凝液稳定装置中的自动控制应用

陈丽君

（中海油石化工程有限公司 青岛分公司 自控室，山东 青岛 266100）

天然气凝液是指从气田开采的天然气中凝析出来的液烃混合物，习惯上也被称为轻烃或凝析油。未经过稳定的天然气凝液在储存或运输过程中，会产生油气挥发损失，不仅对环境造成危害，而且是对能源的极大浪费[1]。凝液稳定装置可以将凝液中挥发性强的轻组分脱除，减少凝液在常温常压下的蒸发损耗，使凝液稳定。以某海外项目天然气处理厂的凝液稳定装置为例，对凝液稳定处理装置中的自动控制应用进行研究，供广大设计人员参考与探讨。

1 凝液稳定装置的工艺分析

1.1 工艺流程

未经稳定处理前，该天然气处理厂产生的凝液被直接收集后返输至原油处理入口，致使油处理系统中含有大量的轻烃，在原油处理过程中，水洗罐为常压操作，凝液中的轻烃容易挥发，低压火炬因夹带凝液而造成燃烧不充分，导致火炬冒黑烟现象非常严重，不仅造成了能源的浪费，而且产生了环境污染。引入凝液稳定工艺的目的就是在凝液储存之前将其中的轻组分除去，主要是对其中挥发性最强的C1～C4组分进行分离，分离得越多越彻底，凝液的稳定程度越高。

图1 凝液稳定装置流程示意Fig.1 Typical flow diagram of condensate stabilizer device

凝液稳定装置流程示意如图1所示，该凝液稳定装置采用单塔稳定工艺。含水未稳定的天然气首先进入凝液分离器（三相分离器）中进行油、水、气的初步分离，然后凝液进入凝液稳定塔，塔底重沸器对凝液进行加热并产生上升的蒸汽，塔顶蒸汽经冷凝、回流，由塔顶返回稳定塔再次分馏，塔底排出稳定后的天然气凝液，经换热后引出装置。因油田伴生气有富余，为增强生产装置操作稳定性，该工艺中稳定气未考虑回收，直接去火炬燃烧。

1.2 运行模式

为满足3种不同的应用需求，该凝液稳定装置设计了3种运行模式，分别为：

1）稳定模式

凝液接收系统的凝液进入三相分离器中进行油、水、气分离，然后气体燃烧，水进入水处理系统。分离器出口的凝液从塔顶进入凝液稳定塔，塔顶的气体直接燃烧而不凝结，塔底稳定的凝液进入现有的原油储罐。

稳定模式能保证塔底凝液达到稳定要求，可直接与原油掺混。

2）贫气模式

凝液收集系统的凝液进入三相分离器进行油、水、气分离，然后气体燃烧，水进入水处理系统。分离器出口的凝液从塔顶进入凝液稳定塔，塔顶的气体进入塔顶冷凝器，然后进入塔顶回流罐进行气、液分离后，气体燃烧，液体被抽回到稳定塔顶部进行回流。塔底冷凝产品被送出装置。

贫气模式的塔顶气组分最轻，利于消烟，但塔底产品不够稳定。

3）直掺模式

凝液收集系统的凝液进入三相分离器进行油、水、气分离。然后气体燃烧，水进入水处理系统。分离器出口的凝液被直接送出装置。

直掺模式的凝液回收率最高，能耗最低，收益最大。

2 自动控制应用

2.1 三种运行模式切换

三种运行模式下的介质流向不同，主要表现在：稳定模式下稳定塔塔顶气体直接燃烧而不进行冷凝回流；贫气模式下塔顶气体经塔顶冷凝器和塔顶回流罐后，气液分离，气体燃烧，液体被抽回到塔顶进行回流；直掺模式下凝液稳定塔被旁通掉，由三相分离器分离出的凝液不经过分馏而被直接回收。

控制介质流向主要通过在关键回路上设置的开关阀来实现，通过控制系统完成不同模式下开关阀的预定动作，保证介质流经特定的管路和设备，分别完成3种特定的工艺流程。同时，由于3种模式运行时的工艺参数不同，控制要求也不同，控制系统不仅要控制介质流向，还要完成对控制回路的切换，实现单一工艺参数对应于多个变量的控制要求。如图2所示，以凝液分离器液位控制为例，直掺模式下，XV-1101关闭，XV-1102打开，凝液分离器出口的冷凝液被凝液提升泵直接送出装置，凝液分离罐的液位LT-1101由泵出口控制阀LV-1101控制；稳定/贫气模式下，XV-1101打开，XV-1102关闭，凝液经换热器换热后进入凝液稳定塔分馏，FV-1101作为出口流量控制阀，LT-1101与至换热器的流量FT-1101构成串级控制系统。两种工况下LT-1101分别作为两个PID控制回路的被控变量，通过MHS-1101软开关控制两种工况下的信号切换。

图2 凝液分离器自动控制流程示意Fig.2 Typical flow diagram of condensate separator automatic control

表1 3种运行模式下控制系统设置列表Table 1 List of control system settings in three operating modes

通过软件组态在操作站设置模式选择软开关分别对应于稳定模式、贫气模式和直掺模式，对3种运行模式下的各控制参数进行预先设定，当操作员人工选择某一运行模式开关时，即可实现3种模式的远程一键切换，切换内容主要包括控制开关阀的开/关动作，设置MHS切换软开关控制信号流向，修改变送器的给定值和报警值等参数，设置情况如表1所示。

2.2 主要自动控制方案

2.2.1 凝液分离器的压力分程控制

凝液分离器采用三相分离器，凝液在三相分离器内停留过程中，油和水存在着密度差，游离水沉降，原油上浮，形成油、水两相，从而油、水分离，油气由三相分离器顶部排出至火炬燃烧。当凝液来液中的轻组分不能满足三相分离器的压力时，需通过补气线进行人工或自动调节。

如图2所示，该装置设有气相出口压力检测PT-1101，与补气线调节阀PV-1101A（气开阀）和排气线调节阀PV-1101B（气关阀）构成了分程控制系统。正常工况下，补气阀PV-1101A关闭，由压力控制器PIC-1101输出信号至PV-1101B进行压力调节；当工作压力低于设定值，排气阀PV-1101B全关也无法满足压力需求时，补气阀PV-1101A开始工作，并接收PIC-1101的信号进行调节，使压力回到设定值。补气阀与排气阀协调配合，分段工作[2]，对凝液分离器的压力进行分程控制，共同稳定凝液分离器的压力。

2.2.2 稳定塔塔顶回流量的选择性控制

稳定塔塔顶温度是由回流罐的回流冷量来提供的，回流量过大，塔顶温度降低，气体轻烃不易从凝液中脱出，塔底轻组分含量上升，饱和蒸汽压增加，原油产品不纯；回流量过小，塔顶温度增加，少量的重组分从塔顶蒸出，导致火炬冒黑烟，造成能源浪费及环境污染。

该装置塔顶回流量控制采用了塔顶气温度TT-1201与回流罐液位LT-1201构成的选择性控制系统，流程示意如图3所示。选择性控制系统又称为超驰控制系统，即当自动控制系统接到事故报警、偏差越限、故障等异常信号时，控制逻辑自动改变控制模式，用另一个控制回路替代原有控制回路，使工艺过程进入预先设定的安全状态，待工况恢复正常时再自动切换回原来的控制方式，并发出报警信号[3]。

图3 稳定塔塔顶回流控制流程示意Fig.3 Typical flow diagram of top reflux control

正常工况下，塔顶气温度TT-1201未超过安全软限，回流量由回流罐液位LT-1201进行控制；若受到扰动影响，TT-1201产生波动而超过了安全软限，控制系统即刻发出报警，同时自动切换至由TT-1201控制调节阀LV-1201，调节回流量，使塔顶温度快速回到安全工作状态，完成超驰控制。整个过程自动完成，响应及时，既减少了人工参与行为，又确保了工艺状态稳定。

2.2.3 塔顶压力的热旁路控制

贫气模式下对稳定塔的塔顶压力控制通过设置塔顶冷凝器和塔顶回流罐实现热旁路的控制方式[4]。当塔顶压力PT-1201小于设定值时，热旁路调节阀PV-1201的开度增大，进入回流罐的气体流量增多，回流至塔顶的凝液温度升高，压力也随之升高并回到设定值；当塔顶压力PT-1201大于设定值时，热旁路调节阀PV-1201的开度减小，进入回流罐的气体流量减少，凝液自冷凝器中进入回流罐中，回流罐液位升高，回流至塔顶的凝液增多，温度降低，压力也随之减小并回到设定值。塔顶压力恒定则塔内温度稳定，以确保产品组分的有效分离。

3 结束语

凝液稳定装置虽然工艺流程简单，但自动控制技术的应用必不可少，特别是采用了串级控制、分程控制、选择性控制等复杂控制系统，不但大大提高了装置的自动化水平，而且有利地保证了生产装置的安全稳定运行。自动控制技术是工艺生产过程中的必要组成部分，在生产过程中发挥了至关重要作用。