液化天然气脱碳系统中吸收塔的过程控制研究

发布时间：2016-03-14 22:51

第1章  绪   论 

1.1  课题研究背景及意义 
随着经济社会的发展，能源的消耗日益增加。石油与煤炭资源的逐渐减少，人类需要面临能源短缺的问题。在消耗能源的同时，这些不可再生资源的开发与利用对环境也造成了很大影响。这些原因迫使人类开始寻找更可靠、清洁的能源来改善传统能源结构[1]。 天然气资源广义上不仅包括了一般意义上的天然气，也包括了油田伴生气和煤层产生的煤气等。一般天然气的资源分布区域离消费中心比较远，所以天然气资源的开发利用必须解决运输和储存的问题。天然气中的主要成分是甲烷，其临界温度相对较低，，在常温的情况下，主要是以气体形式存在。管道输送和液化天然气是天然气输送的两种主要方式。目前液化天然气是非常广泛的运送方式。特别是在管道铺设的成本相对较高，或者不适合采用管道铺设的情况下，液化天然气成为最佳选择。 由于液化天然气的采集成本与经济利益相对石油资源而言比较高，现在越来越多的国家开始对液化天然气进行研究。天然气与石油资源相比，对环境的污染相对较小，产生的氮氧化物与二氧化碳的量仅是煤油的20%和50%[2]。 天然气是一种开发相对简单，污染相对较少的能源，并且能够有效的解决当前石油和煤炭短缺带来的危机。从2012年到2025年间，天然气的消耗量年均增长率为2.8%。而煤油的年均增长率约为1.5%[3]。随着各国对天然气资源的不断开发和利用，预计到2025年，天然气的消耗量将会在全球的总能源消耗比例中占到30%。改革开放以来，随着国内经济技术的不断发展，政府加大了对天然气资源的开发和利用。特别是在西部大开发战略实施以来，西气东输管道的建成[4]，国内的天然气消耗量不断地增加。根据国内能源总局的统计数据[5]，从1997到2007年，这10年间，天然气消耗量的年均增长率为15%。在2009年底的一次统计中，天然气的消耗量占到中国能量消耗的3.9%，这对减小石油和煤炭资源的消耗提供了巨大的帮助。
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1.2  液化天然气主要应用领域
社会经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，能源的需求也不断提高，特别是在中小城镇，居民迫切希望能够利用洁净的能源，但是由于地理条件的限制，天然气管道建设困难，解决小城镇问题的只能通过液化天然气（Liquefied Natural Gas 简称 LNG）撬装站[7]或小型 LNG 瓶[8]等主要手段。液化天然气能够有效的降低投资成本，减少城镇居民的消费负担。LNG 橇装站是满足中小城镇居民及商业用户天然气需求的有效方式。从经济方面而言，能够有效的降低成本，提高天然气的城镇覆盖率；从城镇建设方面而言，可以完全随着城镇居民的拆迁和搬移，中断天然气运输，降低经济成本，并且这些基础设施能够实现重复利用，减少了资源的消耗，有利于可持续发展。 此外，LNG 气化站是一种机动性强，占地面积小，投资成本低，基础设施简单的天然气运输方式，特别适合在偏远的农村地区安装与建设，满足人们的消费需求。 小型 LNG 气化站在中小城镇发挥了不可替代的作用，为天然气管道的铺设创造了良好的条件，为大、中、小城市的天然气供气一体化做出了巨大的贡献。小型的LNG 气化站不仅可以作为天然气管道网络的备用气源站，还可以作为临时天然气的调度中心，调整用气高峰时刻的天然气需要，减少管道输送压力。
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第2章  LNG 工艺流程及吸收塔的工艺要求 

2.1  引言 
通过详细分析液化天然气场站的生产流程，并经过具体分析，选取脱碳单元作为主要的控制对象，详细分析了其工艺原理与生产流程、以及对主要仪表检测设备的精度以及控制要求。 

2.2 LNG 工艺流程 
天然气液化装置通过计量、净化、冷凝至液化等一系列工艺工程将原料气液化后送入储藏罐，经过泵送、装车运输[20-23]。液化天然气生产工艺流程如图2-1所示。 1)  原料气系统工艺流程 装置区内用户原料天然气供气管道上设有紧急切断阀，可作为整个装置进气管线的开关。原料气管路上设置调压、计量装置，将原料气压力减压至4.3MPa。原料气管线上设有分离器，粗分杂质后进入脱碳系统[24]。 2)  脱碳系统工艺流程 为了达到低温工作要求，经过脱碳处理后，天然气中的 CO2含量必须低于50PPmv。 原料气经过过滤器，剔除气体中的颗粒杂质和少量油分后，进入吸入塔，自上而下的与溶液进行接触，气体中的酸性成分将会被溶液吸收，在塔顶，经过洗涤、冷却，再经净化气分离器和净化气过滤器分离水份和杂质后送出界区。 3)  脱水系统工艺流程简述： 为了达到低温工作要求，经过脱水处理后，天然气中的 H2O 含量必须低于1PPmv。经过脱碳系统的净化天然气进入干燥器，通过4A 分子筛吸附脱除其中的 H2O小于1PPmv，进入粉尘过滤器，去除粉尘后进入脱汞系统[25]。 4)  脱汞系统工艺流程 鉴于汞的腐蚀作用，因此需要设置脱汞系统。经过脱汞净化后的气体含量需要降低到0.01μg/m3以下。 脱汞系统中采用专用吸附剂吸附汞[26]，可使用3～5年，不需再生。 经过脱水处理后的天然气，自上而下的经过脱汞处理，将汞的含量降低至0.01μg/m3以下，再经过脱尘处理，分成两股气体，分别进入天然气液化系统和脱水系统。 5)  天然气液化系统工艺流程 天然气液化系统采用混合冷剂三级节流制冷工艺，LNG 常压储存流程。制冷剂由氮、甲烷、丙烷、异戊烷和乙烯组成[27]。并采用重烃分离器脱除可能存在的少量重烃使之能满足天然气液化的要求。 
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第 3 章  吸收塔部分的控制方案及仪表选型 ...... 12 
3.1  引言 ....... 12 
3.2  吸收塔进口控制方案设计 ....... 12
3.3  主要仪表选型 ......... 14 
3.4  执行机构选型 ......... 19 
3.5  本章小结 ..... 19 
第 4 章  脱碳系统吸收塔控制系统设计 ........ 20 
4.1  引言 ....... 20 
4.2  吸收塔过程控制总体设计 ....... 20 
4.3  现场控制站设计 ..... 22
4.4  仪表远程监控设计 ....... 25 
4.4.1  工业信息化设计 .... 25 
4.4.2 GPRS DTU  配置 .... 26 
4.5  本章小结 ..... 27 
第 5 章  脱碳系统软件设计 .... 28 
5.1  引言 ....... 28 
5.2  下位机程序设计 ..... 28
5.3  上位机界面设计 ..... 31
5.4  本章小结 ..... 34  

第5章  脱碳系统软件设计 

5.1  引言 

本章主要是对LNG系统中的脱碳吸收塔部分的控制软件以及人机操作界面的设计。以 SIMATIC PCS7过程控制系统[35]为基础，设计的 LNG 脱碳控制系统，能够实现对现场设备的控制、工艺参数的现场检测、报警以及其它相关联控制动作。 根据吸收塔的工艺流程，参照设备类型，设计整个脱碳控制系统。软件程序设计时，需要考虑到工艺要求的控制性能和精度，以及与其他控制系统之间的配合。同时控制系统能够根据生产要求的不断变化接收上级的信息，及时对参数进行相应的调整。LNG 脱碳系统中吸收塔的过程控制系统主要采用了西门子的分布式控制系统：SIMATIC PCS 7。  SIMATIC PCS 7把独一无二的可扩缩构架与强大的工程组态工具以及丰富的附加功能，如报警管理、过程安全性和资产管理相结合，所有这些都可以无缝集成到现有的环境中。在液化天然气的整个控制工艺流程中，SIMATIC PCS 7 使得整个生产工程实现可靠、安全的运行。图5-1为 SIMATIC PCS 7系统中生产现场层的控制结构框图。 此外，在软件设计过程中，程序中必须包括很多的系统保护功能，系统硬件出现意外故障时，能够实现自动的保护。这样才能保证在调试或运行过程中不会因为偶然的操作失误或程序错误导致重大的经济损失。 

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结   论 

本文在结合我国能源结构以及天然气在应用过程中遇到的问题，分析了天然气的生产工艺流程，研究了液化天然气脱碳系统中吸收塔过程控制方法，进行了控制系统硬件设计与软件设计，实现了液化天然气脱碳系统的稳定运行，满足了生产工艺要求。具体成果如下： 1)  分析了液化天然气脱碳系统中吸收塔过程控制系统的工艺流程和性能指标，对于控制系统的软硬件设计和参数优化起到了帮助。 2)  设计了脱碳系统控制方案。主要包括：设备选型(压差、液位、流量、温度等检测仪表)和过程控制系统硬件设计。 3)  进行了脱碳吸收塔控制系统的设计。对控制系统进行分层设计，保证了液化天然气生产过程的安全可靠运行。采用了 GPRS DTU 远程数据传输模块，促进工业信息化进程。 4)  设计了控制程序及人机界面。通过调试及实际运行验证了控制程序的可行性及稳定性，并取得了良好的控制效果。人机界面为操作人员，技术人员和维护人员提供了详细的数据和信息，便于进行设备维护与故障诊断。 存在的主要问题：在实际系统运行过程中存在液位与流量控制实时性不高的问题，需要在以后的研究设计过程中加以改进。   
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参考文献(略) 

本文编号：34838