摘要：在管輸天然氣供應不足的情況下，LNG已成為無法使用管輸天然氣供氣城市的主要氣源或過渡氣源，也是許多使用管輸天然氣供氣城市的補充氣源或調峰氣源。本文介紹了如何實現(xiàn)LNG氣化站的安全運行和管理。

關鍵詞：液化天然氣（LNG）；氣化站；

“十一五”規(guī)劃期以來，中國天然氣儲產量快速增長，天然氣管網基本形成，下游市場需求不斷增加，市場監(jiān)管機制正在建設和完善，天然氣產業(yè)進入了高速發(fā)展時期。

石化工業(yè)協(xié)會的數(shù)據顯示，本世紀以來，我國天然氣市場進入大規(guī)模發(fā)展階段，天然氣消費量以每年兩位數(shù)的速度增長。2008年我國天然氣消費量807億立方米，是2000年的3倍多。2008年國內天然氣產量為760.82億立方米，比上年增長12.3%，2009年我國天然氣消費量為874.5億立方米，同比增長11.5%。供需缺口近50億立方米，我國成為天然氣凈進口國。

從保障國民經濟持續(xù)安全有效發(fā)展、保障民生、促進低碳環(huán)?？茖W可持續(xù)發(fā)展產業(yè)、進一步改善能源結構等基本國策要求來看，中央政府將保持持續(xù)促進我國天然氣產業(yè)健康、全面、快速發(fā)展的政策。預計在未來的“十二五”規(guī)劃期，以天然氣為主的氣態(tài)能源在我國一次能源的占比將持續(xù)提升，這一比例在我國的 “十一五”規(guī)劃中，由期初的2.8%，將提升到期末的5.3%目標比例。

LNG(液化天然氣) LNG氣化站憑借其建設周期短、投資規(guī)模小以及能迅速滿足用氣市場需求的優(yōu)勢，已逐漸在我國東南沿海眾多經濟發(fā)達、能源緊缺的中小城市建成，成為永久供氣設施或管輸天然氣到達前的過渡供氣設施。

針對LNG的低溫深冷和易燃易爆的特性，筆者結合上海航天能源股份有限公司的SAE-LSMS系統(tǒng)，討論如何能通計算機、控制器、儀表、設備等產品有效地、安全的管理LNG氣化站的生產運營。

正常運行中，必須將LNG儲罐的操作壓力控制在允許的范圍內。華南地區(qū)LNG儲罐的正常工作壓力范圍為0.3～0.7MPa，罐內壓力低于設定值時，可利用自增壓氣化器和自增壓閥對儲罐進行增壓。增壓上限由自增壓閥的自動關閉壓力確定。

若將常用的自增壓閥更改為氣動或電動控制閥，則可通過SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）對儲罐的操作壓力進行動態(tài)設定，故儲罐的操作壓力可設定范圍為0.3～0.7MPa。同時儲罐輸出至中壓管網的壓力也可在0.3～0.7MPa范圍內調整。

儲罐的最高工作壓力由設置在儲罐低溫氣相管道上的自動減壓調節(jié)閥的定壓值(前壓)限定。當儲罐最高工作壓力達到減壓調節(jié)閥設定開啟值時，減壓閥自動開啟卸壓，以保護儲罐安全。為保證增壓閥和減壓閥工作時互不干擾，增壓閥的關閉壓力與減壓閥的開啟壓力不能重疊，應保證0.05MPa以上的壓力差?？紤]兩閥的制造精度，合適的壓力差應在設備調試中確定。

　　LNG在儲存過程中會由于儲罐的“環(huán)境漏熱”而緩慢蒸發(fā)(日靜態(tài)蒸發(fā)率體積分數(shù)≤0.3%)，導致儲罐的壓力逐步升高，最終危及儲罐安全。為保證儲罐安全運行，設計上采用儲罐減壓調節(jié)閥、壓力報警手自動放散、安全閥起跳三級安全保護措施來進行儲罐的超壓保護。

其保護順序為：當儲罐壓力上升到減壓調節(jié)閥設定開啟值時，減壓調節(jié)閥自動打開泄放氣態(tài)天然氣；當減壓調節(jié)閥失靈，罐內壓力繼續(xù)上升，達到壓力報警值時，壓力報警，手自動放散卸壓；當減壓調節(jié)閥失靈且手自動放散未開啟時，安全閥起跳卸壓，保證LNG儲罐的運行安全。對于最大工作壓力為0.80MPa的LNG儲罐，設計壓力為0.84MPa，減壓調節(jié)閥的設定開啟壓力為0.76MPa，儲罐報警壓力為0.78MPa，安全閥開啟壓力為0.80MPa，安全閥排放壓力為0.88MPa。

該手自動放散閥并入ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車系統(tǒng)）中進行安全控制。

　　LNG在儲存過程中可能出現(xiàn)分層而引起翻滾，致使LNG大量蒸發(fā)導致儲罐壓力迅速升高而超過設計壓力，如果不能及時放散卸壓，將嚴重危及儲罐的安全。

通過SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）的設計可對長期儲存的LNG，采取定期倒罐的方式防止其因靜止而分層。

現(xiàn)在LNG氣化站中多使用LNG卸車泵和LNG增壓泵，增壓烴泵有總管式增壓和單元式增壓之分?？傮w來講對于LNG烴泵的控制基本雷同，控制流程包括預冷——排氣——增壓回流——增壓，對于LNG增壓的控制，如何防止LNG在烴泵內過熱氣化，如何避免大量回流導致大量氣化潛熱帶至LNG儲罐，如何匹配烴泵的輸液量和下游管網對LNG需求，均是SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）控制的重點，圖1烴泵控制工藝流程。

 

☆通過設置在安全管理系統(tǒng)內的ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車系統(tǒng)），可實現(xiàn)：

■LNG儲罐高、低液位緊急切斷。在每臺LNG儲罐的進液管和出液管上均裝配氣動緊急切斷閥，在緊急情況下，可在卸車臺、儲罐區(qū)、控制室緊急切斷進出液管路。在進液管緊急切斷閥的進出口管路和出液管緊急切斷閥的出口管路上分別安裝管道安全閥，用于緊急切斷閥關閉后管道泄壓。

■氣化器后溫度超限報警，聯(lián)鎖關斷氣化器進液管。重點是對氣化器出口氣體溫度進行檢測、報警和聯(lián)鎖。正常操作時，當達到額定負荷時氣化器的氣體出口溫度比環(huán)境溫度低10℃，進行主備氣化器切換。當氣化器結霜過多或發(fā)生故障時，通過溫度檢測超限報警、聯(lián)鎖關斷氣化器進液管實現(xiàn)對氣化器的控制。

■出站閥后壓力高出設定報警壓力時聲光報警。緊急情況時，可遠程關閉出站電動閥。

☆通過設置在安全管理系統(tǒng)內的FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災和氣體報警系統(tǒng)），可實現(xiàn)：

■在LNG工藝裝置區(qū)設天然氣泄漏濃度探測器，當天然氣其泄露濃度超越報警限值時發(fā)出聲、光報警信號，并可在控制室迅速關閉進、出站電動閥，進出液低溫閥，并可以根據現(xiàn)場情況開啟消防水噴淋閥以及泡沫閥發(fā)生器。

■在LNG灌區(qū)設置低溫檢測，當檢測LNG泄露時，可啟動泡沫發(fā)生器，同時關閉進出液低溫閥。

■在LNG工藝區(qū)設置紅紫外火焰檢測，一旦觸發(fā)，及時啟動泡沫發(fā)生器和消防水噴淋系統(tǒng)，以保護現(xiàn)場低溫儲罐和重要工藝設備。

    因LNG氣化站的低溫深冷、易燃易爆的特性，通過視頻監(jiān)控、電子圍欄、電子巡更等輔助設備，協(xié)助操作管理人員監(jiān)控LNG場站的人、設備也是非常的重要。

SAE-LSMS系統(tǒng)是上海航天能源股份有限公司結合多年的LNG氣化站自控系統(tǒng)開發(fā)經驗，定制開發(fā)的LNG氣化站生產管理及安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了如下功能：

☆數(shù)據采集功能

采集和處理LNG站內各監(jiān)測儀表的數(shù)據，如：LNG儲罐的壓力、液位、大氣溫度、進出口切斷閥的閥位、氣化器前后壓力、溫度、氣體流量等，通過LSMS系統(tǒng)（LNG Safety Management System   LNG安全管理系統(tǒng)）對采集的數(shù)據進行處理后可隨時查詢LNG站各設備運行的情況，并形成管理報表；

☆故障及異常報警和報警處理功能

當LNG站設備出現(xiàn)異常時，LSMS系統(tǒng)（LNG Safety Management System   LNG安全管理系統(tǒng)）會及時監(jiān)測并判斷異常情況，并將報警信息迅速反饋到調度控制中心，通知調度人員到現(xiàn)場處理或者連鎖LSMS的ESD系統(tǒng)(Emergency Shutdown System 緊急停車系統(tǒng))。LSMS的報警信號有：

■儲罐壓力超限報警；

■泄漏報警；

■空溫汽化器出口低溫報警；

■儲罐區(qū)火災報警；

■儀表風系統(tǒng)報警；

當發(fā)生火情、危險氣體的泄漏及LNG的泄漏，以便及時采取相應措施如隔離生產設備，啟動消防泵、閥，開啟泡沫或消防噴淋裝置。

SAE-LSMS系統(tǒng)根據功用可以劃分為三大系統(tǒng)：

☆SCS系統(tǒng)(Station Control System 站控系統(tǒng)):其主要完成正常生產過程控制；

☆SIS系統(tǒng)(Safety Instrument System 安全儀表系統(tǒng)): 其主要包含FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災和氣體報警系統(tǒng)）和ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車系統(tǒng)）；

☆SPS系統(tǒng)（Security & Protection System 安全防范系統(tǒng)）：其主要視頻監(jiān)控、電子圍欄、電子巡更等子系統(tǒng)。

系統(tǒng)結構見圖2：SAE-LSMS安全管理系統(tǒng)結構圖。

SCS系統(tǒng)主要由儀表檢測及計算機監(jiān)控兩部分系統(tǒng)組成，完成所在LNG貯存氣化站的數(shù)據采集、連鎖保護、切斷控制、流量計量等任務。其功能如下：

☆對LNG貯存氣化站的工藝變量、設備狀態(tài)及其它過程變量進行監(jiān)測和數(shù)據處理；

☆儲罐氣體存量計算；

☆流量計算及數(shù)據歸檔；

☆顯示本站的工藝流程圖，數(shù)據趨勢圖、棒狀圖等；

☆工藝變量的越限或故障報警、打印。

SCS系統(tǒng)由中控室監(jiān)控計算機、工業(yè)觸摸屏、可編程控制器PLC組成工業(yè)控制系統(tǒng)。如果中控室監(jiān)控計算機故障，工業(yè)觸摸屏和PLC依然能獨立和穩(wěn)定工作。各工藝過程參數(shù)采用就地顯示和控制室顯示，通過中央控制臺可監(jiān)視、控制整個氣化站運行的全過程，并可計算所需的技術參數(shù)，繪制所需的曲線、圖形、完成各種統(tǒng)計報表及事故報警記錄的打印?？刂葡到y(tǒng)底層硬件采用PLC。控制系統(tǒng)硬件主要由現(xiàn)場檢測儀表、鎧裝屏蔽阻燃電纜、現(xiàn)場防爆采集控制柜、中控PLC、工業(yè)觸摸屏、上位工控機組成，圖3為LNG氣化站SCS系統(tǒng)監(jiān)控畫面。

FGS系統(tǒng)屬于SIS系統(tǒng)(Safety Instrument System 安全儀表系統(tǒng))的一部分，其核心是具有SIL3認證的三重冗余控制器。主要由儀表檢測及上位監(jiān)控兩部分系統(tǒng)組成，完成所在LNG貯存氣化站的監(jiān)測泄露，火災報警，與現(xiàn)場消防設備聯(lián)動等任務。其功能如下：

☆采集并顯示可燃氣體及火災探測器的工作狀態(tài)；

☆檢測LNG泄漏，可燃氣體泄漏及火警并以聲光形式對探測到的異常狀態(tài)報警；

☆采集并顯示消防設備及輔助設施的工作狀態(tài)；

☆執(zhí)行緊急切斷邏輯，顯示緊急切斷報警信號；

☆消防設備的聯(lián)動；

☆向ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車系統(tǒng)）輸出緊急停車信號。

圖4為LNG氣化站FGS系統(tǒng)監(jiān)控畫面，其由中控室上位監(jiān)視系統(tǒng)、現(xiàn)場火災報警按鈕、聲光報警器等組成。當探測設備產生報警信號后，為確保生產過程安全穩(wěn)定以及事故工況的應急處理，上位監(jiān)視系統(tǒng)上立即彈出報警區(qū)域畫面。當這個區(qū)域中發(fā)生的緊急情況（火災等）經操作員確認后，F(xiàn)GS系統(tǒng)便關閉該區(qū)域相關的工藝閥門和設備。

FGS系統(tǒng)提供標準的數(shù)據接口，可以和SCS系統(tǒng)(Station Control System 站控系統(tǒng))實現(xiàn)數(shù)據共享。

ESD系統(tǒng)屬于SIS系統(tǒng)(Safety Instrument System 安全儀表系統(tǒng))的一個子系統(tǒng)，主要是為了確保現(xiàn)場關鍵設備能夠根據工藝需要進行工作，其功能如下：

☆接收SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）和FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災和氣體報警系統(tǒng)）的報警信號；

☆對報警信號進行分析和表決來確定出現(xiàn)緊急情況時需要關停的設備；

☆現(xiàn)場設ESD手動按鈕，緊急情況時可手動觸發(fā)ESD系統(tǒng)；

☆根據工藝要求，將現(xiàn)場某些設備聯(lián)鎖，當不能達到工藝要求時，觸發(fā)ESD系統(tǒng)，關斷工藝設備。

ESD系統(tǒng)由中控室上位監(jiān)視系統(tǒng)、可編程控制器PLC（SIL3及以上安全等級認證）、現(xiàn)場手動ESD按鈕等組成。需要說明的是聯(lián)鎖觸發(fā)條件必須經人工確認并復位后，系統(tǒng)才能恢復正常狀態(tài)以保證生產的安全（如LNG儲罐進出液切斷閥）。

緊急關停的復位，ESD提供標準的數(shù)據接口，可以和SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）實現(xiàn)數(shù)據共享。一般會設計ESD系統(tǒng)和FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災和氣體報警系統(tǒng)）共用其核心控制器。

SPS系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控、電子圍欄、電子巡更等子系統(tǒng)，通過視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可對主要設備和人進行監(jiān)視和錄像，同時出現(xiàn)事故后可及時分析，總結經驗。電子圍欄系統(tǒng)誤報率非常低，且可以主動防御，性能優(yōu)于紅外對射式周界報警系統(tǒng)。當然考慮到公安部門審批因素，也可以采用以報警為主的張力圍欄系統(tǒng)。電子巡更系統(tǒng)主要考慮到對核心設備的巡檢需要，以確認關鍵設備在指定時間內必須被巡查到。

SPS系統(tǒng)作為生產管理的輔助系統(tǒng)，對安全生產起到了不可或缺的作用。

SAE-LSMS系統(tǒng)已成功在國內應用多年，2005年深圳美視電廠總管式增壓40kfg，氣化量48,000NM³/H，2007年深圳燃氣集團梅林LNG應急調峰站單元式增壓20kfg，氣化量小時40,000NM³/H，2008年南京港華兩個2500立方LNG子母罐氣化站均已應用該系統(tǒng)。均取得了較好的效果。圖5為廣東潮州子母罐式LNG氣化站SCS系統(tǒng)監(jiān)控畫面。

 

名詞解釋：

LNG： Liquefied Natural Gas 液化天然氣

LSMS： LNG Safety Management System LNG安全管理系統(tǒng)

SCS： Station Control System 站控系統(tǒng)

FGS： Fire and Gas System  火災和氣體報警系統(tǒng)

ESD： Emergency Shutdown System  緊急停車系統(tǒng)

SIS： Safety Instrument System  安全儀表系統(tǒng)

SPS： Security & Protection System  安全防范系統(tǒng)

 

 

(本文作者：張鐵軍 上海航天能源股份有限公司)