Erdgasaufbereitungsanlagen sind ein wesentlicher Bestandteil zentraler Ölfeldverarbeitungsanlagen. Automatisierte Steuerungssysteme für die Erdgasaufbereitung sind entscheidend für die Steigerung der Verarbeitungseffizienz und die Reduzierung des Energieverbrauchs. Ein SPS-basiertes automatisches Prozessüberwachungssystem überwacht alle Kompressoren und Ventile und steuert Anlagen wie Kühler, Separatoren und Trocknungsanlagen in Echtzeit gemäß den Prozessanforderungen. Dadurch wird sichergestellt, dass Temperatur, Druck, Wasser- und Ölgehalt des Erdgases den Anforderungen an Industriegase entsprechen. Dieser Artikel analysiert und beschreibt die automatische Steuerung von Erdgasaufbereitungsanlagen anhand der Erfahrungen des Autors im Rahmen des MIS-Ölfeld-Oberflächenbauprojekts im Iran. 1. Projektübersicht und allgemeine Anforderungen: Das aus Anlagen wie dem Dreiphasenseparator, dem Entschwefelungsturm und den Öllagertanks abgetrennte Erdgas wird zunächst zum Gassammler V-02620 transportiert. Da der Gasdruck im Wesentlichen dem Atmosphärendruck entspricht, wird er nach der Vorverdichtung durch den Kompressor SK-03310 von Atmosphärendruck auf 0,15 MPa erhöht. Anschließend wird der Druck durch eine Sekundärkompression auf 0,45 MPa weiter reduziert. Zu diesem Zeitpunkt erfüllt das Erdgas die Anforderungen für den externen Vertrieb hinsichtlich Qualität und Druck noch nicht. Daher muss das unter Druck stehende Erdgas im Niederdruck-Gasabscheider V-03360 einer weiteren Gas-Wasser-Trennung unterzogen werden. Das getrocknete Erdgas wird dann dem Kompressor SK-03320 zur weiteren Druckerhöhung auf 0,75 MPa zugeführt. Anschließend erfolgt die weitere Trennung im externen Abscheider V-03330. Das abgetrennte Wasser wird dem Leichtkohlenwasserstoffabscheider V-03340 zugeführt, und das getrocknete Erdgas wird an den Kunden verkauft. Das Prozessablaufdiagramm des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. 2 Hardware-Zusammensetzung des Steuerungssystems (1) SPS-Steuerungssystem Entsprechend den Betriebsanforderungen des Geräts wurde die kostengünstige speicherprogrammierbare Steuerung Siemens S7-300 für das Steuerungssystem ausgewählt. Die CPU der SPS ist eine CPU315-2DP. Das System wird mit 220 V Wechselstrom versorgt. Das Hauptmodul verfügt über 16 digitale Eingänge zur Erfassung von Steuerbefehlen und Schaltzuständen sowie 16 digitale Ausgänge zur Ansteuerung der einzelnen Betriebsschalter und zur Anzeige des Status der Kontrollleuchten. Analoge Eingänge wandeln analoge Messsignale in entsprechende digitale Werte um, die vom Computer empfangen werden. Das Steuerungssystem umfasst insgesamt 32 Signalverarbeitungsmodule (15 DI, 12 DO, 5 AI). (2) Überwachungsstation: Die Überwachungsstation nutzt einen Siemens-Industrie-Steuerungsrechner und die leistungsstarke industrielle Überwachungssoftware WinCC (Windows Control Center). Sie dient der Anzeige und Überwachung des gesamten Prozessablaufs und des Betriebszustands der Anlagen. Funktionen wie Kurvendarstellung, Speicherung historischer Daten, Berechtigungsverwaltung, Abfrage von Betriebsvorgängen, Alarmierung und Ausdruck werden realisiert. (3) Instrumentierungssystem: Das Instrumentierungssystem besteht aus Druck- und Temperaturtransmittern, Verteilern, Füllstandsmessgeräten, Druck- und Füllstandsschaltern, Regelventilen und Not-Luft-Ventilen. Es dient hauptsächlich der Erfassung von Füllstands-, Druck- und Temperatursignalen und der Ansteuerung der Ventile. 3. Softwareentwicklung für die Automatisierung Die Software des automatischen Steuerungssystems der Erdgasaufbereitungsanlage besteht aus zwei Teilen: einem Oberrechner und einem Unterrechner. 3.1 Softwareentwicklung des Oberrechners Die Software des Oberrechners basiert auf dem Betriebssystem Windows 2000 und WinCC 5.1 als Programmierplattform. Zu den Funktionen des Oberrechners gehören die digitale Anzeige von Flüssigkeitsstand, Druck, Temperatur sowie des Start-, Stopp-, Betriebs- und Fehlerstatus aller Geräte der Erdgasaufbereitungsanlage. Er kann 250 Fehlerzustände (Fehlerzeitpunkt, Fehlertyp usw.) zur einfachen Störungsanalyse protokollieren und relevante Informationen über einen Berichtseditor ausgeben und ausdrucken. 3.2 Softwareentwicklung des Unterrechners Der Unterrechner verwendet die von Siemens entwickelte Software STEP 7 5.2 zur Programmierung der SPS sowie zur Konfiguration und Wartung der SPS-Anlagen. Die Software umfasst im Wesentlichen die Signalerfassung und -verarbeitung, die Signalsteuerung, die Fehlermodulentwicklung und die Entwicklung von DB-Blöcken für die Kommunikation mit dem Oberrechner. STEP bietet Programmierfunktionen mit der Möglichkeit, standardisierte exportierte Funktionsbausteinbibliotheken (FC-Bibliotheken) zu generieren, die innerhalb der Anwendung wiederholt aufgerufen werden können. Die Verwendung von FC-Funktionsbausteinen verbessert die Programmgeschwindigkeit und erleichtert die Softwareportabilität und -skalierung. 4. Systemfunktionen 4.1 Niederdruckkompressorsteuerung Im Normalbetrieb sollten die primäre und sekundäre Verdichtungsstufe des Kompressors koordiniert arbeiten, um den Kompressorausgangsdruck auf einem vorgegebenen Wert zu halten. Das SPS-System sollte den Betriebszustand des Kompressors analysieren können, um eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen. Bei geringer Last und Betrieb des Kompressors unterhalb seiner Nennbetriebsbedingungen kann das SPS-System eine Frequenzumrichtersteuerung implementieren. Wenn der Verfahrenstechniker den normalen Ausgangsdruck des Kompressornetzes auf p1 und den tatsächlich gemessenen Druck vor Ort auf p2 einstellt, führt das PID-Funktionsmodul im SPS-System PID-Berechnungen basierend auf dem Wert von Δp = p1 - p2 durch und steuert den Frequenzumrichter, um den Motorbetrieb so anzupassen, dass der erforderliche Druck erreicht wird. Wenn Δp > 0, d. h. der Druck vor Ort zu hoch ist, wird die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters erhöht, wodurch die Motordrehzahl und der tatsächliche Luftdruck steigen. Wenn Δp < 0 ist, d. h. der Vor-Ort-Druck zu niedrig ist, wird die Drehzahl reduziert. Diese kontinuierliche Anpassung führt dazu, dass sich Δp dem Wert 0 annähert. Der tatsächliche Vor-Ort-Druck schwankt um den Sollwert und gewährleistet so die Druckstabilität. Die SPS implementiert eine geschlossene PID-Regelung des Kompressorausgangsdrucks sowie verschiedene Regelfunktionen wie Kompressorstart, -abschaltung, -umschaltung und Fehlerbehandlung. 4.2 Hochdruckkompressorsteuerung: Während des Prozesses, bei dem komprimiertes Erdgas vom Niederdruck-Gaskompressor in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider K-03320 eintritt, müssen die Temperatur- und Druckwerte des Erdgases zur Überwachung an die SPS übermittelt werden. Das Niedrig-Niedrig-Verriegelungssignal des Druckschalters PSLL-03321 an der Rohrleitung ist mit dem SPS-System verbunden. Wenn der Erdgasdruck am Einlass des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders K-03320 zu niedrig ist, sendet die SPS ein Signal an den Hochdruckkompressor SK-03320, um dessen Betrieb zu stoppen und ihn zu schützen. Der Betriebszustand und die mechanischen Schutzsignale des Kompressors SK-03320 werden an die SPS übermittelt. Bei einer Störung des Kompressors SK-03320 oder wenn das Hoch-Hoch-Verriegelungssignal des Druckschalters PSHH-03321 an der Rohrleitung an die SPS gesendet wird, öffnet diese das Notentlüftungsventil BDV-03312, um das komprimierte Erdgas der ersten Stufe in den Entlüftungsabscheider SK-03810 abzulassen. Von dort wird es zur Verbrennung in die Fackelanlage geleitet. Der Flüssigkeitsstandschalter LSHH-03321/LSLL-03321 am Abscheider K-03320 öffnet über die SPS das Ablassventil LV-03321, sobald der Flüssigkeitsstand hoch ist, und leitet das Kondensat in das offene Abflusssystem ab. Das Steuerungssystem ist in Abbildung 2 dargestellt. 4.3 Alarm und Fehlerdiagnose Die Alarm- und Verriegelungsfunktionen werden über das interne Programm der SPS konfiguriert. Tritt ein Fehler auf, wird der entsprechende Betrieb sofort gestoppt und ein entsprechendes Alarmsignal ausgegeben. (1) Fehlersignale wie niedriger Öl- und Wasserdruck des Kompressors können mit einem explosionsgeschützten elektrischen Kontaktmanometer vor Ort gemessen und direkt an die SPS gesendet werden. Die SPS steuert den akustischen und optischen Alarm sowie die verzögerte Abschaltung. (2) Ein Feldvibrationssensor sendet ein Signal an die SPS, um den Betriebszustand des Kompressors anzuzeigen und zu diagnostizieren. 5 Designerfahrung (1) Durch die Frequenzumrichtersteuerung wird ein sanfter Anlauf des Kompressors realisiert, die Belastung des Stromnetzes durch den Anlaufstrom reduziert und eine deutliche Energieeinsparung erzielt. (2) Durch den Einsatz der SPS entsteht ein geschlossener Regelkreis für automatische Anpassung und einen stabileren und zuverlässigeren Betrieb. (3) Das System ist gut skalierbar. Wird der Kompressor mit variabler Frequenz oder Netzfrequenz betrieben, können zusätzliche Informationen oder Signale an die SPS weitergeleitet werden, um die automatische Steuerung des Gesamtsystems zu realisieren. (4) Der Kompressor-Steuerschrank und das Start-/Stoppsignal des Hauptmotors im elektrischen Teil teilen sich einen Kanal, der entweder offen oder geschlossen ist. Die Schaltschrankkonstruktion des elektrischen Teils benötigt jedoch zwei Impulssignale zum Starten und Stoppen des Hauptmotors. Aus Sicherheitsgründen verhindert diese Konstruktion ein versehentliches Anlaufen des Hauptmotors während Wartungs- und Inspektionsarbeiten; aus Gerätesicht verhindert sie zudem ein dauerhaftes Einschalten des Relais. Durch die Nutzung eines zusätzlichen Kanals in der SPS für ein Stoppsignal des Hauptmotors lassen sich die genannten potenziellen Fehler vermeiden.