一种高效易行的大罐天然气回收自动控制系统

1 引言
原油在集输处理、储存过程中，特别是进入联合站一次沉降罐后，原油中的较轻组份大量挥发，在造成天然气资源的浪费的同时，还对大气环境造成污染。如果对这些组份加以回收，不仅增加了油田的天然气产量，又节约了资源防止了油罐顶挥发出天然气对大气的污染，保护了环境，同时又防止了开口油罐和火种的接触，减少了油罐火险因素，增加了油气集输站的安全。
早期大灌回收装置采用皮囊控制系统，通过气包的位置变化信号来控制压缩机的运行，这种控制系统自动化程度低，受气象环境干扰，刮风、下雨等会直接影响到行程开关的正常运行，导致压缩机不正常启停。后来在实际运营过程中不断积累经验，对控制系统进行自动化改进，撤掉气包，控制系统采用差压变送器，接触器和电接点压力表等组成。这种控制方式，压缩机启动频繁，压力波动大。由于频繁启动，压缩机与油泵的磨损都很大，大大减少了设备的使用寿命;压力波动大，经常造成差压变送器的损害，而且管网出口压力波动也很大。为了改善这些缺点我们曾采用PLC与变频器相结合的控制方式，但设备造价高，当设备出现故障时，要在现场分析判断，经常修改PLC程序，给设备的维护造成了极大的不方便。针对以上问题，采用上润公司生产的PID自整定调节仪、八路报警仪及富士变频器组成的集成控制系统，有效改善运行工况。
2 系统原理
系统采用了独特的模拟人工智能调节技术，变频器控制压缩机的排量，使之随油罐挥发气的脉动变化而变化，使密闭油罐始终保持在微正压下安全运行。通过油罐烃蒸汽回收工艺密闭处理原油，在大罐顶部呼吸阀上引出收气管路，用空气压缩机对大罐进行抽气，收集的天然气、轻组分经冷却、分离、压缩后外输。为了安全生产，油罐气由引压管进入一次仪表微差压变送器，输出 4-20mA信号，随着油罐气的变化软启停压缩机，根据气量变化调节压缩机转速。当第一台压缩机变频运行，气量增加时，压缩机运转频率达到50Hz，不能达到控制要求时，自动切换到电网工频运行，同时软启第二台压缩机变频运行;当油罐压力到500Pa时，自动报警，水封罐放空;压力为1000Pa 时，罐顶微压安全阀放空;压力达到2000Pa时，罐顶上原有的液压安全阀放空。当油罐气量减少，第一台工频运行的压缩机停运，保留第二台压缩机变频运行;当油罐气量继续减少，油罐压力下降到150Pa时，自动报警，自力式补气调节阀自动打开，进行补气;当气量继续下降到100Pa时，自动报警，停机;当压力回升到450Pa时，自动起机收气，始终稳定油罐压力在300~350Pa确保油罐安全。
该系统具有造价成本低，无需编程。根据罐顶挥发天然气量的多少，随意调节压力，控制压缩机的运行，具有运行平稳，控制精确，自动化程度高，维护方便等特点。
整套自动控制系统以PID自整定调节仪和变频器为核心，附以其它的保护电路和报警电路，参见图1:

图1 控制系统组成框图
(1) 保护装置:保护系统主要由三部分组成，当其中的任何一部分达不到要求时，系统都不会工作。
l 来气压力的低压保护系统:此保护采用双重保护装置，由SYWER差压开关保护和差压变送器与PID自整定调节仪构成的保护系统，以差压变送器与PID自整定调节仪构成的保护系统为主，其工作原理如下:PID自整定调节仪为下下限报警，将两个下下限报警分别设置为停止压力和启动压力，启动压力大于停止压力，此两个压力由PID自整定调节仪设定好，差压变送器接收到的压力信号转变为电信号，传输到PID自整定调节仪，当压力大于启动压力时，设备启动;当压力低于停止压力时，设备停止工作。STWER差压开关的压力动作点略低于停止压力，主要是在差压变送器出现故障时，保证储油罐不被抽成负压，而且通过应急开关保证设备的运行。
l 出口压力保护系统:主要是为了因管道堵塞而引起出口压力过高时，关断整套系统工作。
l 压缩机的油压保护，当压缩机出现故障时，本台压缩机停止工作并报警。
(2) 检测与控制系统
主要有差压变送器、PID自整定调节仪、变频器及控制线路组成。其过程如下:差压变送器将采集到的来气压力信号，输入到PID自整定调节仪，PID自整定调节仪经过识别，当大于设定的启动压力时，变频器开始平稳启动;当进口压力持续大于设定的压力时，调节仪经过运算给出信号，变频器加速;当达到平衡时，设备开始匀速运行。如果变频器运行到上限检测频率时，来气压力始终大于设定压力时，自动启动另一台压缩机，此时变频器所带的压缩机主要起到压力平衡的作用。当变频器达到下限检测频率时，变频器输出工频停止信号，工频压缩机停止;当产气量减少时，变频器减速;当达到下限频率或低于停止压力时，设备停止运行。
(3) 报警装置
主要由八路报警仪及控制回路组成，当油泵及出口压力等出现故障时，报警仪发出报警并显示故障代码，工作人员可根据故障代码来判断故障原因。
3 系统的特点及组成
3.1 大罐收气工艺流程
大罐收气工艺流程如图2所示:

图2 大罐收气工艺流程
整个工作系统由一拖二智能控制柜、两台活塞式天然气压缩机、两台油泵、冷却水泵、压力开关、差压变送器及电接点压力开关、压力仪表、油气水分离器等组成。
该装置通过玻璃管线与油罐顶部相连接，密闭后的油罐所挥发出的天然气从罐顶人孔处引出的玻璃钢管线进入压缩机房内的油气水分离器，分离出天然气中的少量的冷凝水及轻质油后，天然气进入压缩机经压缩后压力升至0.15~0.3MPa，经流量计计量后，进入油田天然气管网。
3.2 天然气压力信号采集系统特点
(1) 由于各个油区油气成份存在较大差异，而且大灌原油中天然气的挥发与来油量、温度、天气等各方面因素都有关，因而储油罐顶部在单位时间内挥发的天然气的量有较大波动。
(2) 由储油罐的特点决定，在回收天然气时储油罐不能被抽成负压。
(3) 由压缩机的自身特点决定，压缩机一般不能在低于8Hz的情况下运行否则电机容易发热、且压缩机油泵的油压不能太低，否则压缩机得不到良好的润滑，容易出现故障。
(4) 出气管道要畅通，否则容易发生安全事故。
3.4 控制系统保护措施
(1) 进口油气保护和测量系统，保证储油罐不被抽成负压，而且在抽气过程中，能得到精确的进气管道的压力信号，为此，我们在保护系统中采用了美国SYWER生产的差压开关，在测量系统中，采用了天津自动化仪表厂生产的差压变送器。
(2) 由于油罐气体挥发的不稳定性，采用了一拖二控制系统，当一台压缩机不能满足抽气要求时，自动开启另一台压缩机;当罐顶来气量减少时，自动关闭另一台压缩机。
(3) 设置了压缩机的保护系统:当压缩机的油压达不到要求时，压缩机不能启动;当来气压力较小，压缩机须低于8Hz运行时，压缩机停止工作;当来气压力大于启动压力后，压缩机重新启动。
(4) 出口管道压力保护系统:该系统主要元件为电接点压力表，当出口管道堵塞时，电接点压力表动作，使整套系统停止工作并报警，防止安全事故的发生。
4 结束语
本控制系统自投入运行以来，大大减少了设备的维护费用，而且由于自动控制精确，提高了收气量，减少了罐顶挥发天然气跑损量，减少大气环境污染，由于使用了PID自整定仪和变频器，设备的启停次数大大减少，延长了设备的使用寿命。
通过对该自动控制系统的多次改进，目前已日臻完善，设备实际运行情况良好，我认为该控制方式是目前大罐收气控制系统中最为经济合理、维护方便、操作简单、运行可靠的一种控制方式。