熟。本文對(duì)含硫天然氣凈化廠自控儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行闡述，提出一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)供同行參考。

自控系統(tǒng)；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(xué)藥劑、烴類、游離水、固體雜質(zhì)，并脫除酸性組分，如硫化氫、二氧化碳，凈化后天然氣進(jìn)一步脫水達(dá)到管輸要求，將脫除的硫化氫反應(yīng)生產(chǎn)硫磺進(jìn)行回收，達(dá)到環(huán)保排放要求，同時(shí)配置了一些公用系統(tǒng)如污水處理、蒸汽、新鮮水和循環(huán)水、空氮、工廠風(fēng)儀表風(fēng)、燃料氣。天然氣凈化工藝技術(shù)較為成熟，脫除天然氣中的酸性組分主要采用化學(xué)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(guī)克勞斯工藝、冷床吸附（CBA）工藝、超級(jí)克勞斯（Super Claus）工藝、低溫克勞斯吸附（MCRC）、中國(guó)石油硫磺（CPS）回收技術(shù)等。

天然氣凈化裝置自控儀表系統(tǒng)發(fā)展至今，現(xiàn)場(chǎng)儀表同其他化工行業(yè)一樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度、液位、流量參數(shù)的測(cè)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(qiáng)的特殊性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的要求有所不同[1]。中央控制系統(tǒng)采用常規(guī)DCS、ESD、F&GS組合方式實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的監(jiān)視控制、聯(lián)鎖保護(hù)、火災(zāi)氣體檢測(cè)系統(tǒng)。

復(fù)雜設(shè)備的控制、保護(hù)基本采用就地PLC控制盤方式，通常配置液晶現(xiàn)場(chǎng)觸摸顯示屏作為人機(jī)界面。重要參數(shù)通過(guò)數(shù)字通訊方式在控制室集中顯示，這類設(shè)備有硫磺回收裝置主風(fēng)機(jī)、硫磺回收主燃燒爐點(diǎn)火控制盤、溶液循環(huán)泵、鍋爐燃燒機(jī)、公用單元控制站等。

下面分別從現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制系統(tǒng)、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(tǒng)特點(diǎn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)儀表

根據(jù)天然氣凈化工藝的特殊性現(xiàn)場(chǎng)儀表地選擇有一定的特殊要求。儀表材質(zhì)要求。由于原料天然氣含有較高濃度的H2S和CO2，有較強(qiáng)的腐蝕性，在與介質(zhì)接觸傳感器的材質(zhì)方面必須具有抗H2S和CO2的腐蝕；硫磺回收裝置的過(guò)程氣溫度較高，高溫下腐蝕性更強(qiáng)，并且過(guò)程氣中的SO2容易與過(guò)程氣中的水生成H2SO3，具極強(qiáng)的腐蝕性，傳感器必須能耐腐蝕；在吸收再生系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)儀表的特點(diǎn)如下：

1） 壓力測(cè)量類儀表，壓力測(cè)量技術(shù)成熟，就地測(cè)量選擇彈簧管式壓力表，需要遠(yuǎn)傳選擇智能壓力、差壓變送器。被測(cè)介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)選擇隔膜壓力儀表，隔膜的材質(zhì)可

以根據(jù)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行有針對(duì)性的選擇，如，測(cè)量鹽酸選擇哈氏合金C-276，測(cè)量含硫化氫介質(zhì)選擇316L不銹鋼。

2）液位檢測(cè)儀表，差壓式液位計(jì)原理簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟。在天然氣凈化裝置應(yīng)用比較廣泛，備件易于管理，使用維護(hù)對(duì)儀表維護(hù)人員要求不高。因此，差壓式液位計(jì)廣泛用于脫硫、脫水、硫磺回收、公用單元的液位測(cè)量。缺點(diǎn)是需要灌裝隔離液，在脫硫單元溶液出現(xiàn)發(fā)泡時(shí)將嚴(yán)重影響到液位的測(cè)量。智能扭力管浮筒液位計(jì)性能穩(wěn)定、安裝方式多樣，可以用于重要液位測(cè)量場(chǎng)合和差壓式液位計(jì)作對(duì)比檢測(cè)，如脫硫塔液位、閃蒸塔液位，但價(jià)格略貴[2]。

3）溫度測(cè)量?jī)x表，測(cè)溫儀表現(xiàn)場(chǎng)就地指示選擇雙金屬溫度計(jì)，采用保護(hù)套管結(jié)構(gòu)，保護(hù)管材質(zhì)結(jié)合工藝介質(zhì)工況選擇，必要時(shí)保護(hù)管外做表面處理以提高抗腐蝕能力。硫磺回收裝置介質(zhì)溫度較高、腐蝕性強(qiáng)。主燃燒爐爐膛溫度測(cè)量選擇B、S分度號(hào)高溫?zé)犭娕?，保護(hù)管材質(zhì)結(jié)構(gòu)及安裝都直接關(guān)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(shí)爐膛溫度采用非接觸式測(cè)溫儀表進(jìn)行檢測(cè)，光學(xué)高溫計(jì)多采用進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格貴，使用方法得當(dāng)基本免維護(hù)。主燃燒爐外表面采用表面熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)。反應(yīng)器床層溫度采用多點(diǎn)（通常情況3點(diǎn)）不同插深熱電偶測(cè)量不同床層溫度。

4）流量測(cè)量?jī)x表，凈化裝置進(jìn)裝置原料氣、出裝置產(chǎn)品氣計(jì)量通常采用高級(jí)孔板閥計(jì)量，達(dá)到計(jì)量精度的要求，實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)維護(hù)檢查。其他流量測(cè)量可以使用簡(jiǎn)易孔板、孔板法蘭、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、均速管流量計(jì)、楔形流量計(jì)對(duì)工藝參數(shù)計(jì)量。根據(jù)不同的場(chǎng)合選擇不同類型流量計(jì)。脫水單元汽提氣流量因?yàn)榱啃。瑑?nèi)藏孔板式流量計(jì)拆裝維護(hù)方便比較適合。硫磺回收單元風(fēng)機(jī)入口流量選擇進(jìn)口均速管流量計(jì)比較適合，硫磺回收主燃燒爐的空氣、酸氣流量因?yàn)楣ぷ鲏毫Φ?、要求壓損小，文丘里管流量計(jì)比較適合，但設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮節(jié)流件尺寸便于合適的壓差測(cè)量范圍。對(duì)于超級(jí)克勞斯工藝一、二、三級(jí)再熱爐的燃料氣和空氣都要求計(jì)量準(zhǔn)確。進(jìn)口渦街流量計(jì)因測(cè)量范圍寬、精度高是不錯(cuò)地選擇。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)更新、發(fā)展主要包括軟件和硬件兩個(gè)方面。軟件伴隨著操作系統(tǒng)的更新后升級(jí)換代，系統(tǒng)硬件性能則伴隨著電子技術(shù)、自控技術(shù)、通訊技術(shù)發(fā)展而日新月異。

1998年長(zhǎng)壽分廠采用美國(guó)霍尼韋爾TDC3000軟硬件系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為DOS操作系統(tǒng)。2000年墊江分廠技術(shù)改造采用Windows3.2中文操作系統(tǒng)，和利時(shí)HS2000軟硬件[3]。2001年引進(jìn)分廠、2002年渠縣分廠技術(shù)改造采用windowsNT4.0中文操作系統(tǒng)，軟硬件則采用北京和利時(shí)MACA II控制系統(tǒng)。這一階段中央控制室全部為DCS完成所有的過(guò)程控制、聯(lián)鎖保護(hù)、火災(zāi)氣體檢測(cè)功能。

2005年新建忠縣分廠控制系統(tǒng)采用霍尼韋爾PKS+FSC控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)分為兩部分，PKS主要用于過(guò)程控制，F(xiàn)SC用于聯(lián)鎖保護(hù)，操作系統(tǒng)為Windows2000操作系統(tǒng)。2008年引進(jìn)分廠、墊江分廠、渠縣分廠升級(jí)改造，緊急停車系統(tǒng)（ESD）從常規(guī)DCS系統(tǒng)中獨(dú)立；火災(zāi)氣體檢測(cè)（F&GS）從常規(guī)DCS系統(tǒng)中獨(dú)立。

2008年新建大竹分廠、2009年新建萬(wàn)州分廠、2009年川中油氣礦新建龍崗凈化廠、2010年長(zhǎng)壽分廠DCS系統(tǒng)升級(jí)均采用霍尼韋爾PKS+SM系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Windows XP、Windows2003 server。F&GS系統(tǒng)為獨(dú)立的一套監(jiān)控系統(tǒng)。2013年忠縣分廠控制系統(tǒng)安全隱患治理，也采用霍尼韋爾PKS+SM系統(tǒng)，操作系統(tǒng)因Windows XP停產(chǎn)，也采用Windows7專業(yè)版、Windows2008 Server版操作系統(tǒng)。

天然氣凈化處理裝置DCS系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)或進(jìn)口系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)以和利時(shí)、浙大中控為主；引進(jìn)系統(tǒng)主要有霍尼韋爾、福克斯波羅、艾默生、西門子等。國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)較低、軟件功能比較完善，組態(tài)界面、操作界面為中文易于掌握，但硬件的穩(wěn)定性離進(jìn)口系統(tǒng)仍有一定的差距；進(jìn)口系統(tǒng)軟件系統(tǒng)龐大，界面相對(duì)復(fù)雜，除一些描述性內(nèi)容可以為中文，基本都是英文，組態(tài)的難度相對(duì)大一些，一旦工程組態(tài)調(diào)試完畢使用起來(lái)還是很方便的，進(jìn)口系統(tǒng)價(jià)格稍貴。

緊急停車系統(tǒng)基本都為進(jìn)口產(chǎn)品，主要有霍尼韋爾、德國(guó)黑馬、TRICON，采用冗余容錯(cuò)技術(shù)，硬件與軟件技術(shù)都十分成熟，對(duì)于以脫硫?yàn)橹鞯奶烊粴鈨艋b置緊急停車系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)：

1）過(guò)濾分離、脫硫、脫水單元的聯(lián)鎖保護(hù)。即壓力超高放空、脫硫塔、脫水塔低液位聯(lián)鎖保護(hù)，確保設(shè)備的安全以及天然氣凈化脫硫的質(zhì)量。

2）硫磺回收裝置主燃燒爐、灼燒爐的點(diǎn)火程序及硫磺回收裝置的聯(lián)鎖保護(hù)。如果采用超級(jí)克勞斯回收工藝，還包括各級(jí)再熱爐、克勞斯反應(yīng)爐的點(diǎn)火程序及熄火保護(hù)。

3）若有斯科特尾氣處理裝置，還包含制氫反應(yīng)爐的點(diǎn)火程序及熄火保護(hù)。

由于緊急停車系統(tǒng)只配置工程師站進(jìn)行控制方案組態(tài)、調(diào)試。控制方案的設(shè)計(jì)與組態(tài)顯得非常重要，所以，要求工程師組態(tài)徹底掌握設(shè)計(jì)方案，組態(tài)人員要具有豐富的程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

3 重要控制方案

天然氣凈化裝置的控制大部分為簡(jiǎn)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(jí)回路，酸氣分液罐壓力控制為分程控制。其他復(fù)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(fēng)控制、廢熱鍋爐的液位控制及灼燒爐的配風(fēng)控制。冷床吸附工藝（CBA）反應(yīng)器切換是典型的順控程序，硫磺回收主風(fēng)機(jī)的控制屬于順控與邏輯控制相結(jié)合的控制方式，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹[4]。

3.1配風(fēng)控制

首先以超級(jí)克勞斯回收工藝為例，說(shuō)明主燃燒爐的配風(fēng)控制方案，包含了主要的設(shè)備及流程。如圖1所示。

圖1 超級(jí)克勞斯硫磺回收流程工藝簡(jiǎn)圖Fig.1 Super claus sulfur recovery process process diagram

主燃燒爐的配風(fēng)控制對(duì)于硫磺回收裝置來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，直接影響硫收率的高低。主要原理為，根據(jù)酸氣的流量進(jìn)行配比控制，配風(fēng)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(fēng)完成剩余約10%的空氣控制。支路配風(fēng)為選擇控制，可以根據(jù)尾氣中硫化氫含量或者硫化氫與二氧化硫的比值進(jìn)行控制。兩路配風(fēng)實(shí)現(xiàn)了主爐粗調(diào)、支路細(xì)調(diào)從而達(dá)到精確控制的目的，當(dāng)然過(guò)程氣中硫化氫與二氧化硫在線分析數(shù)據(jù)的及時(shí)性與準(zhǔn)確性對(duì)配風(fēng)控制影響也非常重要。配風(fēng)控制組態(tài)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(jì)量，為了控制準(zhǔn)確還用了流量補(bǔ)償公式計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)精確控制，還考慮了酸氣中的組分考慮進(jìn)控制方案。如圖2所示。

圖2 超級(jí)克勞斯硫磺回收配風(fēng)控制原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Super claus sulfur recovery air distribution control principle diagram

因硫磺回收控制方案的重要性，近些年來(lái)設(shè)計(jì)單位在控制方案上不斷改進(jìn)、優(yōu)化，利用DCS系統(tǒng)豐富多樣的功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制方案，如配風(fēng)控制采用采樣控制方式等，收到了一定的效果。針對(duì)配風(fēng)控制，CPE西南分公司為了簡(jiǎn)化組態(tài)工作，還推出了模塊化的控制方案。

3.2反應(yīng)器切換控制

在冷床吸附（CBA）硫磺回收工藝中，反應(yīng)器的切換是非常重要的程序。通過(guò)反應(yīng)器的切換使反應(yīng)器不斷進(jìn)行吸附和再生，從而保證回收裝置的連續(xù)運(yùn)行[5]。切換程序是一個(gè)典型順控程序。分為多個(gè)步驟，每個(gè)步驟都有一些條件地判斷。

通過(guò)對(duì)程序控制閥地控制，實(shí)現(xiàn)3個(gè)CBA反應(yīng)器的吸附、再生循環(huán)工作保證硫磺回收裝置的收率。主要儀表有4個(gè)三通閥和3個(gè)兩通閥進(jìn)行流程切換。反應(yīng)器設(shè)備上安裝有床層溫度傳感器進(jìn)行步驟地判斷。為保證閥的正確切換，每臺(tái)程控閥安裝有閥位檢測(cè)開(kāi)關(guān)。切換程序利用DCS系統(tǒng)的順控功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易。程序編程按照工藝步驟進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序邏輯性強(qiáng)，易于讀懂和維護(hù)管理。如圖3所示。

圖3 冷床吸附（CBA）硫磺回收工藝反應(yīng)器切換示意圖Fig.3 Cooling bed adsorption (CBA) sulfur recovery process switch schematic diagram

3.3重要設(shè)備控制

天然氣凈化裝置重要設(shè)備主要有溶液循環(huán)泵、回收裝置的風(fēng)機(jī)、蒸汽鍋爐、空壓機(jī)等。溶液循環(huán)泵視功率的大小配置有不同的保護(hù)。通常大功率電機(jī)與泵軸承溫度、電機(jī)繞組溫度、振動(dòng)進(jìn)入控制系統(tǒng)監(jiān)控，或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置控制盤，當(dāng)溫度、振動(dòng)高時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行停車保護(hù)。

硫磺回收裝置風(fēng)機(jī)多采用進(jìn)口風(fēng)機(jī)，作為硫磺回收裝置的核心設(shè)備，必須長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，一般配置有現(xiàn)場(chǎng)控制盤，完成風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停車、緊急停車、復(fù)位操作?？刂品绞蕉嗖捎肞LC控制，根據(jù)需要配置有觸摸屏人機(jī)界面。風(fēng)機(jī)地控制包括一鍵式啟動(dòng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)、防踹振控制、聯(lián)鎖保護(hù)等。同時(shí)具備遠(yuǎn)程通訊功能將PLC采集到的數(shù)據(jù)和診斷信息傳至控制室顯示。通訊協(xié)議根據(jù)系統(tǒng)不同略有不同，常用Modbus、Profibus-DP協(xié)議。

鍋爐燃燒機(jī)地控制與風(fēng)機(jī)類似。燃燒機(jī)的點(diǎn)火控制有專用的程序控制器，完成一系列的點(diǎn)火程序步驟控制。

4 在線分析儀

在線分析儀及時(shí)分析氣質(zhì)情況，為凈化操作提供技術(shù)指導(dǎo)。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(shí)分析原料氣組分可以為操作提供依據(jù)。

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(shí)監(jiān)控凈化氣是否合格，根據(jù)氣質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整操作。

3）產(chǎn)品氣水露點(diǎn)分析儀，監(jiān)控脫水后產(chǎn)品氣質(zhì)量，便于及時(shí)根據(jù)氣質(zhì)情況調(diào)整操作。

4）硫磺回收裝置過(guò)程氣硫化氫、二氧化硫比值分析儀，分析數(shù)據(jù)參與控制，數(shù)據(jù)及時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性要求高，還應(yīng)便于維護(hù)。

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(fēng)控制。

6）尾氣二氧化硫分析儀，監(jiān)控外排尾氣是否達(dá)標(biāo)排放，裝置異常該參數(shù)能直接反映出來(lái)。

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(yīng)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)這些年運(yùn)行管理，總結(jié)出天然氣凈化裝置儀表系統(tǒng)的幾點(diǎn)建議：

1）智能變送器的種類不宜過(guò)多，過(guò)多不便于準(zhǔn)備備品備件，對(duì)操作維護(hù)都帶來(lái)不便。智能儀表的通訊協(xié)議最好能統(tǒng)一，如HART、FF協(xié)議。

2）裝置測(cè)溫采用熱電偶加補(bǔ)償導(dǎo)線方式，在控制室完成信號(hào)轉(zhuǎn)換功能（如果需要的話）。這樣節(jié)省成本，管理維護(hù)都十分方便。

3）控制閥、聯(lián)鎖閥、流量計(jì)、液位計(jì)法蘭連接標(biāo)準(zhǔn)近可能采取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

4）DCS、ESD系統(tǒng)盡可能采用統(tǒng)一廠家。不同廠家系統(tǒng)之間通訊實(shí)現(xiàn)起來(lái)存在一定困難。新建裝置不存在這一問(wèn)題。

5）控制方案適用、有效優(yōu)先，應(yīng)考慮操作人員的熟悉掌握。流程畫面、控制方案的組態(tài)是非常細(xì)致的工作，應(yīng)得到足夠地重視。

以上對(duì)天然氣凈化裝置的儀表控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并總結(jié)了含硫天然氣凈化裝置自控系統(tǒng)運(yùn)行管理的一些經(jīng)驗(yàn)。

[1]傅敬強(qiáng)等．天然氣凈化操作技師培訓(xùn)教材[M]．北京：石油工業(yè)出版社,2012．

[2]和利時(shí)系統(tǒng)軟件手冊(cè)[Z]．杭州和利時(shí)自動(dòng)化股份有限公司．

[3]CBA硫磺回收裝置操作手冊(cè)[Z]．博萊克·威奇(Black & Veatch)國(guó)際公司,2007．

[4]英格索蘭風(fēng)機(jī)隨機(jī)資料[Z]．英格索蘭機(jī)械有限公司,2008．

[5]威索普特燃燒機(jī)隨機(jī)資料[Z]．威索普特燃燒設(shè)備有限公司,2001．

Instrument Control System Application in Natural gas Treating Plant

Chen Shijian,Zheng Min,Gao Jin,Luo Renjiang
（Chongqing Natural gas Purification Plant, Southwest oil and gas Ffie ld Company Longevity 401220 China）

Chongqing natural gas purification plant general has developed for more than 40 years. It has 12 sets natural gas treating units,and has the treating ability more than 10 billions cubic meter very year. Instrument control system developed rapidly,from pneumatic to intelligent instrument. Now,central control room is composed of Distributed control system（DCS）,Emergency shutdown system（ESD）,Fire Gas system（F&GS）.Automation control becomes powerful. This paper provides some important experience in natural gas treating plant.

automation control system;natural gas purification;sulfur recovery unit

TP29

B

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.001

2013-12-29

陳世劍，男，從事天然氣凈化廠自動(dòng)化技術(shù)工作。