LNG氣化站控制系統(tǒng)

    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�司的重視，LNG氣化站的安全運(yùn)行及先進(jìn)的控制顯得尤其重要。本文主要結(jié)合蘇州港華燃?xì)庥邢薰�司已�?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。

    由于LNG是由天然氣冷卻到一162℃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。

  ①低溫的危險(xiǎn)

  LNG泄漏后會(huì)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(shí)氣體密度大于空氣密度，在地面形成一個(gè)流動(dòng)層，當(dāng)溫度上升到一110℃以上時(shí)，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(shí)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?昆合并完全氣化。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。

  ②BOG的危險(xiǎn)

  雖然LNG儲(chǔ)存于絕熱的儲(chǔ)罐中，但不可能完全無熱量交換，外界傳人的熱量會(huì)引起LNG蒸發(fā)，產(chǎn)生BOG(蒸發(fā)氣體)。故要求LNG儲(chǔ)罐有一個(gè)極低的日蒸發(fā)率，要求儲(chǔ)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(chǔ)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�；鹧鏈囟雀�、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(chǔ)罐內(nèi)的LNG長期靜置或密度不同的LNG}昆裝，將形成兩個(gè)穩(wěn)定的液相層。當(dāng)外界熱量傳人罐內(nèi)時(shí)，兩個(gè)液相居相互傳質(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(shí)，可在短時(shí)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(chǔ)罐內(nèi)的壓力將超過設(shè)計(jì)壓力，會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

2 LNG氣化站運(yùn)行控制系統(tǒng)

  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(chǔ)罐。利用儲(chǔ)罐配套的自增壓氣化器來保證儲(chǔ)罐具有一定的壓力，并將LNG送人空溫式氣化器，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，再送人調(diào)壓、計(jì)量、加臭裝置，最后送人中壓管網(wǎng)。LNG槽車和LNG儲(chǔ)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(gè)氣化站的關(guān)鍵部位。在整個(gè)氣化區(qū)設(shè)置2組氣化器，在每組氣化器后設(shè)置2個(gè)溫度傳感器(減少溫度傳感器損壞引起誤動(dòng)作的概率)。當(dāng)一組氣化器結(jié)霜過多或發(fā)生故障時(shí)，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(dòng)緊急切斷閥實(shí)現(xiàn)對氣化器的控制，同時(shí)打開另外一組氣化器的進(jìn)液管上的氣動(dòng)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(chǔ)罐區(qū)、工藝裝置區(qū)和輔助區(qū)3個(gè)區(qū)域組成。對每個(gè)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(dòng)的方式來保證控制的及時(shí)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(dòng)連鎖控制2部分。

   儲(chǔ)罐區(qū)對于整個(gè)氣化站來說是核心部位，最主要的設(shè)備就是LNG儲(chǔ)罐，現(xiàn)以蘇州港華燃?xì)庥邢薰�司采用的真空粉末低溫壓力絕熱儲(chǔ)罐為例，談?wù)凩NG氣化站運(yùn)行控制系統(tǒng)的配置。

    在儲(chǔ)罐上安裝壓力變送器和液位變送器來監(jiān)測儲(chǔ)罐壓力和液位。在進(jìn)、出液管上安裝氣動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)罐超壓。

    正常運(yùn)行中，必須將LNG儲(chǔ)罐的工作壓力控制在允許的范圍內(nèi)。LNG儲(chǔ)罐的正常工作壓力范圍為0.3～0.6 MPa，罐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時(shí)，可利用自增壓氣化器和自增壓閥對儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)存過程中會(huì)由于儲(chǔ)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≤O.3％)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐的壓力逐步升高，最終危及儲(chǔ)罐安全。為保證儲(chǔ)罐安全運(yùn)行，采用儲(chǔ)罐減壓調(diào)節(jié)閥、壓力報(bào)警手動(dòng)放散、安全閥起跳三級安全保護(hù)措施來進(jìn)行儲(chǔ)罐的超壓保護(hù)。

    其保護(hù)順序?yàn)楫?dāng)儲(chǔ)罐壓力上升到減壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定的開啟值時(shí)，減壓調(diào)節(jié)閥自動(dòng)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(shí)，壓力報(bào)警，手動(dòng)放散泄壓。當(dāng)減壓調(diào)節(jié)閥失靈且手動(dòng)放散未開啟時(shí)，安全閥起跳泄壓，保證LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全。對于****工作壓力為0.600MPa的LNG儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)壓力為0.660 MPa，減壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)定開啟壓力為0.615 MPa，儲(chǔ)罐報(bào)警壓力為0.620 MPa，安全閥開啟壓力為0.630 MPa。

    LNG儲(chǔ)罐在進(jìn)液或出液時(shí)，液位產(chǎn)生變化。進(jìn)液時(shí)當(dāng)儲(chǔ)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(shí)，通過PLC連鎖控制進(jìn)液管上的電磁閥，使之關(guān)閉氣動(dòng)緊急切斷閥，避免液位過高。

    若出液時(shí)儲(chǔ)罐液位達(dá)到罐容的10％時(shí)，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(shí)，通過PLC連鎖控制出液管上的電磁閥，使之關(guān)閉氣動(dòng)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(dòng)緊急切斷閥和氣化器前的氣動(dòng)緊急切斷閥，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

    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(dòng)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(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件的可靠性要求都很高。

  ①溫度探測傳感器

  在儲(chǔ)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(gè)氣化站各個(gè)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(chǔ)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(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕

    在LNG儲(chǔ)罐區(qū)周邊安裝按壓式手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕，在整個(gè)廠區(qū)分布設(shè)置破玻璃式手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕，通過敲碎玻璃觸發(fā)信號來啟動(dòng)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(shí)的聲音和光的提示功能，以確保所有現(xiàn)場人員都能及時(shí)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(chǔ)罐邊設(shè)置一個(gè)泡沫發(fā)生器，主要對LNG泄漏時(shí)儲(chǔ)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。

    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(shí)，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(shí)，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

    b·多探頭可燃?xì)怏w探測：多個(gè)探頭中同時(shí)有2個(gè)探頭的一級報(bào)警設(shè)定值達(dá)到爆炸下限的20％時(shí)，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(gè)探頭中同時(shí)有2個(gè)探頭的二級報(bào)警設(shè)定值達(dá)到爆炸下限的40％時(shí)，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(dòng)確認(rèn)高濃度可燃?xì)怏w報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)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(chǔ)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(gè)探頭中同時(shí)觸發(fā)2個(gè)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(dòng)確認(rèn)火災(zāi)報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)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(dòng)消防泵并發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲(chǔ)罐的進(jìn)、出液閥和氣化器的進(jìn)口閥。

  ③低溫探測產(chǎn)生的蓮鎖

  a．單探頭低溫探測達(dá)一30℃，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)一50℃，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(gè)探頭中同時(shí)有2個(gè)探頭檢測值達(dá)到一30

℃，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(dòng)現(xiàn)場的聲光報(bào)警器。

    c．多個(gè)探頭中同時(shí)有2個(gè)探頭檢測值達(dá)到一50℃，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(dòng)確認(rèn)超低溫報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)打開LNG儲(chǔ)罐區(qū)泡沫閥、切斷污水泵電源和啟動(dòng)1臺(tái)消防泵，同時(shí)發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲(chǔ)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(dòng)打開LNG儲(chǔ)罐區(qū)泡沫閥時(shí)，會(huì)同時(shí)切斷污水泵電源和啟動(dòng)l臺(tái)消防泵，同時(shí)發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲(chǔ)罐的進(jìn)、出液閥和氣化器的進(jìn)口閥。

  ④泡沫儲(chǔ)罐液位檢測產(chǎn)生的連鎖

  a．泡沫儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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)。

  氣化站運(yùn)行控制系統(tǒng)是整個(gè)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(shí)事故最小化的保證。這3個(gè)系統(tǒng)只有有機(jī)結(jié)合在一起，才能充分發(fā)揮作用。