天然氣集輸及儲運仿真工廠的設計

蔡旭槐

(浙江中控科教儀器設備有限公司，浙江 杭州 310053)

化工設計

天然氣集輸及儲運仿真工廠的設計

蔡旭槐

(浙江中控科教儀器設備有限公司，浙江 杭州 310053)

針對天然氣行業(yè)具有低溫、高壓、易燃、易爆的特點，致使高校學生缺乏工廠實踐的機會。本裝置以工業(yè)上真實設備為基礎，按一定比例縮小制成仿真工廠，使操作者可以動手操作實習。對培養(yǎng)實踐能力強、復合型人才發(fā)揮重要作用。

天然氣化工；高危行業(yè)； 仿真軟件；復合型人才

天然氣集輸及儲運行業(yè)具有連續(xù)化、大生產(chǎn)、高技術(shù)、高危高壓等特點，在校學生去工廠實習時，從安全角度出發(fā)，工廠企業(yè)禁止學生對設備進行親自操作，均為參觀性實習。因此在校學生尤其是畢業(yè)生在進行工廠實習時匱乏親自動手的操作設備的機會，缺乏理論知識和時間結(jié)合的操作環(huán)節(jié)。本裝置針對這一社會問題進行設計，使學生可以對設備進行現(xiàn)場操作，有效的提供了學生及工人崗前操作裝置的實踐機會。

1 工藝原理

1.1 脫酸原理

天然氣中最常見的酸性組分是硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、硫化羰(COS)、硫醇(RSH)和二硫化物(RSSR')等。H2S是天然氣中含有的對人體危害最大的一種酸氣組分；酸性氣體不僅對人體有害，對設備管道有腐蝕作用，而且由于其臨界溫度較高，在天然氣液化降溫過程中易成固體析出，堵塞設備管道，必須脫除。

由于酸性氣體濃度不高，采用分子篩深度脫除，流程中節(jié)流閃蒸出來的低壓天然氣可以作為分子篩的再生氣體。

1.2 脫汞原理

元素汞雖然僅存在元素汞雖然僅存在于個別天然氣中且含量甚微，但其對這類天然氣進行冷卻液化過程中的危害性卻很大，因而必須在進行液化過程之前將其脫除。

在天然氣液化的低溫系統(tǒng)中，低溫換熱器往往采用鋁合金制造的板翅式換熱器。如果天然氣中含有汞，盡管其含量極微，但卻會與鋁反應在其表面生成附著力很小的汞齊，并在生成過程中使表面上致密的氧化鋁膜脫落。日積月累,最終引起鋁合金制成的板翅式換熱器腐蝕泄漏，故而危害極大。如果物流中含水，則水就會與汞齊發(fā)生化學反應從而加快腐蝕，即：

Al + Hg →Al Hg

2Al Hg + 6H2O →2Al (OH)3+ 3H2+ 2Hg

因此，在采用板翅式換熱器的天然氣進入液化裝置前必須提前脫汞。

某些固體吸附劑可將氣體中汞脫除至0.001～0.01μg/m3。一般采用浸漬硫的活性炭(例如，4×10目的Calgon HGR或4 mm直徑的HGR2P) 和Hg SIV吸附劑脫汞，浸漬的硫與汞反應生成硫化汞而附著在活性炭微孔中，從而達到脫汞的目的。該方法既可以脫除無機汞也可以脫除有機汞，如果先將氣體干燥則可提高其脫汞率。

1.3 脫水原理

天然氣中存在過量的水汽不僅減少商品天然氣管道的輸送能力和氣體熱值，而且在油、氣田集氣和氣體加工過程中由于氣體工藝條件的變化引起水蒸氣凝析，形成液態(tài)水、冰或固態(tài)氣體水合物，從而增加集氣管路壓降，嚴重時將造成水合物堵塞管道，生產(chǎn)被迫中斷。因此，需要深度脫水。

吸附法脫水是利用吸附原理，選擇某些多孔性固體吸附劑吸附天然氣中的水蒸氣。由于吸附脫水可以達到很低的水露點，因此適用于深冷分離工藝要求氣體很低的場合。

天然氣吸附脫水所采用的吸附劑必須是多孔性的，具有較大的吸附表面積；對水具有較好的選擇性吸附作用，吸附容量大；具有較高的吸附傳質(zhì)速度，容易達到相間平衡；容易再生，穩(wěn)定性好，價廉易得等。

2 裝置構(gòu)成介紹

圖1 裝置組成

裝置由硬件和軟件組成，關(guān)系見圖1，DCS系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)組成，DCS系統(tǒng)采用國內(nèi)知名品牌浙江中控的產(chǎn)品，和真實工廠中是相同的控制系統(tǒng)，通過該控制系統(tǒng)實現(xiàn)對裝置的測量、控制和監(jiān)控功能。工程師站能對控制系統(tǒng)進行離線功能配置和組態(tài)，并且在控制系統(tǒng)運線下進行功能配置和組態(tài)下置。

裝置硬件就是實體部分，涵蓋了工業(yè)上常減壓裝置中的主要塔器、儲罐、反應器、機泵、風機等組成。常減壓實體仿真裝置外部形狀和真實工廠中設備外部形狀形狀大體一樣，但是按比例縮小，從整體的布局合理及設備協(xié)調(diào)為原則，設備的縮小比例不完全相同。

裝置軟件由行時，也可實時監(jiān)控網(wǎng)絡各節(jié)點的運行情況， 操作站實時監(jiān)控、調(diào)整有關(guān)配置和某些參數(shù)設定，使其運行在最佳狀態(tài)。同時還能實現(xiàn)對實訓裝置的監(jiān)控數(shù)據(jù)趨勢瀏覽和報表分析、報警查詢等特殊功能。

軟件系統(tǒng)由軟件操作平臺及數(shù)學模型組成，針對工藝流程，從流態(tài)平衡的過程，對每一設備進出的物料，嚴格按照物料平衡和能量平衡的原則進行仿真計算，并輸出瞬時結(jié)果。為了保證仿真軟件模擬工藝操作過程的開、停車、正常運行、負荷調(diào)節(jié)、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)、故障狀態(tài)操作及控制的高逼真性，仿真設計采用動態(tài)模型能反映出系統(tǒng)物料和能量的變化與傳遞的定量關(guān)系；反應工業(yè)系統(tǒng)的物理化學變化的規(guī)律，如反應動力學特征、氣液平衡特征、流體力學特性等；動態(tài)模型反映工業(yè)系統(tǒng)的時間常數(shù)、慣性、時間滯后、多容高階段性等特性；動態(tài)模型的求解速度達到實時要求、求解精度應滿足實驗要求。

3 裝置設計原理

圖2 工廠中三者關(guān)系

圖3 仿真裝置中三者關(guān)系

在真實的工廠中，實物組成大體可以分為三類，即物料、設備、儀表。設備對物料進行加熱、冷卻或者物料自身發(fā)生化學反應，物料經(jīng)過裝置時使測量儀表(溫度儀表、壓力儀表、液位儀表、流量儀表)的數(shù)值發(fā)生變化，操作者通過現(xiàn)場操作閥門(自動調(diào)節(jié)閥或者現(xiàn)場手閥)操作改變物料的性質(zhì)。進而使產(chǎn)品達到預期目的(原理見圖2)。所以真實工廠中的危險根源是物料，儀表對物料性質(zhì)進行檢測，通過信號轉(zhuǎn)換后在儀表上顯示數(shù)值。所以說只要有信號源，測量儀表上均可以顯示出數(shù)值。因此，我們利用仿真軟件替代真實物料，通過數(shù)學模型運算提供給測量儀表的信號源，并且數(shù)學模型關(guān)聯(lián)閥門操作，使操作者對閥門的操作可能會引起測量儀表的數(shù)值變化(原理見圖3)。

從圖3可以看出，仿真軟件承擔起真實物料的作用，學生在工廠中實習最重要的環(huán)節(jié)是現(xiàn)場操作部分，前已述及真實的化工廠是禁止學生操作的，而當我們利用仿真軟件時可以真實的對現(xiàn)場設備進行操作，現(xiàn)場操作包含對現(xiàn)場操作手閥、自動調(diào)節(jié)閥(氣動調(diào)節(jié)閥及電動調(diào)節(jié)閥)、加熱功率等?，F(xiàn)場的操作反饋回儀表，進而儀表顯示數(shù)值發(fā)生變化。

4 裝置優(yōu)點

裝置設計是以工業(yè)上真實的天然氣儲運生產(chǎn)裝置為原型，按一定比例比例縮小而制成。在設計時應充分考慮了裝置的安全性、實用性、經(jīng)濟性。具體特點為：

4.1 數(shù)字高真仿真性

系統(tǒng)以工廠真實裝置為背景，采用開放性的工藝參數(shù)設計和先進的軟件平臺。要求工藝參數(shù)高真仿真，實現(xiàn)工廠運行數(shù)據(jù)的真實再現(xiàn)，體現(xiàn)工廠現(xiàn)場的真實狀態(tài)。

4.2 對象背景工廠化

以天然氣預處理、儲運作為對象背景，以主物料工藝流程為基礎，可整體或單元運行。并結(jié)合職業(yè)教育的教學大綱要求，設計一定量的可解剖設備，以便設備解剖、認識掌握設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分替代物料，增強現(xiàn)場實物感，避免一線生產(chǎn)過程中存在的安全隱患。同時，設備、儀表等選用要求多元化形式。裝置中適量的采用工廠中真實使用儀表、閥門，使學生認識各種顯示儀表，學會使用調(diào)節(jié)器并感知其重要性，可允許學生對儀表、閥門等進行仿真隨意性調(diào)節(jié)。

4.3 真實操作情景化

設計要求按中控SUPCONDCS系統(tǒng)控制和現(xiàn)場操作相結(jié)合，使得操作控制實現(xiàn)工廠情景，并能滿足進行正常運行操作、開停車、斷電事故處理等工廠中的全部操作，學生們還能自行設計，試驗不同的開、停車方案，極限運行狀態(tài)等。

4.4 故障點設置開放性

全部參數(shù)均可作為故障點，模擬工廠實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種故障。通過教師站對學員站的操作設置事故，學生根據(jù)已有知識進行利判斷，采用必要措施進行解決，以培養(yǎng)學生認識故障現(xiàn)象，分析故障原因，完成故障處理，提高學生判斷意識、鍛煉和提高學生排除故障的能力。

4.5 教學目的廣泛性

設計時應充分考慮化工類專業(yè)、機械類專業(yè)、儀表及自動化專業(yè)的特點，選型時要求同類設備多樣化，并兼顧設備的經(jīng)典性和先進性。

5 展望

天然氣集輸、儲運裝置是天然氣行內(nèi)重要的且必不可少的裝置之一，因此，對于學生熟練此工藝及相應的設備及了解其它凈化工藝具有積極作用；為在校學生提供一個理論聯(lián)系實際有效的平臺；為高校培養(yǎng)綜合性人才提供一條有效的途徑。

(本文文獻格式：蔡旭槐.天然氣集輸及儲運仿真工廠的設計[J].山東化工,2017,46(13):101-102.)

2017-04-17

蔡旭槐(1983—)，男，浙江新昌人，主要從事教學產(chǎn)品的研發(fā)設計。

TQ015.9

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1008-021X(2017)13-0101-02