LNG氣化站控制系統(tǒng)

摘 要

摘要：LNG氣化站控制系統(tǒng)是氣化站安全運(yùn)行的必要保證，介紹了LNG氣化站的工藝流程、運(yùn)行控制系統(tǒng)、火氣控制系統(tǒng)以及與緊急停車系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，確保LNG氣化站安全最大化。關(guān)鍵詞：
摘要：LNG氣化站控制系統(tǒng)是氣化站安全運(yùn)行的必要保證，介紹了LNG氣化站的工藝流程、運(yùn)行控制系統(tǒng)、火氣控制系統(tǒng)以及與緊急停車系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，確保LNG氣化站安全最大化。
關(guān)鍵詞：連鎖；PLC控制；低溫壓力儲罐；火氣控制系統(tǒng)
Control System for LNG Vaporizing Station
SUN Neng，LIU Lan-hui，CHEN Jin，ZHANG Ming-ruing
Abstract：The control system for LNG vaporizing station is an essential guarantee for safe operation of the station. The process flow of LNG vaporizing station，operation control system，fire and gas control system and the combination with emergency shutdown system are introduced to ensure maximum safety of the station.
Key words：interlocking；PLC control；low-temperature pressure storage tank；fire and gas control system
    LNG作為目前西氣東輸管道天然氣的補(bǔ)充氣源或者備用氣源，已經(jīng)越來越引起全國各大中城市燃?xì)夤镜闹匾?，LNG氣化站的安全運(yùn)行及先進(jìn)的控制顯得尤其重要[1～8]。本文主要結(jié)合蘇州港華燃?xì)庥邢薰疽呀?jīng)建成并穩(wěn)定運(yùn)行的LNG氣化站來闡述控制系統(tǒng)的重要性。
1 LNG氣化站的危險(xiǎn)性
    由于LNG是由天然氣冷卻到-162℃而成的深冷液體，又具有天然氣易燃易爆的特性，因此LNG是一種非常危險(xiǎn)的液體，必須充分了解LNG氣化站的危險(xiǎn)性[9]。
   ① 低溫的危險(xiǎn)
   LNG泄漏后會迅速蒸發(fā)，然后降至某一固定的蒸發(fā)速度。開始蒸發(fā)時氣體密度大于空氣密度，在地面形成一個流動層，當(dāng)溫度上升到-110℃以上時，LNG蒸氣與空氣的混合物在溫度上升過程中形成了密度小于空氣的云團(tuán)。由于LNG泄漏時的溫度很低，其周圍大氣中的水蒸氣被冷凝成霧團(tuán)，LNG再進(jìn)一步與空氣混合并完全氣化。LNG的低溫危險(xiǎn)還能使相關(guān)設(shè)備脆性斷裂和遇冷收縮，從而損壞設(shè)備和低溫灼傷操作者。
    ② BOG的危險(xiǎn)
    雖然LNG儲存于絕熱的儲罐中，但不可能完全無熱量交換，外界傳入的熱量會引起LNG蒸發(fā)，產(chǎn)生BOG(蒸發(fā)氣體)。故要求LNG儲罐有一個極低的日蒸發(fā)率，要求儲罐本身設(shè)有合理的安全放散系統(tǒng)。否則，若BOG的量突增，使罐內(nèi)溫度、壓力迅速上升，致使儲罐破裂。
   ③ 著火的危險(xiǎn)
    天然氣的爆炸極限為5%～15%，遇明火可產(chǎn)生爆燃。火焰溫度高、輻射熱強(qiáng)，易形成大面積火災(zāi)，且具有復(fù)燃性、復(fù)炸性。
   ④ 翻滾的危險(xiǎn)
   通常，儲罐內(nèi)的LNG長期靜置或密度不同的LNG混裝，將形成兩個穩(wěn)定的液相層。當(dāng)外界熱量傳入罐內(nèi)時，兩個液相層相互傳質(zhì)、傳熱并混合，液層表面開始蒸發(fā)，下層由于吸收了上層的熱量，而處于過熱狀態(tài)。當(dāng)兩液相層密度接近時，可在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，使罐內(nèi)壓力急劇上升，這就是翻滾現(xiàn)象。液體翻滾引起LNG蒸發(fā)率急增，若來不及排出大量的BOG，儲罐內(nèi)的壓力將超過設(shè)計(jì)壓力，會發(fā)生危險(xiǎn)。
2 LNG氣化站運(yùn)行控制系統(tǒng)
2.1 LNG氣化站工藝流程
   LNG氣化站工藝流程見圖1。
 

   利用卸車增壓氣化器將LNG槽車內(nèi)的氣相壓力升高，將LNG通過管道卸至站內(nèi)儲罐。利用儲罐配套的自增壓氣化器來保證儲罐具有一定的壓力，并將LNG送入空溫式氣化器，通過環(huán)境空氣的熱量將LNG氣化為氣態(tài)天然氣。若氣態(tài)天然氣溫度大于5℃，則直接進(jìn)入調(diào)壓、計(jì)量、加臭裝置；若氣態(tài)天然氣溫度小于5℃，就需要經(jīng)過水浴式加熱器將氣態(tài)天然氣加熱到5℃以上，再送入調(diào)壓、計(jì)量、加臭裝置，最后送入中壓管網(wǎng)。LNG槽車和LNG儲罐產(chǎn)生的BOG排放至BOG加熱器，加熱后送入調(diào)壓、計(jì)量、加臭裝置，最后送入中壓管網(wǎng)。
   工藝裝置區(qū)中的氣化區(qū)是將LNG轉(zhuǎn)換為氣態(tài)天然氣的主要部位，也是整個氣化站的關(guān)鍵部位。在整個氣化區(qū)設(shè)置2組氣化器，在每組氣化器后設(shè)置2個溫度傳感器(減少溫度傳感器損壞引起誤動作的概率)。當(dāng)一組氣化器結(jié)霜過多或發(fā)生故障時，通過溫度檢測超限報(bào)警，連鎖關(guān)閉該組氣化器進(jìn)液管上的氣動緊急切斷閥實(shí)現(xiàn)對氣化器的控制，同時打開另外一組氣化器的進(jìn)液管上的氣動緊急切斷閥，保證供氣的連續(xù)性。
2.2 LNG氣化站運(yùn)行控制系統(tǒng)
    LNG氣化站是由儲罐區(qū)、工藝裝置區(qū)和輔助區(qū)3個區(qū)域組成。對每個區(qū)域都需進(jìn)行監(jiān)測或控制，關(guān)鍵地方還必須采用聯(lián)動的方式來保證控制的及時性。要達(dá)到以上目的，必須要建設(shè)一套LNG氣化站的運(yùn)行控制系統(tǒng)(見圖2)。運(yùn)行控制系統(tǒng)分為PLC控制系統(tǒng)和現(xiàn)場調(diào)節(jié)設(shè)備的自動連鎖控制2部分。
 

    儲罐區(qū)對于整個氣化站來說是核心部位，最主要的設(shè)備就是LNG儲罐，現(xiàn)以蘇州港華燃?xì)庥邢薰静捎玫恼婵辗勰┑蜏貕毫^熱儲罐為例，談?wù)凩NG氣化站運(yùn)行控制系統(tǒng)的配置。
    在儲罐上安裝壓力變送器和液位變送器來監(jiān)測儲罐壓力和液位。在進(jìn)、出液管上安裝氣動緊急切斷閥，通過電磁閥和儀表來控制進(jìn)液或出液。在氣、液相管之間安裝自增壓氣化器和自增壓閥，對儲罐進(jìn)行增壓。在氣相管上安裝減壓調(diào)節(jié)閥和安全閥，防止儲罐超壓。
    正常運(yùn)行中，必須將LNG儲罐的工作壓力控制在允許的范圍內(nèi)。LNG儲罐的正常工作壓力范圍為0.3～0.6MPa，罐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，可利用自增壓氣化器和自增壓閥對儲罐進(jìn)行增壓。增壓下限由自增壓閥開啟壓力確定，增壓上限由自增壓閥的自動關(guān)閉壓力確定，其值通常比設(shè)定的自增壓閥開啟壓力高約15%。
    LNG在儲存過程中會由于儲罐不可能絕對無熱量交換，而緩慢蒸發(fā)(日靜態(tài)蒸發(fā)率≤0.3%)，導(dǎo)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(yùn)行，采用儲罐減壓調(diào)節(jié)閥、壓力報(bào)警手動放散、安全閥起跳三級安全保護(hù)措施來進(jìn)行儲罐的超壓保護(hù)。
    其保護(hù)順序?yàn)楫?dāng)儲罐壓力上升到減壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定的開啟值時，減壓調(diào)節(jié)閥自動打開泄放氣態(tài)天然氣。當(dāng)減壓調(diào)節(jié)閥失靈，罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升，達(dá)到壓力報(bào)警值時，壓力報(bào)警，手動放散泄壓。當(dāng)減壓調(diào)節(jié)閥失靈且手動放散未開啟時，安全閥起跳泄壓，保證LNG儲罐的運(yùn)行安全。對于最大工作壓力為0.600MPa的LNG儲罐，設(shè)計(jì)壓力為0.660MPa，減壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)定開啟壓力為0.615 Pa，儲罐報(bào)警壓力為0.620MPa，安全閥開啟壓力為0.630MPa。
    LNG儲罐在進(jìn)液或出液時，液位產(chǎn)生變化。進(jìn)液時當(dāng)儲罐液位達(dá)到罐容的90%，由控制室發(fā)出報(bào)警信號，停止進(jìn)液。若控制失效，液位繼續(xù)上升，達(dá)到罐容的95%時，通過PLC連鎖控制進(jìn)液管上的電磁閥，使之關(guān)閉氣動緊急切斷閥，避免液位過高。
    若出液時儲罐液位達(dá)到罐容的10%時，由控制室發(fā)出報(bào)警信號，停止出液。若控制失效，液位繼續(xù)下降，達(dá)到罐容的5%時，通過PLC連鎖控制出液管上的電磁閥，使之關(guān)閉氣動緊急切斷閥。避免罐內(nèi)無液，造成罐內(nèi)溫度上升，需要再次預(yù)冷。
    若發(fā)生緊急事故，可以通過罐區(qū)邊、卸車區(qū)旁或控制室內(nèi)的緊急切斷按鈕來切斷所有罐的進(jìn)、出液的氣動緊急切斷閥和氣化器前的氣動緊急切斷閥，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。
3 LNG氣化站火氣控制系統(tǒng)
    LNG氣化站的火氣控制系統(tǒng)(F/G)功能是在火災(zāi)和可燃性氣體泄漏的情況下，能準(zhǔn)確探測火災(zāi)和氣體泄漏的程度和事故地點(diǎn)，觸發(fā)聲光報(bào)警設(shè)備，并且根據(jù)事故發(fā)生的嚴(yán)重性等級而確定報(bào)警和啟動消防設(shè)施，從而控制和避免災(zāi)難的發(fā)生，以防止對生產(chǎn)設(shè)備和人員的傷害及對環(huán)境的影響等。因而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵循故障安全的原則，對整個系統(tǒng)的硬件和軟件的可靠性要求都很高。
3.1 火氣控制系統(tǒng)的設(shè)備
   ① 溫度探測傳感器
   在儲罐區(qū)的導(dǎo)流槽上安裝低溫探測傳感器，通過對溫度的監(jiān)測來判斷是否有LNG泄漏。
   ② 可燃?xì)怏w探頭
   在整個氣化站各個區(qū)域安裝催化燃燒型可燃?xì)怏w探頭，監(jiān)測空氣中的可燃?xì)怏w濃度，一般按可燃?xì)怏w的爆炸下限為最大量程，達(dá)到爆炸下限的20%視為警告(一級報(bào)警)，達(dá)到爆炸下限的40%視為氣體泄漏報(bào)警(二級報(bào)警)。
   ③ 火焰探頭
   在LNG儲罐四周安裝紅外紫外加頻率的火焰探頭，通過對可燃性氣體或液體火焰的監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)明火并發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號。
   ④ 手動火災(zāi)報(bào)警按鈕
   在LNG儲罐區(qū)周邊安裝按壓式手動火災(zāi)報(bào)警按鈕，在整個廠區(qū)分布設(shè)置破玻璃式手動火災(zāi)報(bào)警按鈕，通過敲碎玻璃觸發(fā)信號來啟動消防系統(tǒng)。
   ⑤ 聲光報(bào)警器
   在氣化站分布設(shè)置聲光報(bào)警器，用于火災(zāi)報(bào)警時的聲音和光的提示功能，以確保所有現(xiàn)場人員都能及時知道火災(zāi)的發(fā)生，以采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。
   ⑥ 泡沫發(fā)生器
   在LNG儲罐邊設(shè)置一個泡沫發(fā)生器，主要對LNG泄漏時儲罐區(qū)的集液池實(shí)施全部泡沫覆蓋，減慢LNG氣化的速度。
   ⑦ 消防系統(tǒng)
   由消防控制柜、消防泵、穩(wěn)壓泵、穩(wěn)壓罐、噴淋管、電磁蝶閥和高壓水槍等組成。
3.2 火氣控制系統(tǒng)的連鎖關(guān)系
    ① 可燃?xì)怏w探測產(chǎn)生的連鎖
    a. 單探頭可燃?xì)怏w探測：當(dāng)可燃?xì)怏w的一級報(bào)警設(shè)定值達(dá)到爆炸下限的20%時，在控制室的火災(zāi)報(bào)警控制器上報(bào)警，在人機(jī)界面上低濃度可燃?xì)怏w報(bào)警并記錄事件。當(dāng)可燃?xì)怏w的二級報(bào)警設(shè)定值達(dá)到爆炸下限的40%時，在控制室的火災(zāi)報(bào)警控制器上報(bào)警，在人機(jī)界面上高濃度可燃?xì)怏w報(bào)警并記錄事件。
    b. 多探頭可燃?xì)怏w探測：多個探頭中同時有2個探頭的一級報(bào)警設(shè)定值達(dá)到爆炸下限的20%時，在控制室的火災(zāi)報(bào)警控制器上報(bào)警，在人機(jī)界面上多探頭低濃度報(bào)警并記錄事件。當(dāng)多個探頭中同時有2個探頭的二級報(bào)警設(shè)定值達(dá)到爆炸下限的40%時，不僅在控制室的火災(zāi)報(bào)警控制器上報(bào)警，在人機(jī)界面上多探頭高濃度報(bào)警并記錄事件，通過手動確認(rèn)高濃度可燃?xì)怏w報(bào)警，同時自動啟動現(xiàn)場的聲光報(bào)警器并將信號送給緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進(jìn)、出液閥和氣化器的進(jìn)口閥。
   ② 火焰探測產(chǎn)生的連鎖
   a. 觸發(fā)單探頭火災(zāi)探測，在控制室人機(jī)界面上單探頭火災(zāi)報(bào)警并記錄事件。
    b. 多個探頭中同時觸發(fā)2個探頭的火災(zāi)探測，在控制室人機(jī)界面上多探頭火災(zāi)報(bào)警并記錄事件，通過手動確認(rèn)火災(zāi)報(bào)警，同時自動啟動現(xiàn)場的聲光報(bào)警器并打開泡沫閥、切斷污水泵電源、啟動消防泵并發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進(jìn)、出液閥和氣化器的進(jìn)口閥。
   ③ 低溫探測產(chǎn)生的連鎖
   a. 單探頭低溫探測達(dá)-30℃，在控制室人機(jī)界面上低溫報(bào)警并記錄事件。單探頭低溫探測達(dá)-50℃，在控制室的人機(jī)界面上超低溫報(bào)警并記錄事件。
   b. 多個探頭中同時有2個探頭檢測值達(dá)到-30℃，不僅在控制室人機(jī)界面上多探頭低溫報(bào)警并記錄事件，還要啟動現(xiàn)場的聲光報(bào)警器。
   c. 多個探頭中同時有2個探頭檢測值達(dá)到-50℃，在控制室人機(jī)界面上多探頭超低溫報(bào)警并記錄事件，手動確認(rèn)超低溫報(bào)警，同時自動打開LNG儲罐區(qū)泡沫閥、切斷污水泵電源和啟動1臺消防泵，同時發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進(jìn)、出液閥和氣化器的進(jìn)口閥。
   d. 若在控制室人機(jī)界面上手動打開LNG儲罐區(qū)泡沫閥時，會同時切斷污水泵電源和啟動1臺消防泵，同時發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進(jìn)、出液閥和氣化器的進(jìn)口閥。
   ④ 泡沫儲罐液位檢測產(chǎn)生的連鎖
   a. 泡沫儲罐液位達(dá)到報(bào)警下限值(30%)，在控制室人機(jī)界面上報(bào)警并記錄事件。
   b. 泡沫儲罐液位達(dá)到報(bào)警下下限值(10%)，在控制室人機(jī)界面上報(bào)警并記錄事件，同時使泡沫閥不能打開。以防只有水，沒有泡沫產(chǎn)生，而發(fā)生危險(xiǎn)。
4 結(jié)語
   氣化站運(yùn)行控制系統(tǒng)是整個LNG氣化站穩(wěn)定運(yùn)行的保證，緊急停車系統(tǒng)是LNG氣化站的安全保證，火氣控制系統(tǒng)是LNG氣化站發(fā)生泄漏和火災(zāi)時事故最小化的保證。這3個系統(tǒng)只有有機(jī)結(jié)合在一起，才能充分發(fā)揮作用。
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(本文作者：孫能1 劉蘭慧2 陳進(jìn)1 張明明1 1.蘇州港華燃?xì)庥邢薰?江蘇蘇州 215021；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)