一種高效易行的大罐天然氣回收自動控制系統(tǒng)

1 引言
原油在集輸處理、儲存過程中，特別是進入聯(lián)合站一次沉降罐后，原油中的較輕組份大量揮發(fā)，在造成天然氣資源的浪費的同時，還對大氣環(huán)境造成污染。如果對這些組份加以回收，不僅增加了油田的天然氣產(chǎn)量，又節(jié)約了資源防止了油罐頂揮發(fā)出天然氣對大氣的污染，保護了環(huán)境，同時又防止了開口油罐和火種的接觸，減少了油罐火險因素，增加了油氣集輸站的安全。
早期大灌回收裝置采用皮囊控制系統(tǒng)，通過氣包的位置變化信號來控制壓縮機的運行，這種控制系統(tǒng)自動化程度低，受氣象環(huán)境干擾，刮風(fēng)、下雨等會直接影響到行程開關(guān)的正常運行，導(dǎo)致壓縮機不正常啟停。后來在實際運營過程中不斷積累經(jīng)驗，對控制系統(tǒng)進行自動化改進，撤掉氣包，控制系統(tǒng)采用差壓變送器，接觸器和電接點壓力表等組成。這種控制方式，壓縮機啟動頻繁，壓力波動大。由于頻繁啟動，壓縮機與油泵的磨損都很大，大大減少了設(shè)備的使用壽命;壓力波動大，經(jīng)常造成差壓變送器的損害，而且管網(wǎng)出口壓力波動也很大。為了改善這些缺點我們曾采用PLC與變頻器相結(jié)合的控制方式，但設(shè)備造價高，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，要在現(xiàn)場分析判斷，經(jīng)常修改PLC程序，給設(shè)備的維護造成了極大的不方便。針對以上問題，采用上潤公司生產(chǎn)的PID自整定調(diào)節(jié)儀、八路報警儀及富士變頻器組成的集成控制系統(tǒng)，有效改善運行工況。
2 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)采用了獨特的模擬人工智能調(diào)節(jié)技術(shù)，變頻器控制壓縮機的排量，使之隨油罐揮發(fā)氣的脈動變化而變化，使密閉油罐始終保持在微正壓下安全運行。通過油罐烴蒸汽回收工藝密閉處理原油，在大罐頂部呼吸閥上引出收氣管路，用空氣壓縮機對大罐進行抽氣，收集的天然氣、輕組分經(jīng)冷卻、分離、壓縮后外輸。為了安全生產(chǎn)，油罐氣由引壓管進入一次儀表微差壓變送器，輸出 4-20mA信號，隨著油罐氣的變化軟啟停壓縮機，根據(jù)氣量變化調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速。當(dāng)?shù)谝慌_壓縮機變頻運行，氣量增加時，壓縮機運轉(zhuǎn)頻率達到50Hz，不能達到控制要求時，自動切換到電網(wǎng)工頻運行，同時軟啟第二臺壓縮機變頻運行;當(dāng)油罐壓力到500Pa時，自動報警，水封罐放空;壓力為1000Pa 時，罐頂微壓安全閥放空;壓力達到2000Pa時，罐頂上原有的液壓安全閥放空。當(dāng)油罐氣量減少，第一臺工頻運行的壓縮機停運，保留第二臺壓縮機變頻運行;當(dāng)油罐氣量繼續(xù)減少，油罐壓力下降到150Pa時，自動報警，自力式補氣調(diào)節(jié)閥自動打開，進行補氣;當(dāng)氣量繼續(xù)下降到100Pa時，自動報警，停機;當(dāng)壓力回升到450Pa時，自動起機收氣，始終穩(wěn)定油罐壓力在300~350Pa確保油罐安全。
該系統(tǒng)具有造價成本低，無需編程。根據(jù)罐頂揮發(fā)天然氣量的多少，隨意調(diào)節(jié)壓力，控制壓縮機的運行，具有運行平穩(wěn)，控制精確，自動化程度高，維護方便等特點。
整套自動控制系統(tǒng)以PID自整定調(diào)節(jié)儀和變頻器為核心，附以其它的保護電路和報警電路，參見圖1:

圖1 控制系統(tǒng)組成框圖
(1) 保護裝置:保護系統(tǒng)主要由三部分組成，當(dāng)其中的任何一部分達不到要求時，系統(tǒng)都不會工作。
l 來氣壓力的低壓保護系統(tǒng):此保護采用雙重保護裝置，由SYWER差壓開關(guān)保護和差壓變送器與PID自整定調(diào)節(jié)儀構(gòu)成的保護系統(tǒng)，以差壓變送器與PID自整定調(diào)節(jié)儀構(gòu)成的保護系統(tǒng)為主，其工作原理如下:PID自整定調(diào)節(jié)儀為下下限報警，將兩個下下限報警分別設(shè)置為停止壓力和啟動壓力，啟動壓力大于停止壓力，此兩個壓力由PID自整定調(diào)節(jié)儀設(shè)定好，差壓變送器接收到的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑐鬏數(shù)絇ID自整定調(diào)節(jié)儀，當(dāng)壓力大于啟動壓力時，設(shè)備啟動;當(dāng)壓力低于停止壓力時，設(shè)備停止工作。STWER差壓開關(guān)的壓力動作點略低于停止壓力，主要是在差壓變送器出現(xiàn)故障時，保證儲油罐不被抽成負壓，而且通過應(yīng)急開關(guān)保證設(shè)備的運行。
l 出口壓力保護系統(tǒng):主要是為了因管道堵塞而引起出口壓力過高時，關(guān)斷整套系統(tǒng)工作。
l 壓縮機的油壓保護，當(dāng)壓縮機出現(xiàn)故障時，本臺壓縮機停止工作并報警。
(2) 檢測與控制系統(tǒng)
主要有差壓變送器、PID自整定調(diào)節(jié)儀、變頻器及控制線路組成。其過程如下:差壓變送器將采集到的來氣壓力信號，輸入到PID自整定調(diào)節(jié)儀，PID自整定調(diào)節(jié)儀經(jīng)過識別，當(dāng)大于設(shè)定的啟動壓力時，變頻器開始平穩(wěn)啟動;當(dāng)進口壓力持續(xù)大于設(shè)定的壓力時，調(diào)節(jié)儀經(jīng)過運算給出信號，變頻器加速;當(dāng)達到平衡時，設(shè)備開始勻速運行。如果變頻器運行到上限檢測頻率時，來氣壓力始終大于設(shè)定壓力時，自動啟動另一臺壓縮機，此時變頻器所帶的壓縮機主要起到壓力平衡的作用。當(dāng)變頻器達到下限檢測頻率時，變頻器輸出工頻停止信號，工頻壓縮機停止;當(dāng)產(chǎn)氣量減少時，變頻器減速;當(dāng)達到下限頻率或低于停止壓力時，設(shè)備停止運行。
(3) 報警裝置
主要由八路報警儀及控制回路組成，當(dāng)油泵及出口壓力等出現(xiàn)故障時，報警儀發(fā)出報警并顯示故障代碼，工作人員可根據(jù)故障代碼來判斷故障原因。
3 系統(tǒng)的特點及組成
3.1 大罐收氣工藝流程
大罐收氣工藝流程如圖2所示:

圖2 大罐收氣工藝流程
整個工作系統(tǒng)由一拖二智能控制柜、兩臺活塞式天然氣壓縮機、兩臺油泵、冷卻水泵、壓力開關(guān)、差壓變送器及電接點壓力開關(guān)、壓力儀表、油氣水分離器等組成。
該裝置通過玻璃管線與油罐頂部相連接，密閉后的油罐所揮發(fā)出的天然氣從罐頂人孔處引出的玻璃鋼管線進入壓縮機房內(nèi)的油氣水分離器，分離出天然氣中的少量的冷凝水及輕質(zhì)油后，天然氣進入壓縮機經(jīng)壓縮后壓力升至0.15~0.3MPa，經(jīng)流量計計量后，進入油田天然氣管網(wǎng)。
3.2 天然氣壓力信號采集系統(tǒng)特點
(1) 由于各個油區(qū)油氣成份存在較大差異，而且大灌原油中天然氣的揮發(fā)與來油量、溫度、天氣等各方面因素都有關(guān)，因而儲油罐頂部在單位時間內(nèi)揮發(fā)的天然氣的量有較大波動。
(2) 由儲油罐的特點決定，在回收天然氣時儲油罐不能被抽成負壓。
(3) 由壓縮機的自身特點決定，壓縮機一般不能在低于8Hz的情況下運行否則電機容易發(fā)熱、且壓縮機油泵的油壓不能太低，否則壓縮機得不到良好的潤滑，容易出現(xiàn)故障。
(4) 出氣管道要暢通，否則容易發(fā)生安全事故。
3.4 控制系統(tǒng)保護措施
(1) 進口油氣保護和測量系統(tǒng)，保證儲油罐不被抽成負壓，而且在抽氣過程中，能得到精確的進氣管道的壓力信號，為此，我們在保護系統(tǒng)中采用了美國SYWER生產(chǎn)的差壓開關(guān)，在測量系統(tǒng)中，采用了天津自動化儀表廠生產(chǎn)的差壓變送器。
(2) 由于油罐氣體揮發(fā)的不穩(wěn)定性，采用了一拖二控制系統(tǒng)，當(dāng)一臺壓縮機不能滿足抽氣要求時，自動開啟另一臺壓縮機;當(dāng)罐頂來氣量減少時，自動關(guān)閉另一臺壓縮機。
(3) 設(shè)置了壓縮機的保護系統(tǒng):當(dāng)壓縮機的油壓達不到要求時，壓縮機不能啟動;當(dāng)來氣壓力較小，壓縮機須低于8Hz運行時，壓縮機停止工作;當(dāng)來氣壓力大于啟動壓力后，壓縮機重新啟動。
(4) 出口管道壓力保護系統(tǒng):該系統(tǒng)主要元件為電接點壓力表，當(dāng)出口管道堵塞時，電接點壓力表動作，使整套系統(tǒng)停止工作并報警，防止安全事故的發(fā)生。
4 結(jié)束語
本控制系統(tǒng)自投入運行以來，大大減少了設(shè)備的維護費用，而且由于自動控制精確，提高了收氣量，減少了罐頂揮發(fā)天然氣跑損量，減少大氣環(huán)境污染，由于使用了PID自整定儀和變頻器，設(shè)備的啟停次數(shù)大大減少，延長了設(shè)備的使用壽命。
通過對該自動控制系統(tǒng)的多次改進，目前已日臻完善，設(shè)備實際運行情況良好，我認為該控制方式是目前大罐收氣控制系統(tǒng)中最為經(jīng)濟合理、維護方便、操作簡單、運行可靠的一種控制方式。