胡旭杰 姚貴昌 馬 瑞 張 琦

連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司, 江蘇 連云港 222006

0 前言

天然氣是一種潔凈、高效、優(yōu)質(zhì)的燃料,也是重要的化工原料,具有明顯的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和液化天然氣(LNG)應(yīng)用的快速推廣,要求LNG儲(chǔ)備站具有更高氣化水平和供應(yīng)保障能力,因此LNG儲(chǔ)備站需要同時(shí)具有淡季LNG裝車外售的功能和旺季外購LNG卸車的功能[1-3]。

“氣化陜西,鐵腕治霾”是陜西政府提出的發(fā)展新政策。新政一出,陜西省天然氣的應(yīng)用得到了快速推廣,使得楊凌液化天然氣(LNG)應(yīng)急儲(chǔ)備調(diào)峰站在冬季原本充足的天然氣氣源嚴(yán)重短缺,不能滿足供氣需求,需要從其他液化廠進(jìn)行采購。原有的技術(shù)方案不能滿足需要,使得設(shè)計(jì)開發(fā)LNG卸車橇成為必然趨勢(shì),也將為“氣化陜西,鐵腕治霾”提供技術(shù)保障。

LNG卸車橇是完成LNG槽車對(duì)LNG儲(chǔ)罐卸車的一體化設(shè)備,其卸車功能可滿足LNG儲(chǔ)備調(diào)峰站的快速接卸LNG需求。目前,大部分LNG儲(chǔ)備調(diào)峰站采用自增壓卸車,基本思路是利用卸車增壓氣化器裝置實(shí)現(xiàn)LNG槽車自流式增壓[4-6]。但自增壓卸車速度較慢,時(shí)間一般為3～4 h,不足以滿足日益增長(zhǎng)的LNG儲(chǔ)備調(diào)峰站卸車和氣化需求,因此需要開發(fā)出適應(yīng)大流量LNG卸車的設(shè)備。本文基于LNG橇裝工程應(yīng)用,在橇裝模塊內(nèi)采用了低溫離心泵和增壓氣化器等主要設(shè)備對(duì)LNG卸車橇裝置進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)及卸車技術(shù)研究。通過PLC控制系統(tǒng)的控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了低溫離心泵的精確控制和自動(dòng)降速等功能,一定程度上提高了LNG卸車的安全性,增強(qiáng)操作人員的安全意識(shí),確保LNG卸車過程的安全,為滿足內(nèi)地液化儲(chǔ)備站氣化能力、提高儲(chǔ)備站的卸車效率提供了保障。該設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用,滿足防爆安全性能的相關(guān)要求。

1 技術(shù)特點(diǎn)

LNG主要由天然氣經(jīng)過預(yù)處理,脫除重?zé)N、硫化物、二氧化碳、水等雜質(zhì)后,深冷至-162 ℃,液化而成[7-8]。LNG在平時(shí)裝卸車過程中存在低溫凍傷、高壓、易燃、易爆等潛在危險(xiǎn)性[9-12]。低溫LNG卸車橇的開發(fā)能夠做到氮?dú)庵脫Q、壓力測(cè)漏、封閉式卸車、安全閥、安全聯(lián)鎖等安全防護(hù),減少了卸車過程中危險(xiǎn)的出現(xiàn),操作員得到安全防護(hù),管道壓力得到安全泄放[13-18]。帶低溫離心泵的LNG卸車橇的設(shè)計(jì)要求電氣設(shè)備耐爆性能、隔爆性能等符合國(guó)家相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)[19-22]。

帶低溫離心泵的LNG卸車橇在卸車過程中能夠?qū)崿F(xiàn)低溫離心泵精確控制、自動(dòng)降速等功能,使得低溫離心泵在啟動(dòng)過程中平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行,其設(shè)備得到運(yùn)行保護(hù),大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命;同時(shí)也能夠依據(jù)液體溫度升高的變化來控制低溫離心泵自動(dòng)實(shí)現(xiàn)降速運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了壓力和溫度超限的安全聯(lián)鎖報(bào)警控制,讓帶低溫離心泵的LNG卸車橇更加符合實(shí)際需要和行業(yè)規(guī)定,使得LNG卸車橇更加安全、可靠。

2 結(jié)構(gòu)組成及功能描述

2.1 結(jié)構(gòu)組成

LNG卸車橇裝置組成及結(jié)構(gòu)見圖1。

帶低溫離心泵和增壓氣化器的LNG卸車橇裝置,在LNG卸車橇上裝有低溫離心泵、增壓氣化器、低溫裝卸臂、PLC控制器、靜電控制器等。LNG卸車橇主要由液相卸車管線、氣相管線、增壓氣相管線、安全放散管線、氮?dú)獯祾弑Ｗo(hù)管線等組成。液相卸車管線上包括有液相裝卸臂、壓力變送器、溫度變送器、液相緊急切斷閥、安全閥組、過濾器、低溫離心泵、止回閥等;氣相管線上包括有氣相緊急切斷閥、壓力變送器、安全閥組、氣相裝卸臂等;增壓氣相管線上包括有手動(dòng)球閥、止回閥、安全閥組、自力式調(diào)壓閥、增壓氣化器、溫度變送器等。

圖1 LNG卸車橇裝置組成及結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

卸車流程見圖2。

圖2 卸車流程圖

LNG槽車卸車首先要通過增壓氣相管線上的增壓氣化器進(jìn)行槽車增壓,當(dāng)槽車壓力達(dá)到預(yù)定值,然后進(jìn)行低溫離心泵的預(yù)冷,當(dāng)?shù)蜏仉x心泵預(yù)冷完成后泵前溫度和泵前壓力滿足啟泵條件時(shí),按啟泵鍵,低溫離心泵啟動(dòng);低溫離心泵啟動(dòng)后根據(jù)泵前壓力的數(shù)值進(jìn)行精確控制,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速,逐步讓低溫離心泵穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)泵前溫度發(fā)生變化并低于液體溫度時(shí),低溫離心泵的轉(zhuǎn)速也隨之逐級(jí)降速,直到低于設(shè)定值后低溫離心泵將停止運(yùn)行,即卸車完成。

2.3 控制設(shè)計(jì)

LNG卸車橇能夠?qū)崿F(xiàn)LNG的卸車,該設(shè)備需同時(shí)具有低溫離心泵卸車和自增壓的功能,以滿足快速卸車的要求,并且能夠根據(jù)泵前壓力和溫度進(jìn)行調(diào)速和自動(dòng)減速等功能。

LNG槽車卸車首先要通過增壓氣相線上的增壓氣化器進(jìn)行槽車增壓,當(dāng)槽車壓力達(dá)到預(yù)定值后,進(jìn)行低溫離心泵的預(yù)冷,當(dāng)?shù)蜏仉x心泵預(yù)冷完成且泵前溫度和泵前壓力滿足啟泵條件時(shí),按啟泵鍵,低溫離心泵啟動(dòng);低溫離心泵啟動(dòng)后根據(jù)泵前壓力的數(shù)值進(jìn)行精確控制,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速,讓低溫離心泵穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)卸車接近完成且泵前溫度發(fā)生變化并低于液體溫度時(shí),低溫離心泵的轉(zhuǎn)速也隨之自動(dòng)降低,直到低于最低設(shè)定值后,低溫離心泵將自動(dòng)停止運(yùn)行。

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用,滿足防爆安全性能的相關(guān)要求,大大縮短了卸車時(shí)間,提高了儲(chǔ)備站的卸車效率,滿足了內(nèi)地液化儲(chǔ)備站氣化能力,確保罐裝現(xiàn)場(chǎng)的安全運(yùn)行,防止天然氣短缺。

2.4 安全設(shè)計(jì)

LNG卸車橇的設(shè)計(jì)過程中,采取了一系列安全保護(hù)措施,如管道安全閥放空閥組、卸車臂吹掃、卸車臂測(cè)漏、管道排凈、泄放管道、燃?xì)馓綔y(cè)器、防爆撓性連接管等防爆、隔爆設(shè)計(jì)方法。

系統(tǒng)控制采用批量控制器控制設(shè)備元件的執(zhí)行和參數(shù)檢測(cè)及安全。每臺(tái)橇裝為一個(gè)控制單元,硬件上能完成對(duì)流量、壓力、溫度、靜電信號(hào)、閥門狀態(tài)及燃?xì)馓綔y(cè)元件信號(hào)的采集,實(shí)現(xiàn)閥門的控制和安全聯(lián)鎖報(bào)警功能。

2.5 人機(jī)工程設(shè)計(jì)

在人機(jī)工程方面,信息交互性是LNG卸車橇使用過程中安全操作管件環(huán)節(jié),卸車過程復(fù)雜,控制邏輯和條件繁多,批量控制器解決了此問題,每步操作均在批量控制器提示屏上顯示,每步操作均在允許邏輯控制條件下完成并設(shè)有確認(rèn)鍵,卸車過程既安全又可靠。該設(shè)計(jì)規(guī)范了操作,預(yù)防了不安全情況的發(fā)生。

3 低溫離心泵精確控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 壓力隨低溫離心泵頻率的變化規(guī)律

LNG卸車橇與LNG裝車橇原理不同,LNG卸車橇攜帶了低溫離心泵,通過低溫離心泵能夠?qū)崿F(xiàn)快速卸車,滿足快速卸車的要求。

在卸車的過程中,壓力隨低溫離心泵頻率的變化具有一定變化規(guī)律,當(dāng)?shù)蜏仉x心泵頻率逐步提高時(shí),壓力呈下降趨勢(shì);當(dāng)?shù)蜏仉x心泵頻率逐步下降時(shí),壓力呈回升趨勢(shì)。壓力的變化規(guī)律能夠反映低溫離心泵頻率上的變化,兩者有一定的相關(guān)性,低溫離心泵頻率的提高將會(huì)帶來壓力的下降,但是為了保證泵的正常運(yùn)行,應(yīng)保持壓力在一定范圍內(nèi),否則泵前液體供應(yīng)不足,泵前管線出現(xiàn)抽空負(fù)壓區(qū),將使泵不能在正常載荷下運(yùn)行。

通過對(duì)壓力和頻率的觀察可知,在提高低溫離心泵的頻率時(shí),應(yīng)保持低溫離心泵前壓力處理在合理取值范圍內(nèi),否則將影響低溫離心泵的運(yùn)行。因此,維持低溫離心泵前壓力在一定范圍內(nèi),逐步提升低溫離心泵頻率,能夠使低溫離心泵穩(wěn)定運(yùn)行,達(dá)到額定載荷下運(yùn)行。泵前壓力隨時(shí)間變化的曲線見圖3。低溫離心泵頻率隨時(shí)間變化的曲線見圖4。

圖3 泵前壓力隨時(shí)間變化的曲線

圖4 低溫離心泵頻率隨時(shí)間變化的曲線

3.2 實(shí)現(xiàn)控制的方法

LNG卸車橇的控制系統(tǒng)主要由PLC型批量控制器、壓力變送器、溫度變送器及可操作的顯示屏等組成,PLC型批量控制器是系統(tǒng)的控制中心,壓力變送器和溫度變送器是檢測(cè)設(shè)備。低溫離心泵精確控制方法通過泵前壓力的檢測(cè),將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器,再通過程序的邏輯判斷,結(jié)合操作屏的輸入操作,讓低溫離心泵的變頻器執(zhí)行提升頻率的指令,實(shí)現(xiàn)低溫離心泵精確控制。

在卸車過程中,先將低溫離心泵進(jìn)行預(yù)冷至設(shè)定溫度,且確保泵前壓力在設(shè)定值以上,操作人員可以操作啟動(dòng)按鈕,進(jìn)行低溫離心泵的啟動(dòng),操作員可以根據(jù)泵前壓力的大小,合理提升低溫離心泵的頻率,直至泵前壓力低于設(shè)定值,控制系統(tǒng)自動(dòng)通過邏輯判斷,操作員將無法提升低溫離心泵的頻率,限制了操作鍵的功能;LNG槽車通過氣化器給槽車進(jìn)行氣相補(bǔ)壓,使得槽車壓力逐步回升,槽車壓力與泵前壓力具有同向性,隨著槽車壓力的回升,泵前壓力也隨之回升,為低溫離心泵的頻率創(chuàng)造了提升條件和提升空間,隨之操作鍵的功能也恢復(fù),操作員可以繼續(xù)提升低溫離心泵的頻率,直至低溫離心泵穩(wěn)定運(yùn)行。

通過此方法,能夠?qū)崿F(xiàn)低溫離心泵的提速直至達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)踐應(yīng)用中得到了驗(yàn)證并順利進(jìn)行了穩(wěn)定卸車,大大提高了卸車效率,保證了低溫離心泵的穩(wěn)定運(yùn)行,避免了因低溫離心泵提速過快而出現(xiàn)泵前液體供應(yīng)不足等現(xiàn)象,有效延長(zhǎng)了低溫離心泵的使用壽命。

4 自動(dòng)降速功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 頻率隨溫度變化的規(guī)律

LNG卸車橇的自動(dòng)卸車功能是通過泵前溫度變送器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止卸車功能。

LNG卸車橇在卸車的過程中,低溫離心泵的頻率隨泵前溫度的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié),當(dāng)溫度出現(xiàn)回升并低于預(yù)定設(shè)定值時(shí),低溫離心泵的頻率隨之進(jìn)行下調(diào)。溫度的變化規(guī)律能夠反映泵前管線內(nèi)液體的變化情況,泵前管線內(nèi)氣液混合比例決定了溫度的高低,氣液混合比例的提高將會(huì)帶來溫度的升高,為保證泵的正常運(yùn)行,減小對(duì)低溫離心泵的損害,應(yīng)保持氣液混合比例在一定范圍內(nèi)。由于氣液混合的比例無法測(cè)得,在該工程應(yīng)用中通過測(cè)得泵前溫度來作相應(yīng)的控制和邏輯判斷。

通過對(duì)溫度和頻率的觀察可知,在泵前溫度下降時(shí),應(yīng)保持低溫離心泵的頻率處理合理取值,否則長(zhǎng)此以往會(huì)造成低溫離心泵的損壞。因此,在泵前溫度下降時(shí),應(yīng)逐步降低低溫離心泵的頻率,來適應(yīng)氣液混合的工況,這樣能夠使低溫離心泵的運(yùn)行處于安全可靠狀態(tài),并保障低溫離心泵在合理使用壽命期內(nèi),減少經(jīng)濟(jì)損失。泵前溫度隨時(shí)間變化的曲線見圖5。低溫離心泵頻率隨時(shí)間變化的曲線見圖6。

圖5 泵前溫度隨時(shí)間變化的曲線

圖6 低溫離心泵頻率隨時(shí)間變化的曲線

4.2 實(shí)現(xiàn)控制的方法

自動(dòng)卸車控制方法通過泵前溫度的檢測(cè),將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器,再通過程序的邏輯判斷,讓低溫離心泵的變頻器執(zhí)行減低頻率的指令,來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止卸車的控制。

在卸車過程中,操作員無法緊盯屏幕,在氣液混合比例增大或溫度下降時(shí),不能及時(shí)控制卸車頻率。為了解決此問題,運(yùn)用PLC控制器和溫度變送器等技術(shù)來完成實(shí)時(shí)監(jiān)控,代替人工監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)安全可靠的控制。隨著卸車任務(wù)臨近結(jié)束,氣液混合比例也逐步增大,泵前溫度呈下降趨勢(shì),當(dāng)泵前溫度低于設(shè)定溫度后,低溫離心泵的頻率將按照預(yù)定計(jì)劃降低,在該工程應(yīng)用中,低溫離心泵的頻率下調(diào)分四個(gè)階段進(jìn)行,直至泵前溫度低于最低設(shè)定值時(shí),控制系統(tǒng)自動(dòng)通過邏輯判斷,停止低溫離心泵的運(yùn)行。

通過此方法,能夠?qū)崿F(xiàn)低溫離心泵的自動(dòng)停止卸車功能。在實(shí)踐應(yīng)用中得到驗(yàn)證并順利進(jìn)行了自動(dòng)停止卸車,大大提高了卸車的安全可靠性,保證了低溫離心泵安全可靠的運(yùn)行,避免了因氣液混合比例過大而出現(xiàn)低溫離心泵損壞的現(xiàn)象,有效延長(zhǎng)了低溫離心泵的使用壽命,減少了經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié)論及建議

在結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)的前提下,對(duì)帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明,當(dāng)泵前和泵后溫度達(dá)到-148 ℃以上時(shí),低溫離心泵可以啟動(dòng),通過低溫離心泵頻率調(diào)節(jié),泵前壓力控制在0.1 MPa以上,低溫離心泵可平穩(wěn)運(yùn)行,隨著槽車壓力的不斷提升,低溫離心泵頻率可以逐步提高,達(dá)到設(shè)計(jì)需要的流速;當(dāng)泵前溫度分別升高至-150、-148、-145 ℃三個(gè)階段數(shù)值以上,低溫離心泵分別逐步降速,直至停止運(yùn)行。卸車時(shí)間縮短至1.5 h以內(nèi),大大提高了卸車效率。帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低溫離心泵的精確控制和LNG槽車的自動(dòng)卸車功能,提高了儲(chǔ)備站的卸車效率以及內(nèi)地液化儲(chǔ)備站的卸車能力和氣化能力。該裝置在LNG儲(chǔ)備站得到了安全應(yīng)用,也充分證明了該橇裝設(shè)備的安全性和實(shí)用性。該裝置滿足防爆安全性能的相關(guān)要求,有助于推動(dòng)操作流程的安全設(shè)計(jì),降低因卸車能力不足導(dǎo)致無法滿足供應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn),確保罐裝現(xiàn)場(chǎng)的安全運(yùn)行,防止天然氣短缺。

帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置在卸車過程中存在一些不足,LNG槽車卸車完成后還有少量的余液留在槽車?yán)?。由于?duì)低溫離心泵的保護(hù),當(dāng)泵前出現(xiàn)較大氣液混合的比例時(shí),為避免該工況造成的損害,低溫離心泵將會(huì)提前停止運(yùn)行,因此卸車結(jié)束時(shí),不能將槽車卸完。此問題有待后續(xù)完善和解決。

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