發(fā)布時(shí)間：2016-03-14 22:51

第1章  緒   論 

1.1  課題研究背景及意義 
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，能源的消耗日益增加。石油與煤炭資源的逐漸減少，人類需要面臨能源短缺的問題。在消耗能源的同時(shí)，這些不可再生資源的開發(fā)與利用對(duì)環(huán)境也造成了很大影響。這些原因迫使人類開始尋找更可靠、清潔的能源來改善傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)[1]。 天然氣資源廣義上不僅包括了一般意義上的天然氣，也包括了油田伴生氣和煤層產(chǎn)生的煤氣等。一般天然氣的資源分布區(qū)域離消費(fèi)中心比較遠(yuǎn)，所以天然氣資源的開發(fā)利用必須解決運(yùn)輸和儲(chǔ)存的問題。天然氣中的主要成分是甲烷，其臨界溫度相對(duì)較低，，在常溫的情況下，主要是以氣體形式存在。管道輸送和液化天然氣是天然氣輸送的兩種主要方式。目前液化天然氣是非常廣泛的運(yùn)送方式。特別是在管道鋪設(shè)的成本相對(duì)較高，或者不適合采用管道鋪設(shè)的情況下，液化天然氣成為最佳選擇。 由于液化天然氣的采集成本與經(jīng)濟(jì)利益相對(duì)石油資源而言比較高，現(xiàn)在越來越多的國家開始對(duì)液化天然氣進(jìn)行研究。天然氣與石油資源相比，對(duì)環(huán)境的污染相對(duì)較小，產(chǎn)生的氮氧化物與二氧化碳的量?jī)H是煤油的20%和50%[2]。 天然氣是一種開發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，污染相對(duì)較少的能源，并且能夠有效的解決當(dāng)前石油和煤炭短缺帶來的危機(jī)。從2012年到2025年間，天然氣的消耗量年均增長率為2.8%。而煤油的年均增長率約為1.5%[3]。隨著各國對(duì)天然氣資源的不斷開發(fā)和利用，預(yù)計(jì)到2025年，天然氣的消耗量將會(huì)在全球的總能源消耗比例中占到30%。改革開放以來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，政府加大了對(duì)天然氣資源的開發(fā)和利用。特別是在西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來，西氣東輸管道的建成[4]，國內(nèi)的天然氣消耗量不斷地增加。根據(jù)國內(nèi)能源總局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5]，從1997到2007年，這10年間，天然氣消耗量的年均增長率為15%。在2009年底的一次統(tǒng)計(jì)中，天然氣的消耗量占到中國能量消耗的3.9%，這對(duì)減小石油和煤炭資源的消耗提供了巨大的幫助。
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1.2  液化天然氣主要應(yīng)用領(lǐng)域
社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，能源的需求也不斷提高，特別是在中小城鎮(zhèn)，居民迫切希望能夠利用潔凈的能源，但是由于地理?xiàng)l件的限制，天然氣管道建設(shè)困難，解決小城鎮(zhèn)問題的只能通過液化天然氣（Liquefied Natural Gas 簡(jiǎn)稱 LNG）撬裝站[7]或小型 LNG 瓶[8]等主要手段。液化天然氣能夠有效的降低投資成本，減少城鎮(zhèn)居民的消費(fèi)負(fù)擔(dān)。LNG 橇裝站是滿足中小城鎮(zhèn)居民及商業(yè)用戶天然氣需求的有效方式。從經(jīng)濟(jì)方面而言，能夠有效的降低成本，提高天然氣的城鎮(zhèn)覆蓋率；從城鎮(zhèn)建設(shè)方面而言，可以完全隨著城鎮(zhèn)居民的拆遷和搬移，中斷天然氣運(yùn)輸，降低經(jīng)濟(jì)成本，并且這些基礎(chǔ)設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)利用，減少了資源的消耗，有利于可持續(xù)發(fā)展。 此外，LNG 氣化站是一種機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，占地面積小，投資成本低，基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)單的天然氣運(yùn)輸方式，特別適合在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)安裝與建設(shè)，滿足人們的消費(fèi)需求。 小型 LNG 氣化站在中小城鎮(zhèn)發(fā)揮了不可替代的作用，為天然氣管道的鋪設(shè)創(chuàng)造了良好的條件，為大、中、小城市的天然氣供氣一體化做出了巨大的貢獻(xiàn)。小型的LNG 氣化站不僅可以作為天然氣管道網(wǎng)絡(luò)的備用氣源站，還可以作為臨時(shí)天然氣的調(diào)度中心，調(diào)整用氣高峰時(shí)刻的天然氣需要，減少管道輸送壓力。
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第2章  LNG 工藝流程及吸收塔的工藝要求 

2.1  引言 
通過詳細(xì)分析液化天然氣場(chǎng)站的生產(chǎn)流程，并經(jīng)過具體分析，選取脫碳單元作為主要的控制對(duì)象，詳細(xì)分析了其工藝原理與生產(chǎn)流程、以及對(duì)主要儀表檢測(cè)設(shè)備的精度以及控制要求。 

2.2 LNG 工藝流程 
天然氣液化裝置通過計(jì)量、凈化、冷凝至液化等一系列工藝工程將原料氣液化后送入儲(chǔ)藏罐，經(jīng)過泵送、裝車運(yùn)輸[20-23]。液化天然氣生產(chǎn)工藝流程如圖2-1所示。 1)  原料氣系統(tǒng)工藝流程 裝置區(qū)內(nèi)用戶原料天然氣供氣管道上設(shè)有緊急切斷閥，可作為整個(gè)裝置進(jìn)氣管線的開關(guān)。原料氣管路上設(shè)置調(diào)壓、計(jì)量裝置，將原料氣壓力減壓至4.3MPa。原料氣管線上設(shè)有分離器，粗分雜質(zhì)后進(jìn)入脫碳系統(tǒng)[24]。 2)  脫碳系統(tǒng)工藝流程 為了達(dá)到低溫工作要求，經(jīng)過脫碳處理后，天然氣中的 CO2含量必須低于50PPmv。 原料氣經(jīng)過過濾器，剔除氣體中的顆粒雜質(zhì)和少量油分后，進(jìn)入吸入塔，自上而下的與溶液進(jìn)行接觸，氣體中的酸性成分將會(huì)被溶液吸收，在塔頂，經(jīng)過洗滌、冷卻，再經(jīng)凈化氣分離器和凈化氣過濾器分離水份和雜質(zhì)后送出界區(qū)。 3)  脫水系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)述： 為了達(dá)到低溫工作要求，經(jīng)過脫水處理后，天然氣中的 H2O 含量必須低于1PPmv。經(jīng)過脫碳系統(tǒng)的凈化天然氣進(jìn)入干燥器，通過4A 分子篩吸附脫除其中的 H2O小于1PPmv，進(jìn)入粉塵過濾器，去除粉塵后進(jìn)入脫汞系統(tǒng)[25]。 4)  脫汞系統(tǒng)工藝流程 鑒于汞的腐蝕作用，因此需要設(shè)置脫汞系統(tǒng)。經(jīng)過脫汞凈化后的氣體含量需要降低到0.01μg/m3以下。 脫汞系統(tǒng)中采用專用吸附劑吸附汞[26]，可使用3～5年，不需再生。 經(jīng)過脫水處理后的天然氣，自上而下的經(jīng)過脫汞處理，將汞的含量降低至0.01μg/m3以下，再經(jīng)過脫塵處理，分成兩股氣體，分別進(jìn)入天然氣液化系統(tǒng)和脫水系統(tǒng)。 5)  天然氣液化系統(tǒng)工藝流程 天然氣液化系統(tǒng)采用混合冷劑三級(jí)節(jié)流制冷工藝，LNG 常壓儲(chǔ)存流程。制冷劑由氮、甲烷、丙烷、異戊烷和乙烯組成[27]。并采用重?zé)N分離器脫除可能存在的少量重?zé)N使之能滿足天然氣液化的要求。 
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第 3 章  吸收塔部分的控制方案及儀表選型 ...... 12 
3.1  引言 ....... 12 
3.2  吸收塔進(jìn)口控制方案設(shè)計(jì) ....... 12
3.3  主要儀表選型 ......... 14 
3.4  執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型 ......... 19 
3.5  本章小結(jié) ..... 19 
第 4 章  脫碳系統(tǒng)吸收塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........ 20 
4.1  引言 ....... 20 
4.2  吸收塔過程控制總體設(shè)計(jì) ....... 20 
4.3  現(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)計(jì) ..... 22
4.4  儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì) ....... 25 
4.4.1  工業(yè)信息化設(shè)計(jì) .... 25 
4.4.2 GPRS DTU  配置 .... 26 
4.5  本章小結(jié) ..... 27 
第 5 章  脫碳系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .... 28 
5.1  引言 ....... 28 
5.2  下位機(jī)程序設(shè)計(jì) ..... 28
5.3  上位機(jī)界面設(shè)計(jì) ..... 31
5.4  本章小結(jié) ..... 34  

第5章  脫碳系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 

5.1  引言 

本章主要是對(duì)LNG系統(tǒng)中的脫碳吸收塔部分的控制軟件以及人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)。以 SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)[35]為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的 LNG 脫碳控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制、工藝參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、報(bào)警以及其它相關(guān)聯(lián)控制動(dòng)作。 根據(jù)吸收塔的工藝流程，參照設(shè)備類型，設(shè)計(jì)整個(gè)脫碳控制系統(tǒng)。軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到工藝要求的控制性能和精度，以及與其他控制系統(tǒng)之間的配合。同時(shí)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)要求的不斷變化接收上級(jí)的信息，及時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。LNG 脫碳系統(tǒng)中吸收塔的過程控制系統(tǒng)主要采用了西門子的分布式控制系統(tǒng)：SIMATIC PCS 7。  SIMATIC PCS 7把獨(dú)一無二的可擴(kuò)縮構(gòu)架與強(qiáng)大的工程組態(tài)工具以及豐富的附加功能，如報(bào)警管理、過程安全性和資產(chǎn)管理相結(jié)合，所有這些都可以無縫集成到現(xiàn)有的環(huán)境中。在液化天然氣的整個(gè)控制工藝流程中，SIMATIC PCS 7 使得整個(gè)生產(chǎn)工程實(shí)現(xiàn)可靠、安全的運(yùn)行。圖5-1為 SIMATIC PCS 7系統(tǒng)中生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層的控制結(jié)構(gòu)框圖。 此外，在軟件設(shè)計(jì)過程中，程序中必須包括很多的系統(tǒng)保護(hù)功能，系統(tǒng)硬件出現(xiàn)意外故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)的保護(hù)。這樣才能保證在調(diào)試或運(yùn)行過程中不會(huì)因?yàn)榕既坏牟僮魇д`或程序錯(cuò)誤導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失。 

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結(jié)   論 

本文在結(jié)合我國能源結(jié)構(gòu)以及天然氣在應(yīng)用過程中遇到的問題，分析了天然氣的生產(chǎn)工藝流程，研究了液化天然氣脫碳系統(tǒng)中吸收塔過程控制方法，進(jìn)行了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了液化天然氣脫碳系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了生產(chǎn)工藝要求。具體成果如下： 1)  分析了液化天然氣脫碳系統(tǒng)中吸收塔過程控制系統(tǒng)的工藝流程和性能指標(biāo)，對(duì)于控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化起到了幫助。 2)  設(shè)計(jì)了脫碳系統(tǒng)控制方案。主要包括：設(shè)備選型(壓差、液位、流量、溫度等檢測(cè)儀表)和過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 3)  進(jìn)行了脫碳吸收塔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，保證了液化天然氣生產(chǎn)過程的安全可靠運(yùn)行。采用了 GPRS DTU 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，促進(jìn)工業(yè)信息化進(jìn)程。 4)  設(shè)計(jì)了控制程序及人機(jī)界面。通過調(diào)試及實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了控制程序的可行性及穩(wěn)定性，并取得了良好的控制效果。人機(jī)界面為操作人員，技術(shù)人員和維護(hù)人員提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)和信息，便于進(jìn)行設(shè)備維護(hù)與故障診斷。 存在的主要問題：在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在液位與流量控制實(shí)時(shí)性不高的問題，需要在以后的研究設(shè)計(jì)過程中加以改進(jìn)。   
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：34838