对自控仪表系统在含硫天然气净化装置应用的探讨

摘  要：在含硫天然气净化的过程中，自控仪表系统发挥着重要的作用。基于此，本文依照测量类别的不同，对含硫天然气净化装置中压力测量、液位检测、温度测量、流量测量、在线分析这些现场仪表的具体应用进行了分析，并阐述了含硫天然气净化装置的重点环节控制方案。

关键词：自控仪表系统;含硫天然气净化装置;硫磺回收

中图分类号：TE967      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）14-0134-03

Discussion on Application of Auto-control Instrument System in

Sulfur-containing Natural Gas Purification Unit

ZHANG Wei

（North I-1 Cryogenic Station of the Three Oil and Gas Processing Brigades of Natural Gas Branch of

Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing  163453，China）

Abstract：In the process of purifying sulfur-containing natural gas，the automatic control instrument system plays an important role. Based on this，according to the different types of measurement，the specific applications of pressure measurement，liquid level detection，temperature measurement，flow measurement and on-line analysis of these field instruments in the sulfur-containing natural gas purification device are analyzed，and the control scheme of key links in the sulfur-containing natural gas purification device is expounded.

Keywords：automatic control instrument system;sulfur-containing natural gas purification unit;sulfur recovery

0  引  言

對于天然气净化装置来说，其主要对天然气中的化学药剂、游离水、固体杂质、酸性组分等进行去除，确保天然气达到管输要求。在天然气净化装置中，自控仪表系统发挥着重要的作用，其主要实现了对压力、液位、温度等参数的控制。在含硫天然气净化的过程中，由于其具有易燃易爆、腐蚀性强、高温高压等特性，所以对现场仪表有着不同的应用要求。在这样的情况下，相关人员要重点对含硫天然气净化装置中自控仪表系统的应用进行关注。

1  含硫天然气净化装置中现场仪表的具体应用分析

1.1  基于压力测量的仪表

就当前的技术发展情况来看，压力测量技术相对成熟，相关人员可以结合测量需求、测量环境等的不同进行不同压力测量仪表的选择与应用。其中，若是需要完成就地测量，则可以使用弹簧管式压力表;若是需要完成远程的压力数据传递，则可以使用智能压力、差压变送器等等。当被测介质的腐蚀性相对较强时，可以使用隔膜压力仪表完成实际的测量，而对于隔膜材质，可以结合被测介质的不同进行针对性的选择与应用。例如，当被测介质为盐酸时，隔膜材质可以选用哈氏合金C-276;当被测介质为含硫化氢时，隔膜材质可以选用316L不锈钢。

1.2  基于液位检测的仪表

在含硫天然气净化装置的现场仪表中，基于液位检测的仪表普遍为差压式液位计。差压式液位计的测量原理更加简单，技术也相对成熟，因此在含硫天然气净化装置中得到了更加广泛的应用。除此之外，差压式液位计的应用优势还有很多，包括对仪表维修养护人员的专业性要求不高、备件管理更加简单等等。就当前的情况来看，差压式液位计被普遍应用于脱水、脱硫、硫磺的回收、公用单元的液位测量等环节。诚然，差压式液位计有着较高的应用优势与使用范围，但是也存在一定的不足。例如，差压式液位计需要灌装隔离液，当脱硫单元中的溶液有严重的发泡现象时，液位测量的准确性将有所下降。

相比较而言，智能扭力管浮筒液位计有着更加稳定的性能，安装方式也更加多样。在一些重要的液位测量过程中，例如闪蒸塔液位测量、脱硫塔液位测量等，可以同时使用智能扭力管浮筒液位计与差压式液位计，实现液位的对比检测，进一步提升液位测量的准确性。这种液位测量仪表的性能较好，但是价格相对较高。

1.3  基于温度测量的仪表

在含硫天然气净化装置的现场仪表中，双金属温度计是最常应用的一种温度测量仪表。对于双金属温度计来说，其主要应用了保护套管结构。为了进一步提升对性能的保护，在进行管材质的选择时，可以结合实际的工况完成，在一些必要的条件下，可以对保护管的外部展开处理，实现其抗腐蚀能力的提升。在硫磺的回收装置中，其使用介质的温度相对较高，腐蚀性也更强，因此，必须要对双金属温度计的外表展开防腐蚀处理。

对于主燃烧炉来说，由于其温度相对较高，所以对温度测量仪表的材质、测量工艺等有着更多的要求。为了确保能够对主燃烧炉中的温度展开准确的测量，当前普遍应用非接触式测温仪表完成对温度的测量，包括光学高温计等等。诚然，我国目前应用的光学高温计基本为进口，所以有着较高的价格，但光学高温计基本不需要后期维护，因此后期养护成本更低。在对主燃烧炉外部的表面温度进行测量时，普遍应用热电偶完成温度的检测;在对反应器床层温度进行测量时，可以应用多点不同插深热电偶测量完成不同床层温度的检测（一般选择3点）[1]。

1.4  基于流量测量的仪表

在含硫天然气净化装置中，基于流量测量的仪表主要完成了进装置原料气以及出装置产品气的计量。现阶段，这样的测量过程主要应用了高级孔板阀计量完成。高级孔板阀计量能够更好地满足对于计量精确度的显示需求，且支持不停机的维修检查。在其他位置的流量测量，例如净化装置工艺参数的计量等，可以使用孔板法兰、简易孔板、涡街流量计、均速管流量计、转子流量计、电磁流量计、楔形流量计等仪表完成。

对于天然气净化装置的脱水单元来说，由于其中包含的气体气流量相对较小，所以可以使用内藏孔板流量计完成实际的测量，其主要原因在于这种类型的流量计的拆装维护更加方便;对于天然气净化装置的硫磺回收单元来说，可以应用进口均速管流量计完成对风机入口流量的测量;对硫磺回收单元来说，由于主燃烧炉的工作压力相对较低、要求的压损相对较小，所以可以使用文丘里管流量计完成主燃烧炉中的酸气、空气的流量测量。需要注意的是，所有的流量装置设计中，均要对节流件的尺寸进行重点关注，确保其能够适应压差测量范围。另外，由于进口涡街流量计的测量精度更高、测量范围更宽，所以比较适合应用于对计量准确性有更高要求的环节中，例如超级克劳斯工艺一、二、三级再热炉的空气及燃料气计量等。

1.5  基于在线分析的仪表

对于在线分析仪表来说，其主要完成了气质情况的第一时间分析，为后续的天然气净化操作提供了技術性的指导。现阶段，含硫天然气净化装置中使用的在线分析仪表主要有以下几种：

第一种是基于原料气在线全分析的仪表，其主要完成了对原料气组分的分析，为后续的净化操作提供支持[2]。第二种是基于净化天然气硫化氢在线分析的仪表，其主要对净化后天然气中的硫化氢含量进行分析，完成净化气合格性的实时监测，为净化操作的调整提供支持。第三种是基于产品天然气水露点分析的仪表，其主要对完成脱水操作后产品气的质量进行监控，为净化操作的调整提供支持。第四种是基于烟道气含氧量分析的仪表，其主要参与了硫磺回收尾气灼烧炉的配风控制。第五种是基于尾气二氧化硫含量分析的仪表，其主要实现了对外排尾气达标情况的监测，一旦净化装置出现异常，通过该仪表参数能够直接发现。第六，基于氢含量分析的仪表，其主要应用于斯科特尾气处理装置中，保证制氢炉反应效果的良好。

2  含硫天然气净化装置的重点环节控制方案分析

2.1  配风控制

本文主要以超级克劳斯回收工艺为例，对含硫天然气净化装置中主燃烧炉的配风方案进行说明，如图1所示是超级克劳斯回收工艺的流程简图。

在该工艺流程简图中，feed gas表示原料气体;air表示助燃空气;waste heat boiler表示余热锅炉;combustion chamber表示主助燃烧炉;condenser表示冷凝器;reheater表示再热炉;reactor表示反应器;incinerator表示灼烧炉;stack表示尾气烟囱;QC H2S/SO2表示反馈控制器;FrC表示比率控制器。在其实际的运行中，主要根据酸气的流量完成配比控制，可以将配风划分为两路，即主路配风与支路配风。其中，主路控制的空气占总量的90%，支路实现对剩余10%空气的控制。支路配风为选择控制，即可以结合其中二氧化硫与硫化氢的比值、二氧化硫的含量完成控制。在主路配风与支路配风的共同作用下，可以实现配风的精准控制。

配风控制的组态方式主要使用了功能块图构建的方式，同时涉及到空气流量以及酸气流量的计量。为了进一步确保配风控制的精准性，除了要用流量补偿公式完成补偿计算之外，还要对酸气中的组分控制进行考量。此时，能够形成如图2所示的配风控制简图。

在该控制简图中，acid gas表示酸气;main air表示主路配风;trim air表示支路配风;process gas表示过程气;XC表示选择控制器;ABC表示高级燃烧控制器。

2.2  反应器切换控制

对于冷床吸附硫磺回收工艺来说，反应器的切换极为重要[3]。在反应器切换的操作下，反应器能够不断完成吸附与再生，确保了硫磺回收装置的持续性运行。对于切换程序来说，其属于典型的顺控程序，可以将其划分为不同的步骤，这些步骤均由不同的条件完成判断。

利用程序控制阀，能够使得多个冷床吸附反应器完成吸收、再生的循环，保证了硫磺回收装置的实际效率。流程切换主要由四个三通阀、三个两通阀完成。在反应器中，通过加设的床层温度传感器，能够对反应步骤完成判断。为了确保阀门切换的准确程度，通常会在每一个程序控制阀门上加设阀位检测开关。在切换程序的过程中，通过应用DSC系统，能够使得顺控更加容易。在进行编程的过程中，要重点结合冷床吸附硫磺回收的工艺步骤完成。在程序的强逻辑性支持下，维护管理更加方便。

2.3  重要设备控制

在含硫天然气净化装置中，风机、空压机、溶液循环泵等为其中的重要设备。其中，风机（硫磺回收装置的风机）主要应用了进口风机，以保证其长时间的平稳运行。通常情况下，风机的启动、停止、复位操作与紧急停车等，均由现场控制盘完成。在实际的风机控制中，普遍使用了PLC控制，要结合实际的需求完成人机交互界面的配置。风机控制着负荷调节、连锁保护、一键式启动、防踹振控制等功能，同时，能够在通信系统的支持下，将PLC采集到的数据信息远程传输至控制室。

对于溶液循环泵来说，需要结合其实际功率的大小完成不同保护的配置。一般情况下，功率较大的电机、泵轴承温度、电机绕组的温度等由控制系统或是现场控制盘完成监控。在这样的配置下，能够在高温度、高振动的条件下为设备提供有效的保护。

3  结  论

综上所述，在含硫天然气净化的过程中，由于其工艺具有易燃易爆、腐蚀性强、高温高压等特性，所以对现场仪表有着不同的应用要求。通过应用基于压力测量的仪表、基于液位检测的仪表、基于温度测量的仪表、基于流量测量的仪表、基于在线分析的仪表，结合重点环节控制方案的实施，发挥出了自控仪表系统的作用，保证了含硫天然气净化装置的运行效果。

参考文献：

[1] 孙明.自控仪表系统框架协议采购策略之探析 [J].自动化应用，2018（10）：116-118.

[2] 李雨桐.天然气净化厂硫回收自动控制系统的设计 [D].成都：西南石油大学，2016.

[3] 陈世剑，郑民，高进，等.自控仪表系统在含硫天然气净化装置应用综述 [J].仪器仪表用户，2014，21（3）：19-22.

作者简介：张威（1987.11-），男，汉族，辽宁凤城人，仪表技术员，助理工程师，2010年毕业于韩国光州大学经营管理专业，本科，研究方向：仪表自动化。