CNG儲(chǔ)配站燃?xì)獬隹跍囟瓤刂颇Ｊ教接?/h1>

摘 要

摘要：近年來(lái)，城鎮(zhèn)CNG儲(chǔ)配站發(fā)展很快，其燃?xì)獬隹跍囟瓤刂颇Ｊ揭话悴捎檬謩?dòng)啟停熱水鍋爐控制，本人根據(jù)杭燃濱江CNG儲(chǔ)配站一年多來(lái)的運(yùn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用這種控制模式不僅溫度波動(dòng)幅度
摘要：近年來(lái)，城鎮(zhèn)CNG儲(chǔ)配站發(fā)展很快，其燃?xì)獬隹跍囟瓤刂颇Ｊ揭话悴捎檬謩?dòng)啟停熱水鍋爐控制，本人根據(jù)杭燃濱江CNG儲(chǔ)配站一年多來(lái)的運(yùn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用這種控制模式不僅溫度波動(dòng)幅度大，而且經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)這種情況，在SIEMENS S7-300控制系統(tǒng)中建立燃?xì)獬隹跍囟萈LC自控模塊，并對(duì)原熱水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行少量改造，即可取得較好的控制效果。
關(guān)鍵詞：CNG儲(chǔ)配站；燃?xì)鉁囟?；自?dòng)控制
1 濱江CNG儲(chǔ)西己站工藝流程及燃?xì)鉁囟瓤刂片F(xiàn)狀
   杭州燃?xì)夤居?009年建成并投運(yùn)濱江CNG儲(chǔ)配站，設(shè)計(jì)規(guī)模為4000Nm3/h，氣源采用壓縮天然氣氣瓶車公路運(yùn)輸，在儲(chǔ)配站內(nèi)，高壓天然氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)調(diào)壓，壓力降至0.3MPa，計(jì)量加臭后送入市政燃?xì)夤芫W(wǎng)。其工藝流程如下：
 

    CNG儲(chǔ)配工藝是一個(gè)絕熱節(jié)流降壓的過(guò)程，根據(jù)工程熱力學(xué)焦耳·湯姆遜效應(yīng)，非理想氣體經(jīng)節(jié)流壓力降低的情形下會(huì)出現(xiàn)溫度變化，其大小和方向同當(dāng)時(shí)氣體的壓力與溫度有關(guān)，節(jié)流過(guò)程是一個(gè)穩(wěn)定流動(dòng)初、終態(tài)焓值相等的降壓過(guò)程。實(shí)際運(yùn)行中，高壓天然氣降壓過(guò)程中整體溫度會(huì)劇烈下降，為了確保管網(wǎng)和調(diào)壓設(shè)備安全，由1套熱水循環(huán)系統(tǒng)加熱天然氣，該系統(tǒng)由燃?xì)鉄崴仩t、循環(huán)水泵、管殼式換熱器及供回水循環(huán)管道組成。運(yùn)行操作人員根據(jù)燃?xì)獬隹跍囟茸兓闆r開啟或停用熱水鍋爐，實(shí)際操作中，燃?xì)鉁囟群茈y控制，特別是在卸氣開始階段，熱功率很大，換熱器換熱能力不足，溫降過(guò)快，而卸氣后半段，熱功率降低，溫升很快，結(jié)果是燃?xì)鉁囟炔▌?dòng)過(guò)大。
2 CNG儲(chǔ)配站的燃?xì)獬隹跍囟鹊淖兓攸c(diǎn)
    整個(gè)卸氣過(guò)程，有很明顯的3個(gè)階段，分別為卸氣初始段、卸氣后半段、卸氣中止段。每個(gè)階段的燃?xì)獬隹跍囟茸兓闆r都不同。
    卸氣初始階段，CNG壓力從18MPa降至12MPa，溫度變化最為劇烈，燃?xì)饬髁?500Nm3/h，過(guò)程時(shí)間為0.5h，燃?xì)獬隹跍囟瓤傮w表現(xiàn)為快速下降。
    卸氣后半階段，CNG壓力從12MPa直至卸氣結(jié)束，所需時(shí)間約1.2h，燃?xì)獬隹跍囟饶峡焖傧陆底優(yōu)榫徛陆担^而變?yōu)榫徛仙?，最后變?yōu)榭焖偕仙倪^(guò)程。
    卸氣中止階段，當(dāng)二級(jí)調(diào)壓器后燃?xì)獬隹趬毫_(dá)到0.31MPa，調(diào)壓器將自動(dòng)關(guān)閉，直到燃?xì)獬隹趬毫禐?.26MPa，調(diào)壓器自動(dòng)起跳繼續(xù)卸氣。在調(diào)壓器動(dòng)作關(guān)閉階段，絕熱節(jié)流降壓過(guò)程中止，燃?xì)獠辉倥蛎浳鼰?。熱水鍋爐產(chǎn)生的熱量將全部轉(zhuǎn)變成循環(huán)水系統(tǒng)的蓄熱量，循環(huán)水溫度將快速上升。
    熱水循環(huán)系統(tǒng)具有熱慣性大、滯后性大的特點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行中，換熱系統(tǒng)循環(huán)水溫度變化嚴(yán)重滯后于CNG站燃?xì)獬隹跍囟茸兓?。如果純粹依靠燃?xì)獬隹跍囟茸兓_啟或停用熱水鍋爐運(yùn)行，顯然達(dá)不到控制要求。
3 CNG站燃?xì)獬隹跍囟瓤刂扑悸?/span>
3.1 CNG儲(chǔ)配站燃?xì)獬隹跍囟瓤傮w控制思路
    針對(duì)卸氣過(guò)程中的不同階段，計(jì)算出不同階段的換熱功率，利用熱水鍋爐改變循環(huán)水溫度，以適應(yīng)不同卸氣階段的換熱需要。在特殊的卸氣中止階段，把富裕的熱量通過(guò)蓄熱箱儲(chǔ)存起來(lái)，以達(dá)到維持溫度穩(wěn)定和節(jié)約能源的目的。
3.2 整個(gè)卸氣過(guò)程總換熱功率計(jì)算
    (1) 第一級(jí)換熱器平均所需的熱功率Q1
    Q1=qnCp(△PdT/dP+△T)
    =2500×1.65×[(18-0.7)×4+5]
    =306075kJ/h
 qn——標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m3/h；
 Cp——氣體容積定壓熱容，kJ/(m3·K)；
 △T——附加溫差，可取為5K～7K；
 △P——降壓前、后的壓力差，MPa；
 dT/dP——焦耳·湯姆遜系數(shù)，K/MPa。
 (2) 第二級(jí)換熱器平均所需的熱功率Q，
 Q2=qnCp(△PdT/dP+△T)
   =2500×1.65×[(0.7-0.3)×4+5]
    =27225kJ/h
    (3)總熱功率Q：
    p=Q1+Q2=306075+27225=333300kJ/h
3.3 卸氣開始階段
    CNG壓力從18MPa降至12MPa，所需時(shí)間為0.5h，燃?xì)獬隹跍囟瓤刂浦?℃。此階段，換熱器的熱功率應(yīng)提高到666600kJ/h，換熱器平均換熱溫差為：
    △Tm=Q/(KAη)
   =666600/(2340×7.8×0.9)
    =40.6℃
    K——換熱器傳熱系數(shù)，W/m2·℃
    A——換熱器換熱面積，m：
    η——換熱效率
    △Tm——平均溫差
    根據(jù)計(jì)算值，按燃?xì)鉁囟瓤刂浦禐?℃，循環(huán)水供水溫度應(yīng)不低于45.6℃，利用熱水鍋爐白帶控制器，將下限溫度設(shè)定為45℃，上限溫度設(shè)定為47℃。
3.4 卸氣后半階段
    CNG壓力從12MPa降至0.6MPa，所需時(shí)間為1.2h，燃?xì)鉁囟瓤刂浦禐?℃。換熱器的熱功率為277750 kJ/h，換熱器平均溫差：
    △Tm=Q/(KAη)
    =277750/(2340×7.8×0.9)
    =16.9℃
    根據(jù)計(jì)算值，循環(huán)水供水溫度不低于21.9℃即可，因此時(shí)循環(huán)水溫度在46℃左右，為簡(jiǎn)化控制流程，可在供回水管上設(shè)置一只等徑旁路閥，分流經(jīng)過(guò)換熱器的流量，并根據(jù)燃?xì)獬隹跍囟戎祦?lái)控制旁路閥的開啟或關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。
3.5 卸氣中止階段
    在循環(huán)水供回管道間設(shè)置一只旁路閥，同時(shí)在回水管道上設(shè)置一只蓄熱箱，把熱水鍋爐產(chǎn)生的熱量通過(guò)蓄熱箱儲(chǔ)存起來(lái)。其設(shè)計(jì)流程如圖2。
    循環(huán)水系統(tǒng)總水容量為：V總=2×V鍋爐+V管道+V換熱器=0.545+0.545+0.4+0.285=1.78(m3)，循環(huán)水泵額定流量為25m3/h，為滿足半小時(shí)卸氣初始階段的換熱需要，蓄熱水箱設(shè)計(jì)容積為：V=25×0.5÷2-1.78=4.47(m3)。
3.6 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    自動(dòng)系統(tǒng)需要4個(gè)開關(guān)量信號(hào)：燃?xì)膺M(jìn)口壓力開關(guān)信號(hào)(動(dòng)作值12MPa)；二級(jí)調(diào)壓器前后差壓開關(guān)信號(hào)(動(dòng)作值0)；燃?xì)獬隹跍囟刃盘?hào)(動(dòng)作值20℃)；燃?xì)獬隹跍囟刃盘?hào)(動(dòng)作值5℃)。輸入開關(guān)量信號(hào)采用原系統(tǒng)自有的模擬量輸入信號(hào)(一級(jí)調(diào)壓器前壓力和燃?xì)獬隹跍囟?，通過(guò)PLC控制程序(比較模塊)實(shí)現(xiàn)3個(gè)開關(guān)量信號(hào)。輸出信號(hào)有2個(gè)：旁通閥開啟信號(hào)，旁通閥關(guān)閉信號(hào)。
    自控系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。
    熱水鍋爐、循環(huán)水泵、調(diào)壓裝置、閥門等設(shè)備出現(xiàn)故障及其他不確定因素造成白控系統(tǒng)振蕩等情況下應(yīng)撤出自動(dòng)控制裝置。系統(tǒng)安裝一只自/手動(dòng)切換開關(guān)，正常情況下投入自動(dòng)，出現(xiàn)異?；蛐枰獧z修撤出自動(dòng)。
PLC主控制程序設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。
 
4 結(jié)束語(yǔ)
CNG儲(chǔ)配站燃?xì)獬隹跍囟茸詣?dòng)控制設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的課題，因?yàn)镃NG儲(chǔ)配站具有非連續(xù)性、非線性的運(yùn)行特點(diǎn)，使得常規(guī)的PID控制模式很難實(shí)施。本文中很多設(shè)計(jì)思路也是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析總結(jié)而來(lái)，是一種新型控制方式的探索。經(jīng)長(zhǎng)期觀察，理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)還是比較吻合的，說(shuō)明該控制模式在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)施。采用本控制模式，不僅技改成本較低，而且控制效果較好，值得推廣。
參考文獻(xiàn)：
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2 GB 50028—2006，城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006
3 王兆明，可編程序控制器原理、應(yīng)用與實(shí)訓(xùn)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008
4 錢頌文，換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，2002
 
(本文作者：沈曉東 高立鴻 杭州市燃?xì)?集團(tuán))有限公司 310051)