摘 要: 在煤層氣脫水裝置中，三甘醇重沸器溫度是一個關(guān)鍵控制參數(shù)。針對三甘醇重沸器加熱爐燃料氣供氣管路，設(shè)計了一種溫度變送器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括溫度變送器、電磁閥、繼電器、上位機(jī)、采集卡件、控制線路等; 改進(jìn)了原來由儀表風(fēng)控制閥門啟閉對溫度控制的不準(zhǔn)確性。本文對實驗裝置的搭建和上位機(jī)硬件電路做了詳細(xì)說明。該裝置具有實時監(jiān)測、調(diào)節(jié)準(zhǔn)確等優(yōu)點，經(jīng)過測試該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和控制精que度，抗干擾能力強(qiáng)。
1 溫度變送器控制系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)采用控制加熱爐燃料氣供氣量的方式來調(diào)節(jié)加熱爐的熱量，進(jìn)而控制重沸器中三甘醇的溫度。
該溫度自控系統(tǒng)屬于煤層氣集輸處理領(lǐng)域，主要包括溫度變送器、電磁閥、繼電器、上位機(jī)、電源線、控制線，控制系統(tǒng)元件采用電子式，檢測元件為溫度變送器，調(diào)節(jié)元件為電磁閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為繼電器，邏輯換算由 PC 上位機(jī)程序完成。具體通過在三甘醇加熱爐主火管線上設(shè)置控制電磁閥，然后利用上位機(jī)對其發(fā)出開關(guān)指令，實現(xiàn)加熱爐主火的開啟和關(guān)閉; 而上位機(jī)是通過三甘醇重沸器溫度變送器上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)值而進(jìn)行發(fā)送指令，進(jìn)而實現(xiàn)了重沸器溫度精que地控制在198℃ ～200℃ 之間。圖 1 為 “溫度變送器 + 電磁閥”的電子調(diào)節(jié)方式設(shè)想控制流程。
避免溫度過高，達(dá)到 204℃ 會將三甘醇燒變質(zhì)，如果過低，低于 190℃，又達(dá)不到三甘醇富液再生為貧液的目的，不斷循環(huán)的貧液濃度需要達(dá)到99. 98%，所以需要將循環(huán)至重沸器的三甘醇富液中的水分快速徹底的蒸發(fā)出去，達(dá)到生產(chǎn)目的。以往，煤層氣脫水裝置重沸器溫度基本上采用的都是 “溫控器 + 溫控閥”的機(jī)械調(diào)節(jié)方式，存在機(jī)械元件老化快和控制不夠精que的問題。其中溫控器的工作原理就是利用雙金屬變形的原理檢測并控制儀表風(fēng)的通斷，儀表風(fēng)控制溫控閥的啟閉，進(jìn)而達(dá)到控制燃料氣主火氣源的大小，即加熱爐熱量的大小，達(dá)到控制重沸器內(nèi)三甘醇溫度的目的。圖
2 為機(jī)械調(diào)節(jié)方式邏輯框圖。
在再生爐燃料氣的主火管線上加裝一臺電磁閥，通過上位機(jī)與重沸器溫度變送器 (TＲY/PＲG/4 －20mA/10 － 30DC/LH2MS) 之間形成一個閉環(huán)控制，達(dá)到精que調(diào)節(jié)重沸器溫度的目的。為了避免三甘醇溫度過高或過低，將原有的 “溫控器 + 溫控閥”的調(diào)節(jié)方式改造為 “電磁閥 + 變送器”的調(diào)節(jié)方式。當(dāng)三甘醇再生撬在運行過程中，當(dāng)溫度變送器檢測到重沸器溫度達(dá)到 200℃以后，由上位機(jī)的控制程序?qū)﹄姶砰y發(fā)出 “關(guān)閉”的指令，電磁閥便切斷再生爐主火氣源，僅剩母火保持再生爐不滅，這時再生爐為 “小火”模式，在此模式下重沸器的溫度是緩慢下降的。當(dāng)溫度變送器檢測到重沸器溫度下降到 198℃時，由上位機(jī)的控制程序?qū)﹄姶砰y發(fā)出 “打開”的指令，電磁閥便打開再生爐主火氣源，這時再生爐為 “大火”模式，在此模式下重沸器溫度不斷升高。如此循環(huán)，確保重沸器內(nèi)三甘醇的溫度保持在 198℃ ～ 200℃ 之間。圖 3 為溫度自動控制模式邏輯框圖。
溫度自控系統(tǒng)常用于油氣田內(nèi)原油加熱爐、水加熱爐、再生介質(zhì)加熱爐的溫度調(diào)節(jié)。目前，常用的溫度自控系統(tǒng)主要用于再生介質(zhì)加熱爐燃料氣量的控制，從而達(dá)到控制再生介質(zhì)溫度的目的。
隨著煤層氣處理中心處理氣量的不斷增加，由原來的 200 多萬 m 3 /d 增加到 300 多萬 m 3 /d，調(diào)節(jié)溫度的工作量也隨之增加。而油氣田常用的溫度自控系統(tǒng)只能將溫度波動控制在正負(fù) 10℃ 以內(nèi)，不能實現(xiàn)將溫度波動精que的控制在正負(fù) 2℃以內(nèi)。
2 系統(tǒng)組成
目的是提供一種三甘醇加熱爐溫度自控系統(tǒng)，通過電磁閥、溫度變送器、上位機(jī)的 PID 控制，形成對三甘醇加熱爐主火的精que調(diào)節(jié)，#終達(dá)到將三甘醇加熱爐溫度波動范圍控制在正負(fù) 2℃ 以內(nèi)的目的。
電磁閥為電磁工作原理，保證閥門開關(guān)動作位置準(zhǔn)確; 溫度變送器安裝在重沸器中心位置，確保能夠精que檢測三甘醇溫度，安裝在溫度計套管內(nèi)，便于檢修時不停產(chǎn)更換; 將溫度變送器對應(yīng)的接線端子接入 DCS 相應(yīng)的模擬量輸入模塊端子，通過計算將 DCS 開關(guān)量輸出模塊端子與繼電器連接。開關(guān)量輸出模塊端子接出電磁閥開關(guān)信號線。在DCS 服務(wù)器內(nèi)編程: 當(dāng)重沸器溫度達(dá)到 198℃ 時，發(fā)出命令打開電磁閥; 當(dāng)重沸器溫度達(dá)到 200℃時，發(fā)出命令關(guān)閉電磁閥; #后，調(diào)試試驗整個溫度變送器控制系統(tǒng)控制精que性和靈敏性。本自動控制系統(tǒng)的效果是加熱爐溫度波動范圍可精que地控制在正負(fù) 2℃以內(nèi); 與手工燒爐相比節(jié)能約 8 ～10%; 減少氧化燒損 15%以上; 減少了大氣污染; 減輕了工人勞動強(qiáng)度; 與改造前比較，三甘醇單耗下降 2. 5kg/100t。
3 系統(tǒng)設(shè)計
3. 1 系統(tǒng)裝置
該自動控制系統(tǒng)由測量裝置 (溫度變送器)、邏輯控制裝置 (PC 上位機(jī))、執(zhí)行裝置 (電磁閥)三者連接而成。經(jīng)過對連接器件的選擇以及構(gòu)思模型搭建的方法，將本系統(tǒng)的裝置搭建如圖 4 所示。溫度變送器將數(shù)據(jù)傳送至邏輯換算的上位機(jī)，經(jīng)過換算后發(fā)送開關(guān)指令的繼電器，控制電磁閥的開關(guān)動作。
3. 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
考慮本系統(tǒng)所研制的工作環(huán)境，所選的 DCS卡件具有低功耗的特性，同時為了降低成本以及提高卡件的集成度以便于安裝，又要求該系統(tǒng)的控制回路不影響原來 DCS 系統(tǒng)的運行效果，因此本系統(tǒng)選取型號為396357-02-4 的系統(tǒng) DI 擴(kuò)展模塊，型號為 396358-02-0 系統(tǒng) DO 擴(kuò)展模塊作為測量裝置的控制卡片。
系統(tǒng)的總硬件電路圖如圖 5 所示，主要有三部分構(gòu)成，包括溫度變送器電路、數(shù)據(jù)采集電路和人機(jī)交互電路。溫度變送器電路是將現(xiàn)場重沸器內(nèi)的三甘醇溫度準(zhǔn)確無誤的傳送至 DCS 卡件; 數(shù)據(jù)采集電路將 DCS 卡件內(nèi)采集到的 4 ～ 20mA 電信號，進(jìn)行過濾后，由 12 位 AD 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，交由 DCS 主機(jī)處理; 以太網(wǎng)通信電路用于程序的下載和與 PC 上位機(jī)進(jìn)行通信。
3. 2. 1 數(shù)據(jù)采集電路圖
數(shù)據(jù)采集電路將 DCS 卡件內(nèi)采集到的 4 ～20mA 電信號，進(jìn)行過濾后，由 12 位 AD 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，交由 DCS 主機(jī)處理。
3. 2. 2 電磁閥供電及控制電路
電磁閥的控制電路也是在卡件內(nèi)完成，如圖 6(a) 所示。通過機(jī)柜室內(nèi) 24V 電源給現(xiàn)場電磁閥供電，提供其電磁線圈必要的動力，如圖 6 (b)所示。
3. 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計
程序設(shè)計流程圖如圖 7 所示。shou先啟動溫度控制模塊 LE，給控制模塊賦值高限和低限，接著進(jìn)入電磁閥 PVC 控制程序，啟動溫度控制模塊，然后循環(huán)控制溫度。
圖7 中 ＲS 是觸發(fā)器，條件1 滿足置1，條件2滿足復(fù)位。SEL 是選擇器，G 點等于 0 時輸出 sel_0 (標(biāo)簽名)，G 點等于 1 時輸出 sel_1 (標(biāo)簽名)，默認(rèn)里面的值是 0 和 1，0 代表不通電，1 代表通電。PVC 標(biāo)簽名代表現(xiàn)場控制電磁閥。
3. 4 人機(jī)交互界面設(shè)計
本系統(tǒng)通過在 Honeywell Station 5. 1. 800. 109平臺上進(jìn)行上位機(jī)軟件開發(fā)，上位機(jī)主界面如圖 8所示。
本系統(tǒng)設(shè)計上位機(jī)界面包括串口數(shù)據(jù)接收界面、溫度設(shè)定界面、溫度監(jiān)控界面、電磁閥開關(guān)狀態(tài)界面。串口數(shù)據(jù)接收界面主要功能為設(shè)置串口通信波特率、數(shù)據(jù)發(fā)送模式、數(shù)據(jù)接收和清空，且在程序運行時通過點擊波形顯示按鈕訪問波形顯示界面。
3. 5 實驗及數(shù)據(jù)分析
通過在上位機(jī)設(shè)定不同的高溫切斷和低溫打開溫度值，進(jìn)行多次試驗，得到不同設(shè)定溫度下的電流和動作時間如表 1 所示。
通過上述實驗的數(shù)據(jù)可以看出，動作溫度和設(shè)定溫度基本吻合，能夠精que控制主火溫度，達(dá)到了預(yù)期目的。
3. 6 結(jié)語
本設(shè)計將傳統(tǒng)的機(jī)械式控制改為電子式控制，在再生爐主火管線上安裝電磁閥，利用原重沸器溫度檢測變送器與上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)重沸器溫度精que的控制在 198℃ ～200℃之間。“電磁閥 + 變送器”的電子調(diào)節(jié)方式與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)不同，本設(shè)計采用的是電子電路控制，故障點少，控制精que。解決了人工控制溫度不夠精que、不夠及時的難題。本自控系統(tǒng)能夠為實際生產(chǎn)節(jié)約勞動力，降低三甘醇的損耗，提高外輸氣水露點合格率。而且電子元件相對于機(jī)械元件老化較慢，能夠較好的為生產(chǎn)服務(wù)。
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