天然氣處理裝置是油田中心處理站的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，天然氣處理自動化控制系統(tǒng)是提高天然氣處理效率、降低能耗的關(guān)鍵。采用以PLC為核心的工藝過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，對所有的壓縮機、閥門實現(xiàn)自動監(jiān)控，根據(jù)工藝要求可以實時控制冷卻器、分離器、干燥撬等設(shè)備。使天然氣的溫度、壓力、含水含油指標均滿足工業(yè)用氣要求。本文以筆者參與的伊朗MIS油田地面建設(shè)項目，分析介紹天然氣處理裝置的自動控制。 1 項目概況及總體要求 從三相分離器、脫硫塔及儲油罐等設(shè)備分離出來的天然氣，先輸送到集氣器V-02620內(nèi)，由于氣體的壓力基本等同于大氣壓，所以經(jīng)過壓縮機SK-03310的一級壓縮后，將天然氣從常壓升高到0.15MPa。然后再通過二級壓縮將壓力進一步壓縮到0.45MPa,此時的天然氣無論品質(zhì)及壓力都不能滿足外賣的要求，所以需要將增壓后的天然氣再經(jīng)過低壓氣體分離器V-03360的進一步氣水分離，將干燥后的天然氣送到壓縮機SK-03320內(nèi)，繼續(xù)增壓到0.75MPa，增壓后的天然氣再通過外輸分離器V-03330，進行進一步氣水分離。分離出來的水送到輕烴分離器V-03340，干燥后的天然氣外賣到用戶端。其系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。 2 控制系統(tǒng)硬件組成 （1）PLC控制系統(tǒng) 根據(jù)裝置工作要求，選用性價比較高的西門子公司的S7-300系列可編程控制器構(gòu)建控制系統(tǒng)。PLC中CPU采用CPU315-2DP，系統(tǒng)采用交流220V電源供電，主模板有16點數(shù)字量輸入，用于檢測控制命令和開關(guān)狀態(tài)：16點數(shù)字量輸出，用于各操作開關(guān)的控制、指示燈的狀態(tài)顯示；模擬量輸人，將模擬測量信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳臄?shù)字量并被計算機所接收?？刂葡到y(tǒng)共帶有32個信號處理模塊（15個DI，12個DO，5個AI）。 （2）監(jiān)控站 監(jiān)控站選用西門子工業(yè)控制計算機和高性能工業(yè)監(jiān)控軟件WinCC（視窗控制中心），完成整個系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備運行狀態(tài)的顯示和監(jiān)控、實現(xiàn)曲線的顯示、歷史數(shù)據(jù)的保存、權(quán)限管理、操作查詢、報警、打印等功能。 （3）儀表系統(tǒng) 儀表系統(tǒng)由壓力及溫度變送器、配電器、液位計、壓力及液位開關(guān)、調(diào)節(jié)閥和緊急防空閥等構(gòu)成，主要完成液位、壓力、溫度信號的獲取和閥門的控制執(zhí)行。 3 自動化軟件設(shè)計 天然氣處理裝置自動化控制系統(tǒng)的軟件包括上位機、下位機兩部分。 3．1 上位機軟件設(shè)計 上位機軟件采用Windows2000操作系統(tǒng)，編程平臺為WinCC5.1。上位機實現(xiàn)的功能為：數(shù)字顯示天然氣處理裝置的液位、壓力、溫度、各設(shè)備的啟動、停止、運行、故障等狀態(tài)；可記錄250條故障情況（故障時刻、故障類型等），方便進行事故分析；通過報表編輯器，實現(xiàn)相關(guān)信息輸出打印。 3．2 下位機軟件設(shè)計 下位機采用西門子公司開發(fā)的STEP 7 5.2軟件對PLC進行編程和對PLC設(shè)備配置進行維護。編制的軟件主要包括信號獲取處理、信號控制、故障模塊的設(shè)計、與上位機通訊的DB塊的設(shè)計。STEP提供了具有生成標準導出功能塊庫或FC庫能力的編程功能，能夠在應用程序內(nèi)一再調(diào)用。FC功能塊的使用提高了程序的運行速度并且更加方便了軟件的移植性和可擴展性。 4 系統(tǒng)實現(xiàn)功能 4．1 低壓壓縮機控制 在正常生產(chǎn)過程中，壓縮機的一級壓縮和二級壓縮應協(xié)調(diào)運行，以保持壓縮機的出口壓力在預定值上，PLC系統(tǒng)應能夠?qū)嚎s機運行狀態(tài)進行分析，以實現(xiàn)預測性檢修。當負載率較低，壓縮機在低于額定工況下運轉(zhuǎn)時，可通過PLC系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調(diào)速控制功能。 當工藝專業(yè)設(shè)定壓縮機管網(wǎng)正常出口壓力為p1，而現(xiàn)場實際測定壓力p2，根據(jù)△p=p1-p2值的大小，由PLC系統(tǒng)內(nèi)的PID功能模塊進行PID運算，控制變頻器來改變電機運轉(zhuǎn)，達到所要求的壓力。當△p>0時，即現(xiàn)場壓力偏高，則提高變頻器的輸出頻率，使電機轉(zhuǎn)速加快，提高實際氣壓；當△p<0時，即現(xiàn)場壓力偏低，則使轉(zhuǎn)速降低。這樣不斷調(diào)整，使△p趨于0?，F(xiàn)場實際壓力在設(shè)定的壓力附近波動，保證壓力穩(wěn)定。PLC實現(xiàn)壓縮機出口壓力單回路閉環(huán)PID控制以及壓縮機的啟動、停止、切換、故障處理等各種控制功能。 4．2 高壓壓縮機控制 從低壓氣體壓縮機出來的壓縮天然氣在進入氣液分離罐K-03320的過程中，應將天然氣的溫度及壓力值送到PLC監(jiān)視，管線上的壓力開關(guān)PSLL-03321的低低聯(lián)鎖信號連接到PLC系統(tǒng)，當氣液分離罐K-03320入口的天然氣壓力過低時，PLC系統(tǒng)將輸出一個信號到高壓壓縮機SK-03320，停止壓縮機的運行，以保護壓縮機。壓縮機SK-03320的運行狀態(tài)及機械保護信號送PLC系統(tǒng)。當壓縮機SK-03320出現(xiàn)故障或管線上的壓力開關(guān)PSHH-03321高高聯(lián)鎖信號送到PLC系統(tǒng)后，PLC系統(tǒng)將緊急放空閥BDV-03312打開，將一級壓縮后的天然氣排放到放空分液罐SK-03810。然后再送到火炬系統(tǒng)燃燒。分離器K-03320上的液位開關(guān)LSHH-03321／LSLL-03321將在高液位時通過PLC系統(tǒng)打開排液閥LV-03321，將凝液排放到開排系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)如圖2所示。 4．3 報警及故障自診斷 通過PLC內(nèi)部程序設(shè)定報警及聯(lián)鎖保護，一旦出現(xiàn)故障，立即停止相應的操作，并發(fā)出相應的報警信號。 （1）壓縮機的油壓低、水壓低等故障信號，可由現(xiàn)場防爆電接點壓力表測得，直接送到PLC，由PLC控制實現(xiàn)聲光報警和延時停車。 （2）增設(shè)現(xiàn)場振動傳感器，并將信號送到PLC，對壓縮機的運行狀態(tài)進行顯示和診斷。 5 設(shè)計體會 （1）采用變頻控制后，實現(xiàn)了壓縮機的軟啟動，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)電效果明顯。 （2）采用PLC后，組成閉環(huán)自控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，運行更加穩(wěn)定可靠。 （3）系統(tǒng)的可擴展性好。若壓縮機在變頻／工頻供電方式下運行時，只需將增加的信息或信號引至PLC，即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制。 （4）壓縮機的控制柜至電氣的主電機啟／停信號共用一個通道，非開即停，而電氣部分開關(guān)柜的設(shè)計則需要兩個脈沖信號，分別用來啟／停主電機。 從安全角度看，電氣部分的設(shè)計可以防止維護檢查時主電機的誤啟動；從設(shè)備角度看，電氣部分的設(shè)計可以防止繼電器長時間帶電動作，故利用PLC中的備用通道增加一路主電機停車信號，可避免上述隱故障。