水上LNG加氣站LNG控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要

以 “ 華強 1 號 ” 水上 LNG 加氣站為例，探討了水上 LNG 加氣站的工藝流程、 LNG 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能、提高 LNG 控制系統(tǒng)安全可靠性的方法。

摘　要：以“華強1號”水上LNG加氣站為例，探討了水上LNG加氣站的工藝流程、LNG控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能、提高LNG控制系統(tǒng)安全可靠性的方法。

關(guān)鍵詞：LNG加氣躉船；水上LNG加氣站；工藝流程；LNG控制系統(tǒng)

Deign of LNG Control System for Overwater LNG Filling Station

Abstract：Taking the overwater LNG filling station Huaqiang No.1 for example．the process flow of overwater LNG filling station．structure and functions of LNG control system and methods of improving safety and reliability of LNG control system are introduced．

Keywords：LNG filling barge；overwater LNG filling station：process flow；LNG control system

1　概述

根據(jù)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020)，天然氣在我國一次能源消費中所占的比例將由現(xiàn)在的約6％提高到10％以上，隨著我國國民經(jīng)濟的增長，無論是工業(yè)還是居民生活，都將對天然氣產(chǎn)生越來越大的依賴性[1]。天然氣在船舶上的應(yīng)用也日益普及，作為船用LNG的銷售終端，水上LNG加氣站將得到長足的發(fā)展。LNG是一種非常危險的液體[2]，在LNG運輸船上，LNG控制系統(tǒng)發(fā)生故障約占LNG船舶事故總數(shù)的18％[3]。因此，為保證水上LNG加氣站的安全運營，加氣站需要一套高度可靠的LNG控制系統(tǒng)。本文主要結(jié)合“華強1號”水上LNG加氣站，對水上LNG加氣站控制系統(tǒng)的設(shè)計進行探討。

2　“華強1號”水上LNG加氣站概況

“華強1號”水上LNG加氣站(以下簡稱本站)是我國第一座依據(jù)中國船級社頒布的《液化天然氣燃料水上加注躉船入級與建造規(guī)范》(2014)設(shè)計的水上LNG加氣站，其平面布置見圖1。

水上LNG加氣站LNG控制系統(tǒng)設(shè)計

本站具有加油和加氣兩種功能，主要由岸上監(jiān)控室和LNG槽車卸車橇、船岸間棧橋、船岸間應(yīng)急通道和長90m的LNG加氣躉船組成，有岸上監(jiān)控室、岸上LNG卸車區(qū)、躉船監(jiān)控室、躉船營業(yè)室、加油作業(yè)區(qū)和LNG加氣作業(yè)區(qū)共六個監(jiān)控區(qū)，其中加油作業(yè)區(qū)專用于加油，本文不詳細闡述。本站的躉船主甲板上設(shè)置兩臺250m3的LNG儲罐，LNG儲罐罐壁材質(zhì)為雙層不銹鋼，用冷箱作為容納LNG儲罐液面以下進出液管道、LNG加氣泵及泵池、閥門、LNG熱交換器和儀表等的次屏蔽結(jié)構(gòu)。艉樓與LNG儲罐之間的艙內(nèi)設(shè)置6個總?cè)莘e約為2000m3的貨油艙，艉樓設(shè)有監(jiān)控室和營業(yè)室，躉船機艙(圖1內(nèi)沒有畫出)設(shè)計為滿足中國船級社要求的本質(zhì)安全型，機艙內(nèi)設(shè)置一臺天然氣單燃料發(fā)電機，用于處理LNG蒸發(fā)氣(下文簡稱BOG)。本站的油和LNG分別由加油船和岸上的LNG槽車補給。

3　本站工藝流程

本站建成運營后，主要有LNG卸車、LNG加氣、LNG儲罐增壓、安全放散氣(以下簡稱EAG)放散、BOG回收利用、殘液吹掃、氮氣置換和自循環(huán)八種基本功能。為保持本站的前瞻性和先進性，本站預(yù)留有LNG卸船和LNG裝車的接口。LNG控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對所有流程進行工藝控制、監(jiān)視和報警，并能夠自動處理安全事故，進行緊急切斷(以下簡稱ESD)保護，以確保本站的安全運營。

①LNG卸車流程：LNG槽車經(jīng)過磅稱重后，通過LNG槽車卸車橇和管道輸送到躉船的LNG儲罐中。

②LNG加氣流程：給LNG燃料動力船加氣時，先將專用的LNG加氣臂或加氣軟管與LNG燃料動力船上的接口連接，待躉船監(jiān)控室授權(quán)允許加氣后，加氣人員可以操作加氣控制柜上的按鈕進行加氣作業(yè)。LNG儲罐中的LNG經(jīng)過加氣泵加壓后輸送到計量裝置，經(jīng)過計量后通過加氣臂或加氣軟管輸送到LNG燃料動力船中的LNG儲罐。在LNG加氣過程中，LNG燃料動力船中儲罐內(nèi)的BOG回流到躉船LNG儲罐中。

③LNG儲罐增壓流程：本站運營過程中，當(dāng)躉船LNG儲罐壓力低于工藝要求的設(shè)定值時，需對儲罐進行增壓。此時開啟儲罐增壓閥，儲罐中少量LNG流入到增壓器中，LNG經(jīng)增壓器氣化為天然氣后，通過氣相管道返回儲罐，儲罐內(nèi)壓力達到設(shè)定的壓力值時停止增壓。

④EAG放散流程：本站天然氣管道、LNG儲罐和天然氣儲罐(緩沖罐等)的壓力高于各自的安全閥設(shè)定壓力時報警，安全閥自動開啟，EAG通過管道輸送到放散總管。

⑤BOG回收利用流程：當(dāng)躉船LNG儲罐的壓力達到BOG回收系統(tǒng)設(shè)定值時，儲罐氣相主閥自動開啟，BOG經(jīng)加熱后供天然氣發(fā)電機使用。

⑥殘液吹掃流程：躉船LNG補給和加氣完成后，打開儲罐增壓閥，讓一部分液體經(jīng)增壓器氣化后儲存在吹掃緩沖罐中。當(dāng)緩沖罐內(nèi)的天然氣壓力滿足工藝要求后，開啟吹掃管道上的閥門進行吹掃。當(dāng)加氣完成后，以加氣臂上的吹掃口為界，將吹掃口后加氣臂中的LNG吹到LNG燃料動力船的儲罐中，將吹掃口前的LNG吹回躉船LNG儲罐。

⑦氮氣置換流程：為避免加氣臂和管道中的天然氣積聚產(chǎn)生危險，需要將其內(nèi)部的天然氣置換為氮氣進行保護，確保加氣臂和管道中的含氧量低于5％。當(dāng)殘液吹掃結(jié)束后，打開放空閥，氮氣緩沖罐內(nèi)的高壓氮氣通過吹掃口進入管道后，與天然氣一起通過放空閥進入安全放散系統(tǒng)放散。

⑧自循環(huán)流程：由于LNG的組成各異，密度也不同，為避免在LNG儲罐內(nèi)產(chǎn)生分層而造成翻滾事故，當(dāng)監(jiān)測到LNG儲罐液位分層后，加氣泵可將LNG儲罐底部的LNG抽出再回流到儲罐的底部或頂部，以達到混合均勻的目的。

⑨預(yù)留LNG裝車流程：躉船LNG儲罐內(nèi)的LNG通過躉船LNG加氣泵和棧橋管道給岸上的LNG槽車加氣。

⑩預(yù)留LNG卸船流程：LNG運輸船上的LNG儲罐內(nèi)的LNG通過LNG運輸船卸液泵、LNG軟管、管道輸送到躉船LNG儲罐。

4　本站LNG控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本站LNG控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2。受連接船岸的棧橋的坡度和強度的限制，LNG槽車不能駛?cè)氪希虼?/span>LNG控制系統(tǒng)相應(yīng)地分為船岸兩個部分，岸上部分稱為LNG卸車控制系統(tǒng)，用于監(jiān)控LNG槽車卸車的設(shè)備和LNG槽車，LNG加氣躉船上的LNG控制系統(tǒng)分為LNG加氣控制系統(tǒng)、緊急切斷系統(tǒng)和IC卡收費管理系統(tǒng)，用于監(jiān)控躉船上的所有LNG設(shè)備和LNG的銷售管理。為提高LNG控制系統(tǒng)的可靠性，本控制系統(tǒng)在硬件配置、設(shè)備通信和系統(tǒng)供電方面都進行了特別設(shè)計。

水上LNG加氣站LNG控制系統(tǒng)設(shè)計

①硬件配置

本站LNG控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)(簡稱DCS)結(jié)構(gòu)，以分散控制系統(tǒng)的危險性和提高可靠性，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成層次化的體系結(jié)構(gòu)，從下至上依次為現(xiàn)場設(shè)備層、控制層和操作監(jiān)控層川。現(xiàn)場設(shè)備層包括安裝在危險區(qū)域的壓力、溫度、液位、流量等傳感器，卸車泵，加氣泵，其他防爆設(shè)備，安全柵，變頻器，氮氣發(fā)生器、報警器等；控制層主要由1”可編程邏輯控制器(下文簡稱PLC)、2#PLC、I／O站及交換機組成；操作監(jiān)控層由上位監(jiān)控電腦及相關(guān)軟硬件組成。本控制系統(tǒng)采用兩套支持環(huán)形以太網(wǎng)的PLC作為控制系統(tǒng)的核心，一套用于工藝控制和監(jiān)測報警，另一套專用于ESD以提高系統(tǒng)的安全可靠性。在岸上設(shè)置一套I／O站，LNG加氣泵和LNG卸車泵均采用支持以太網(wǎng)通信的變頻器控制，以方便監(jiān)測變頻器和LNG泵的狀態(tài)，根據(jù)工藝要求控制泵的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)在躉船監(jiān)控室設(shè)置工程師站一套，用于系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)、控制功能組態(tài)和操作畫面組態(tài)；還設(shè)置操作員站一套，用于監(jiān)視或管理LNG儲罐、天然氣儲罐、LNG泵等帶有傳感器信號輸出的LNG設(shè)備、氮氣發(fā)生器、可燃氣體濃度和油艙液位。在躉船監(jiān)控室和岸上監(jiān)控室分別設(shè)置一個觸摸屏，用于閥門的遠程遙控。在躉船營業(yè)室設(shè)置IC卡收費站一套，含IC卡收費管理工控機、IC卡讀寫器、票據(jù)打印機等，用于IC卡收費管理并具有LNG儲罐液位、壓力和溫度監(jiān)視功能。本系統(tǒng)位于危險區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備選用與危險區(qū)域防爆等級相匹配的本安型或隔爆型，選用的應(yīng)急截止閥為故障關(guān)閉型。

②通信方式

本系統(tǒng)大部分現(xiàn)場設(shè)備層儀表為本安型，輸出模擬量為4～20mA或熱電阻(簡稱RTD)信號，采用本安電纜經(jīng)安全柵與PLC或I／O站連接；現(xiàn)場設(shè)備層防爆設(shè)備采用電力電纜或雙絞線通信電纜與變頻器、PLC或I／O站連接?？刂茖硬捎秒p絞線或光纖連接的環(huán)形冗余以太網(wǎng)通信，以提高系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)帶寬為100Mb／s，以確保通信的實時性。由于船岸LNG控制系統(tǒng)之間距離較遠，電纜長度約為150m，為避免信號的衰減，船岸LNG控制系統(tǒng)控制層之間采用光纖以太網(wǎng)通信[5]。操作監(jiān)控層與控制層之間除IC卡收費管理系統(tǒng)采用RS485通信(屬于雙絞線通信電纜)外，均采用雙絞線以太網(wǎng)通信。本系統(tǒng)與氮氣發(fā)生器控制系統(tǒng)MODBUSRTU、可燃氣體探測器自檢功能故障等其他船上模擬量信號采用雙絞線通信電纜連接，與可燃氣體報警控制器的可燃氣體濃度高／低限等開關(guān)量信號采用電力電纜連接。

③供電方式

由于本站船岸LNG控制系統(tǒng)之間距離較遠，為避免電源長距離輸送造成電纜壓降太大，為岸上LNG控制系統(tǒng)設(shè)置一套獨立不間斷電源(下文簡稱UPS)，在躉船上設(shè)置兩套UPS，一套為1#PLC、2#PLC、躉船LNG儀器儀表等LNG加氣控制系統(tǒng)和緊急切斷系統(tǒng)設(shè)備供電，另一套為加氣控制器及其上位機等IC卡收費管理系統(tǒng)設(shè)備供電。正常情況下，LNG控制系統(tǒng)由來自躉船配電設(shè)備的AC220V主電源供電，其中，DC24V設(shè)備由主電源經(jīng)開關(guān)電源模塊供電。當(dāng)主電源發(fā)生故障時，主電源自動轉(zhuǎn)為UPS供電，以保證供電的連續(xù)性。各UPS給相應(yīng)設(shè)備持續(xù)供電時間不少于1h。

5　LNG控制系統(tǒng)的功能

LNG控制系統(tǒng)主要有LNG系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、顯示和報警，ESD保護，工藝控制，收費管理，數(shù)據(jù)儲存、查詢和報表打印等功能。

5.1　LNG系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、顯示和報警功能

本系統(tǒng)1#PLC采集可燃氣體濃度(40％爆炸下限，爆炸下限以符號Llow表示)或者可燃氣體探測器自檢功能故障、機艙和儲罐區(qū)失火、LNG儲罐的90％液位、加氣和補給管道壓力異常、儲罐冷箱環(huán)境溫度、ESD按鈕等預(yù)示可能引起安全事故的狀態(tài)信號，用于ESD保護。2#PLC采集天然氣發(fā)電機的運行狀態(tài)和報警信號，氮氣發(fā)生器的工藝參數(shù)和報警信號，LNG儲罐冷箱通風(fēng)機的運行狀態(tài)和故障信號，LNG泵的工藝參數(shù)和報警信號，LNG儲罐內(nèi)的溫度、壓力和液位，天然氣儲罐內(nèi)的壓力，可燃氣體濃度(0.2Llow)、LNG熱交換器出口溫度和壓力、加氣控制器的預(yù)冷和加氣控制等LNG相關(guān)設(shè)備的信號用于工藝控制、顯示和報警。其中，LNG儲罐液位監(jiān)測采用冗余設(shè)計，設(shè)置三套傳感器，其中一套接入1#PLC用于儲罐的90％液位高限ESD保護，另兩套接入2#PLC分別用于儲罐的20％液位低報警、儲罐液位顯示和儲罐的85％液位高報警，以提高系統(tǒng)的可靠性。加氣控制器采集每次的加氣量、加氣金額、單價、加氣卡號、時間等信息通信至上位機顯示并生成報表，進行統(tǒng)計查詢。I／O站采集岸上LNG設(shè)備的參數(shù)和運行狀態(tài)信號。

5.2　ESD保護

當(dāng)LNG控制系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)異常將導(dǎo)致事故時，LNG控制系統(tǒng)能夠自動采取正確的操作，將事故終止在安全狀態(tài)。

①LNG加氣管道應(yīng)急截止閥的ESD保護：當(dāng)氣體探測器探測到被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的氣體濃度高于0.4Llow或者探測器自檢功能故障，火災(zāi)探測器探測到火災(zāi)，傳感器檢測到加氣管道壓力異常或者ESD按鈕被觸發(fā)時，系統(tǒng)能自動切斷加氣管道應(yīng)急截止閥。

②LNG補給管道應(yīng)急截止閥的ESD保護：當(dāng)氣體探測器探測到被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的氣體濃度高于0.4Llow或者探測器自檢功能故障，火災(zāi)探測器探測到火災(zāi)，傳感器檢測到儲罐充液體積約為儲罐容積的90％、補給管道壓力異?；蛘?/span>ESD按鈕被觸發(fā)時，系統(tǒng)能自動切斷補給管道應(yīng)急截止閥。

③LNG加氣泵的ESD保護：當(dāng)氣體探測器探測到被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的氣體濃度高于0.4Llow或者探測器自檢功能故障，火災(zāi)探測器探測到火災(zāi)，傳感器檢測到加氣管道應(yīng)急截止閥關(guān)閉、加氣管道壓力異常、儲罐液位低、LNG加氣泵溫度高、泵池液位低、泵池壓力高、LNG加氣泵氣蝕、泵出口壓力過低或者ESD按鈕被觸發(fā)時，系統(tǒng)能自動停止LNG加氣泵。

④LNG槽車卸車泵的ESD保護：當(dāng)氣體探測器探測到被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的氣體濃度高于0.4Llow或者探測器自檢功能故障，火災(zāi)探測器探測到火災(zāi)，傳感器檢測到躉船儲罐充液體積約為儲罐容積的90％、補給管道應(yīng)急截止閥關(guān)閉、補給管道壓力異常、LNG槽車卸車泵溫度高、泵池液位低、泵池壓力高、LNG槽車卸車泵氣蝕、泵出口壓力過低或者ESD按鈕被觸發(fā)時，系統(tǒng)能自動停止LNG槽車卸車泵。

⑤控制天然氣發(fā)電機供氣管道的LNG儲罐主閥的ESD保護：當(dāng)氣體探測器探測到被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的氣體濃度高于0.4Llow或者探測器白檢功能故障，火災(zāi)探測器探測到火災(zāi)，傳感器檢測到供氣管道上氣化器的氣體燃料出口溫度低或者ESD按鈕被觸發(fā)時，系統(tǒng)能自動切斷LNG儲罐主閥。

5.3　工藝控制

本LNG控制系統(tǒng)中的28PLC用于工藝控制，工藝控制主要包括：根據(jù)要求自動控制LNG泵的起停和轉(zhuǎn)速；根據(jù)LNG泵出口壓力對LNG泵轉(zhuǎn)速進行PID調(diào)節(jié)使泵出口壓力穩(wěn)定，避免LNG泵出口壓力因LNG氣化而急劇上升造成設(shè)備損壞；根據(jù)加氣管道壓力對加氣管道閥門的開度進行控制以調(diào)節(jié)加氣流量；根據(jù)增壓器出口溫度對增壓器進液閥門的開度進行控制以調(diào)節(jié)增壓器出口的壓力；對LNG補給和加氣作業(yè)進行自動順序控制；LNG儲罐壓力控制和天然氣發(fā)電機供氣壓力控制。

本控制系統(tǒng)設(shè)置IC卡收費管理系統(tǒng)全套設(shè)備，工控機采集每次加氣信息，可實現(xiàn)有卡加氣、無卡加氣，實現(xiàn)定量、定額加氣及自由加氣，同時具備聯(lián)網(wǎng)功能，加氣控制器的數(shù)據(jù)可自動上傳到工控機，實現(xiàn)隨時隨地監(jiān)管運營信息。

操作員站工控機對LNG系統(tǒng)所有采集信息均有儲存功能，關(guān)鍵數(shù)據(jù)生成實時曲線，數(shù)據(jù)以報表形式存儲以方便隨時查詢，工藝參數(shù)整點記錄、操作事件記錄報表和曲線可實現(xiàn)打印功能。

6　結(jié)論

“華強1號”水上LNG加氣站LNG控制系統(tǒng)充分考慮到LNG的危險性，設(shè)置工程師站和操作員站實現(xiàn)操作監(jiān)控層硬件冗余，ESD系統(tǒng)采用單獨的PLC實現(xiàn)控制層硬件冗余，采用環(huán)形以太網(wǎng)實現(xiàn)控制層通信冗余，重要控制點參數(shù)設(shè)置多個傳感器實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層硬件冗余，設(shè)置LNG控制系統(tǒng)專用UPS實現(xiàn)供電冗余，應(yīng)急截止閥采用故障關(guān)閉型以確保ESD措施安全可靠，氣體危險區(qū)域選用與防爆等級相匹配的本安或隔爆儀器儀表實現(xiàn)工藝過程本質(zhì)安全。通過上述多種方法，有效地保證了LNG控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和安全性，為本站的安全運營提供了有力保障。