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(dòng)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(guò)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)所有的壓縮機(jī)、閥門(mén)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，根據(jù)工藝要求可以實(shí)時(shí)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(biāo)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(xiàng)目，分析介紹天然氣處理裝置的自動(dòng)控制。 1 項(xiàng)目概況及總體要求 從三相分離器、脫硫塔及儲(chǔ)油罐等設(shè)備分離出來(lái)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(guò)壓縮機(jī)SK-03310的一級(jí)壓縮后，將天然氣從常壓升高到0.15MPa。然后再通過(guò)二級(jí)壓縮將壓力進(jìn)一步壓縮到0.45MPa,此時(shí)的天然氣無(wú)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(guò)低壓氣體分離器V-03360的進(jìn)一步氣水分離，將干燥后的天然氣送到壓縮機(jī)SK-03320內(nèi)，繼續(xù)增壓到0.75MPa，增壓后的天然氣再通過(guò)外輸分離器V-03330，進(jìn)行進(jìn)一步氣水分離。分離出來(lái)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(jià)比較高的西門(mén)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(diǎn)數(shù)字量輸入，用于檢測(cè)控制命令和開(kāi)關(guān)狀態(tài)：16點(diǎn)數(shù)字量輸出，用于各操作開(kāi)關(guān)的控制、指示燈的狀態(tài)顯示；模擬量輸人，將模擬測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字量并被計(jì)算機(jī)所接收。控制系統(tǒng)共帶有32個(gè)信號(hào)處理模塊（15個(gè)DI，12個(gè)DO，5個(gè)AI）。 （2）監(jiān)控站 監(jiān)控站選用西門(mén)子工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和高性能工業(yè)監(jiān)控軟件WinCC（視窗控制中心），完成整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示和監(jiān)控、實(shí)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(bào)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(jì)、壓力及液位開(kāi)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(hào)的獲取和閥門(mén)的控制執(zhí)行。 3 自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì) 天然氣處理裝置自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件包括上位機(jī)、下位機(jī)兩部分。 3．1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件采用Windows2000操作系統(tǒng)，編程平臺(tái)為WinCC5.1。上位機(jī)實(shí)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(dòng)、停止、運(yùn)行、故障等狀態(tài)；可記錄250條故障情況（故障時(shí)刻、故障類型等），方便進(jìn)行事故分析；通過(guò)報(bào)表編輯器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息輸出打印。 3．2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)采用西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的STEP 7 5.2軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程和對(duì)PLC設(shè)備配置進(jìn)行維護(hù)。編制的軟件主要包括信號(hào)獲取處理、信號(hào)控制、故障模塊的設(shè)計(jì)、與上位機(jī)通訊的DB塊的設(shè)計(jì)。STEP提供了具有生成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出功能塊庫(kù)或FC庫(kù)能力的編程功能，能夠在應(yīng)用程序內(nèi)一再調(diào)用。FC功能塊的使用提高了程序的運(yùn)行速度并且更加方便了軟件的移植性和可擴(kuò)展性。 4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 4．1 低壓壓縮機(jī)控制 在正常生產(chǎn)過(guò)程中，壓縮機(jī)的一級(jí)壓縮和二級(jí)壓縮應(yīng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，以保持壓縮機(jī)的出口壓力在預(yù)定值上，PLC系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)嚎s機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性檢修。當(dāng)負(fù)載率較低，壓縮機(jī)在低于額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可通過(guò)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制功能。 當(dāng)工藝專業(yè)設(shè)定壓縮機(jī)管網(wǎng)正常出口壓力為p1，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)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(jìn)行PID運(yùn)算，控制變頻器來(lái)改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到所要求的壓力。當(dāng)△p>0時(shí)，即現(xiàn)場(chǎng)壓力偏高，則提高變頻器的輸出頻率，使電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，提高實(shí)際氣壓；當(dāng)△p<0時(shí)，即現(xiàn)場(chǎng)壓力偏低，則使轉(zhuǎn)速降低。這樣不斷調(diào)整，使△p趨于0。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓力在設(shè)定的壓力附近波動(dòng)，保證壓力穩(wěn)定。PLC實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)出口壓力單回路閉環(huán)PID控制以及壓縮機(jī)的啟動(dòng)、停止、切換、故障處理等各種控制功能。 4．2 高壓壓縮機(jī)控制 從低壓氣體壓縮機(jī)出來(lái)的壓縮天然氣在進(jìn)入氣液分離罐K-03320的過(guò)程中，應(yīng)將天然氣的溫度及壓力值送到PLC監(jiān)視，管線上的壓力開(kāi)關(guān)PSLL-03321的低低聯(lián)鎖信號(hào)連接到PLC系統(tǒng)，當(dāng)氣液分離罐K-03320入口的天然氣壓力過(guò)低時(shí)，PLC系統(tǒng)將輸出一個(gè)信號(hào)到高壓壓縮機(jī)SK-03320，停止壓縮機(jī)的運(yùn)行，以保護(hù)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)SK-03320的運(yùn)行狀態(tài)及機(jī)械保護(hù)信號(hào)送PLC系統(tǒng)。當(dāng)壓縮機(jī)SK-03320出現(xiàn)故障或管線上的壓力開(kāi)關(guān)PSHH-03321高高聯(lián)鎖信號(hào)送到PLC系統(tǒng)后，PLC系統(tǒng)將緊急放空閥BDV-03312打開(kāi)，將一級(jí)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(kāi)關(guān)LSHH-03321／LSLL-03321將在高液位時(shí)通過(guò)PLC系統(tǒng)打開(kāi)排液閥LV-03321，將凝液排放到開(kāi)排系統(tǒng)。控制系統(tǒng)如圖2所示。 4．3 報(bào)警及故障自診斷 通過(guò)PLC內(nèi)部程序設(shè)定報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)，一旦出現(xiàn)故障，立即停止相應(yīng)的操作，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。 （1）壓縮機(jī)的油壓低、水壓低等故障信號(hào)，可由現(xiàn)場(chǎng)防爆電接點(diǎn)壓力表測(cè)得，直接送到PLC，由PLC控制實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警和延時(shí)停車。 （2）增設(shè)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)傳感器，并將信號(hào)送到PLC，對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示和診斷。 5 設(shè)計(jì)體會(huì) （1）采用變頻控制后，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的軟啟動(dòng)，減少了啟動(dòng)電流對(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。 （3）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好。若壓縮機(jī)在變頻／工頻供電方式下運(yùn)行時(shí)，只需將增加的信息或信號(hào)引至PLC，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 （4）壓縮機(jī)的控制柜至電氣的主電機(jī)啟／停信號(hào)共用一個(gè)通道，非開(kāi)即停，而電氣部分開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)則需要兩個(gè)脈沖信號(hào)，分別用來(lái)啟／停主電機(jī)。 從安全角度看，電氣部分的設(shè)計(jì)可以防止維護(hù)檢查時(shí)主電機(jī)的誤啟動(dòng)；從設(shè)備角度看，電氣部分的設(shè)計(jì)可以防止繼電器長(zhǎng)時(shí)間帶電動(dòng)作，故利用PLC中的備用通道增加一路主電機(jī)停車信號(hào)，可避免上述隱故障。