天然气净化控制系统设计.docx
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1.绪论 3
1.1课题背景 3
1.2天然气净化技术简介和国内外现状 3
1.3自动控制系统在天然气净化系统中的应用 3
1.3.1质量调节 3
1.3.2压力控制 3
1.3.3液位调节 4
1.3.4流量调节 4
1.4课题目的和意义 4
2控制方案设计 5
2.1天然气净化技术工艺需求分析 5
2.1.1天然气净化系统概述 5
2.1.2脱水工艺多种方案 5
2.1.3工艺的选择与确定 7
2.1.4P&ID图绘制 10
2.2天然气净化控制系统选定方案 10
2.2.1系统设备组成 10
2.2.2系统复杂工程问题分析 10
2.2.3自动控制系统方案选择及确定 10
3硬件设计 11
3.2控制器(PLC)选型 11
3.3主要元器件选型 14
3.3.1断路器的选型 14
3.3.2接触器的选型 14
3.3.3中间继电器选型 14
3.3.4热继电器的选型 14
3.3.5仪表仪器的选型 14
3.3.6电磁阀的选型 14
3.3.7PS307规格选型 14
3.4电气图设计 14
3.4.1主电路图 14
3.4.2数字量输入输出原理图 14
3.4.3模拟量输入输出原理图 14
3.5S7-300PLC的硬件组态 14
4下位机软件设计 15
4.1系统软件简介 15
4.2系统控制要求 15
4.3工作方式 15
4.4程序流程 16
5上位机软件设计 17
5.1人机界面设计 17
5.2变量管理 18
5.3图形编辑 18
5.4各个画面功能 18
6系统调试 19
6.1PLC程序仿真调试 19
6.3PLC与上位机联机调试 20
6.3.1通讯连接 20
6.3.2联机调试 20
6.4程序仿真调试中遇到的问题 20
7总结 22
参考文献 23
致谢 24
1.绪论
1.1课题背景
中国西南部的川渝气田不仅是中国目前最大的天然气生产基地,也因其所采天然气普遍含硫的特性而逐步形成了颇具特色的天然气净化处理技术,是中国天然气净化技术的发源地和最大的天然气净化处理基地,其在天然气净化领域的技术成果很大程度上反映了中国天然气净化技术的进展。
经40余年发展,川I渝地区天然气净化工业目前已进人高速增长的跨越式发展阶段,其天然气净化能力已发展至2860×1041213/d。
随着川东北和LG地区相继获得重大气藏发现,一批大型天然气净化厂正在规划建设中,天然气净化工业发展势头强劲、形势喜人。
以川渝气田为背景的大前提下对天然气净化技术进行深入的研究
1.2天然气净化技术简介和国内外现状
目前,川渝气田天然气脱硫脱碳技术已基本形成以醇胺法工艺大规模集中处理含硫天然气为主、以液相氧化还原和干法固体脱硫技术为辅,处理中低潜硫量及边远分散含硫气井的天然气脱硫脱碳技术体系。
近年来重点在配方型溶剂脱硫脱碳技术、天然气液相氧化还原脱硫技术和新型高效天然气净化配套设备应用上开展了广泛研究并有所突破,同时.也在建立分析测试方法、完善产品标准体系方面取得进展,在与国外先进技术、标准接轨的基础上。
完善了天然气烃类组成分析、天然气物性测试及计算、水含量测定、天然气中含硫化合物和其他微量杂质的测定等分析测试技术。
1.3自动控制系统在天然气净化系统中的应用
自动控制系统主要用于根据仪器表传感器监测点数据,利用事先编好的控制程序对阀门的开度及电机的转速进行控制,它能使生产过程中的跟中工业参数(如压力、流量、液位、温度)保持在规定值附近。
在本设计中利用自动控制系统中的压力,温度,流量、液位构成闭环控制,通过闭环反馈的数据实现实时补偿,使其控制达到精确控制,这样的应用不断优化天然气净化过程中的参数,并进一步提高了天然气净化的效率。
应用计算机技术和自动控制技术,对管线进行实时在线监控。
本设计控制系统主要实现如下几个方面的应用。
1.3.1质量调节
本精馏过程的质量调节采用以提馏段灵敏温度作为主参数,以再沸器加热蒸气的流量作为调节参数,这样就组成了一个由灵敏板温度和再沸器加热蒸汽流量的串级调节系统,以实现对塔的间接分离质量控制。
1.3.2压力控制
在正常的压力情况下,由塔顶冷凝器的冷却水量来调节压力(PRC-2)。
高于操作压力0.40MPa(表压)时,改用放空方法控制(PIC-01)。
此种控制称为超驰控制(或取代控制)。
1.3.3液位调节
塔釜液位由调节塔釜的产品采出量来维持恒定。
具有高低液位报警。
回流罐液位由调节塔顶产品送出量来维持恒定,设有高低液位报警。
LIC-1和LIC-2构成本塔物料平衡控制。
1.3.4流量调节
进料量和回流量都采用单回路的流量控制。
再沸器加热介质流量,由灵敏板温度调节和蒸气流量调节构成串级调节系统。
1.4课题目的和意义
天然气处理是指为使天然气符合商品质量指标或管道输送要求而采用的一些工艺过程,例如脱除酸性气体(如脱硫、脱碳和有机硫化物等)、脱水、脱凝液和脱除固体颗粒等杂质,以及热值调整、硫磺回收和尾气处理等过程。
习惯上把天然气脱除酸性气体、脱水、硫磺回收和尾气处理等统称为天然气净化;把脱除凝液(含凝液回收)的过程,称为天然气处理。
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2控制方案设计
2.1天然气净化技术工艺需求分析
从地层中开采出来的天然气往往含有砂和混入的铁锈等固体杂质,以及水、水蒸气、硫化物和二氧化碳等有害物质。
砂、铁锈等尘粒随气流运动,磨损压缩机、管道和仪表的部件,甚至造成破坏。
有时还会积聚在某些部位,影响输气的正常进行。
水积聚在管道低洼处,减少管道输气截面,增加输气阻力。
水又能在管壁内壁上形成一层水膜,遇酸性气体(H2S,CO2等)形成酸性水溶液,对管内壁腐蚀极为严重,是造成输气管道破坏的重要原因之一。
水在一定温度和压力条件下还能和天然气中的某些组分生成冰雪状水合物(CH4·nH2O等),造成管路冰堵。
天然气中的硫化物分为无机的和有机的两种。
无机的主要是硫化氢,有机的主要是二硫化碳(CS2)、硫氧化碳(COS)等。
硫化氢及其燃烧产物二氧化硫(SO2)都具有强烈刺鼻气味,对眼黏膜和呼吸道又破坏作用。
空气中硫化氢含量大于910mg/m3(体积分数约0.06%)时,人呼吸1h就会严重中毒。
当空气中含有0.05%(体积分数)二氧化硫时,人呼吸短时间就会有生命危险。
硫化氢和二氧化碳还是一种腐蚀剂,尤其在有水存在时更是如此。
含有硫化物的天然气作为化工原料很容易使催化剂中毒,生产无法进行,生产的产品质量也不好。
另一方面,天然气中硫化氢又是制造硫、硫酸、化肥的重要原料,不应让它混在天然气中白白浪费掉。
CO2遇水生成碳酸,除腐蚀管壁外,还影响天然气热值。
因此,天然气进入输气干管之前必须净化,除去尘粒、凝析液、水及其他有害组分。
2.1.1天然气净化系统概述
天然气处理是指为使天然气符合商品质量指标或管道输送要求而采用的一些工艺过程,例如脱除酸性气体(如脱硫、脱碳和有机硫化物等)、脱水、脱凝液和脱除固体颗粒等杂质,以及热值调整、硫磺回收和尾气处理等过程。
习惯上把天然气脱除酸性气体、脱水、硫磺回收和尾气处理等统称为天然气净化;把脱除凝液(含凝液回收)的过程,称为天然气处理。
2.1.2脱水工艺多种方案
天然气中含有的H2S、CO2和有机硫等酸性组分,在水存在的情况下会腐蚀金属;含硫组分有难闻的臭味、剧毒、使催化剂中毒等缺点。
CO2为不可燃气体,影响天然气热值的同时,也影响管输效率。
特别是,H2S是一种具有令人讨厌的臭鸡蛋味,有很大毒性的气体。
空气中H2S含量达到几十mg/m3就会使人流泪、头痛,高浓度的硫化氢对人有生命危险;H2S在有水及高温(400℃以上)下对设备、管线腐蚀严重;还对某些钢材产生氢脆,在天然气净化厂曾发生阀杆断裂、阀板脱落现象。
有机硫中毒会产生恶心、呕吐等症状,严重时造成心脏衰竭、呼吸麻痹而死亡。
因此天然气脱硫有保护环境、保护设备、管线、仪表免受腐蚀及有利于下游用户的使用等益处。
同时还可以化害为利,回收资源。
将天然气中的硫化氢分离后经克劳斯反应制成硫(亮黄色,纯度可达99.9),可生产硫和含硫产品,在工业、农业等各个领域都有着广泛的用途。
从高含量CO2的天然气中分离出来的高纯度的CO2可用于制备干冰,也可用于采油上回注地层以提高原油的采收率。
关于天然气中酸性气体的脱除,开发了许多处理方法,这些方法可分成湿法和干法两大类。
干法脱硫目前工业上已很少应用,工业大型装置以湿法为主。
湿法脱硫按照溶液的吸收和再生方法,可分为化学吸收法、物理吸收法和氧化还原法三类。
化学吸收法是以可逆的化学反应为基础,以弱碱性溶剂为吸收剂,溶剂与原料气中的酸性组分(主要是H2S和CO2)反应而生成某种化合物;吸收了酸气的富液在升高温度、降低压力的条件下,该化合物又能分解而放出酸气。
主要有代表醇胺法、改良热钾碱法、氨基酸盐法。
物理吸收法是基于有机溶剂对原料气中酸性组分的物理吸收而将它们脱除,溶剂的酸气负荷正比于气相中酸性组分的分压。
富液压力降低时,随即放出所吸收的酸性组分。
物理吸收一般在高压和较低的温度下进行。
物理吸收法的主要代表有冷甲醇法、碳酸丙烯酯法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法和磷酸三丁酯法。
化学—物理吸收法是一种将化学吸收剂与物理吸收剂联合应用的酸气脱除法,目前以环丁砜法为常用。
物理吸收溶剂是环丁砜,化学吸收溶剂可以用任何一种醇胺化合物,但常用的是二异丙醇胺(DIPA)和甲基二乙醇胺(MDEA)。
湿式氧化法这类方法的研究始于本世纪二十年代,至今已发展到百余种,其中有工业应用价值的就有二十多种。
主要湿式氧化法有改良的ADA法(蒽醌法)、螯合铁法、PDS法。
2.1.3工艺的选择与确定
典型的醇胺法工艺流程如图2.1所示,对不同的醇溶剂流程是基本相同的。
从图中可见,所涉及的主要设备是吸收塔、汽提塔、换热和分离设备。
川渝气田的天然气净化厂采用复配甲基二乙醇胺溶液(40%MDEA、5%DEA)脱硫、脱碳,能在高压低温条件下通过气液逆流接触将天然气中的酸性组份吸收,然后在低压高条件下,将吸收的酸气组份解析出来。
复配溶液有较好的经济技术性,与纯甲基二乙醇胺水溶液(45%)相比,可节约能耗25%左右。
但在运行中复配溶液表现出湿净化气温度升高、系统污染加重等趋势,需加强脱水运行监测和溶液过滤系统的清洗。
图2.1典型的醇胺法工艺原理示意图
2.1.4P&ID图绘制
根据系统工艺的分析,如图2.2位本设计系统的管道仪表图。
该管道仪表图清楚的体现了系统中用到的阀,各种类型的传感器,仪器仪表等。
为整个系统的控制和维护提供了第一手材料。
该系统包括的设备及其所有阀门如下:
1.流程图中各设备说明
DA-405脱丁烷塔GA-405A/B回流泵
FA-405回流罐EA-405A/B再沸器
EA-406冷凝器GA-406A/B塔顶产品采出泵
2.手操器
V24塔釜泄液阀V25回流罐泄液阀
VC4C4充压阀
3.开关及快开阀门
V1进料前阀V3EA-405A入口阀
V4EA-405A出口阀V6、V7压差阀
V8EA-405B入口阀V9EA-405B出口阀
V12GA-405A出口阀V13GA-405A
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