一種高效易行的大罐天然氣回收自動控制系統

1 引言
原油在集輸處理、儲存過程中，特別是進入聯合站一次沉降罐后，原油中的較輕組份大量揮發，在造成天然氣資源的浪費的同時，還對大氣環境造成污染。如果對這些組份加以回收，不僅增加了油田的天然氣產量，又節約了資源防止了油罐頂揮發出天然氣對大氣的污染，保護了環境，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，通過氣包的位置變化信號來控制壓縮機的運行，這種控制系統自動化程度低，受氣象環境干擾，刮風、下雨等會直接影響到行程開關的正常運行，導致壓縮機不正常啟停。后來在實際運營過程中不斷積累經驗，對控制系統進行自動化改進，撤掉氣包，控制系統采用差壓變送器，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，大大減少了設備的使用壽命;壓力波動大，經常造成差壓變送器的損害，而且管網出口壓力波動也很大。為了改善這些缺點我們曾采用PLC與變頻器相結合的控制方式，但設備造價高，當設備出現故障時，要在現場分析判斷，經常修改PLC程序，給設備的維護造成了極大的不方便。針對以上問題，采用上潤公司生產的PID自整定調節儀、八路報警儀及富士變頻器組成的集成控制系統，有效改善運行工況。
2 系統原理
系統采用了獨特的模擬人工智能調節技術，變頻器控制壓縮機的排量，使之隨油罐揮發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、輕組分經冷卻、分離、壓縮后外輸。為了安全生產，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，根據氣量變化調節壓縮機轉速。當第一臺壓縮機變頻運行，氣量增加時，壓縮機運轉頻率達到50Hz，不能達到控制要求時，自動切換到電網工頻運行，同時軟啟第二臺壓縮機變頻運行;當油罐壓力到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;當油罐氣量繼續減少，油罐壓力下降到150Pa時，自動報警，自力式補氣調節閥自動打開，進行補氣;當氣量繼續下降到100Pa時，自動報警，停機;當壓力回升到450Pa時，自動起機收氣，始終穩定油罐壓力在300~350Pa確保油罐安全。
該系統具有造價成本低，無需編程。根據罐頂揮發天然氣量的多少，隨意調節壓力，控制壓縮機的運行，具有運行平穩，控制精確，自動化程度高，維護方便等特點。
整套自動控制系統以PID自整定調節儀和變頻器為核心，附以其它的保護電路和報警電路，參見圖1:

圖1 控制系統組成框圖
(1) 保護裝置:保護系統主要由三部分組成，當其中的任何一部分達不到要求時，系統都不會工作。
l 來氣壓力的低壓保護系統:此保護采用雙重保護裝置，由SYWER差壓開關保護和差壓變送器與PID自整定調節儀構成的保護系統，以差壓變送器與PID自整定調節儀構成的保護系統為主，其工作原理如下:PID自整定調節儀為下下限報警，將兩個下下限報警分別設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自整定調節儀設定好，差壓變送器接收到的壓力信號轉變為電信號，傳輸到PID自整定調節儀，當壓力大于啟動壓力時，設備啟動;當壓力低于停止壓力時，設備停止工作。STWER差壓開關的壓力動作點略低于停止壓力，主要是在差壓變送器出現故障時，保證儲油罐不被抽成負壓，而且通過應急開關保證設備的運行。
l 出口壓力保護系統:主要是為了因管道堵塞而引起出口壓力過高時，關斷整套系統工作。
l 壓縮機的油壓保護，當壓縮機出現故障時，本臺壓縮機停止工作并報警。
(2) 檢測與控制系統
主要有差壓變送器、PID自整定調節儀、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自整定調節儀，PID自整定調節儀經過識別，當大于設定的啟動壓力時，變頻器開始平穩啟動;當進口壓力持續大于設定的壓力時，調節儀經過運算給出信號，變頻器加速;當達到平衡時，設備開始勻速運行。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;當產氣量減少時，變頻器減速;當達到下限頻率或低于停止壓力時，設備停止運行。
(3) 報警裝置
主要由八路報警儀及控制回路組成，當油泵及出口壓力等出現故障時，報警儀發出報警并顯示故障代碼，工作人員可根據故障代碼來判斷故障原因。
3 系統的特點及組成
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、差壓變送器及電接點壓力開關、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的油氣水分離器，分離出天然氣中的少量的冷凝水及輕質油后，天然氣進入壓縮機經壓縮后壓力升至0.15~0.3MPa，經流量計計量后，進入油田天然氣管網。
3.2 天然氣壓力信號采集系統特點
(1) 由于各個油區油氣成份存在較大差異，而且大灌原油中天然氣的揮發與來油量、溫度、天氣等各方面因素都有關，因而儲油罐頂部在單位時間內揮發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，容易出現故障。
(4) 出氣管道要暢通，否則容易發生安全事故。
3.4 控制系統保護措施
(1) 進口油氣保護和測量系統，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，我們在保護系統中采用了美國SYWER生產的差壓開關，在測量系統中，采用了天津自動化儀表廠生產的差壓變送器。
(2) 由于油罐氣體揮發的不穩定性，采用了一拖二控制系統，當一臺壓縮機不能滿足抽氣要求時，自動開啟另一臺壓縮機;當罐頂來氣量減少時，自動關閉另一臺壓縮機。
(3) 設置了壓縮機的保護系統:當壓縮機的油壓達不到要求時，壓縮機不能啟動;當來氣壓力較小，壓縮機須低于8Hz運行時，壓縮機停止工作;當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:該系統主要元件為電接點壓力表，當出口管道堵塞時，電接點壓力表動作，使整套系統停止工作并報警，防止安全事故的發生。
4 結束語
本控制系統自投入運行以來，大大減少了設備的維護費用，而且由于自動控制精確，提高了收氣量，減少了罐頂揮發天然氣跑損量，減少大氣環境污染，由于使用了PID自整定儀和變頻器，設備的啟停次數大大減少，延長了設備的使用壽命。
通過對該自動控制系統的多次改進，目前已日臻完善，設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中最為經濟合理、維護方便、操作簡單、運行可靠的一種控制方式。