LNG接收站再冷凝器工藝參數(shù)及控制系統(tǒng)分析

李鑫，陳帥

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116600)

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LNG接收站再冷凝器工藝參數(shù)及控制系統(tǒng)分析

李鑫1，陳帥2

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116600)

摘要：再冷凝器控制系統(tǒng)的優(yōu)劣不僅影響LNG接收站工藝運行的穩(wěn)定與否，更決定了工藝操作的難易程度。詳細分析了再冷凝器的主要工藝參數(shù)，包括冷凝蒸發(fā)氣(BOG)時所需液化天然氣(LNG)與BOG的質(zhì)量比、再冷凝器液位和高壓泵吸入口飽和蒸汽壓差等。對國內(nèi)LNG接收站幾種典型再冷凝器控制方案進行了對比，綜合各控制方案優(yōu)點，對控制方案進行了適當改進，確定了一種通用控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過差壓控制穩(wěn)定高壓泵啟停時的再冷凝器液位，能夠延時控制減緩頂部壓力恢復，較好地保證了再冷凝器的穩(wěn)定運行。

關鍵詞：再冷凝器LNG接收站工藝參數(shù)控制系統(tǒng)蒸發(fā)氣

目前，國內(nèi)液化天然氣(LNG)接收站存儲所采用的全包容式混凝土頂儲罐(FCCR)，一般要求蒸發(fā)氣(BOG)日蒸發(fā)率不得超過0.05%。當前，LNG接收站對BOG的處理工藝大致可分為直接加壓至外輸管網(wǎng)工藝和再冷凝器回收工藝[1-4]。而對于氣源型LNG接收站，由于外輸壓力一般要求在5.0～9.0MPa，為了節(jié)能，世界上大多LNG接收站采用再冷凝器對BOG進行回收。

1再冷凝器工藝參數(shù)分析

大連LNG接收站再冷凝器回收BOG工藝如圖1所示。BOG經(jīng)過壓縮從再冷凝器頂部進入，與低壓泵提供的部分LNG在再冷凝器中充分換熱，從而將BOG冷凝為LNG；之后與再冷凝器旁路的LNG混合進入高壓泵。而再冷凝器回收BOG的工藝參數(shù)主要包括： 冷凝BOG所需LNG與BOG的質(zhì)量比ML/B(ML/B=mLNG/mBOG，其中mLNG為冷凝BOG所需LNG質(zhì)量，mBOG為BOG質(zhì)量[5-7])。

1.1冷凝BOG所需LNG與BOG的質(zhì)量比

再冷凝器的核心工藝參數(shù)為ML/B，而影響ML/B最主要的因素為BOG壓縮機出口壓力pT1和出口溫度TT1。當TT1恒定時，隨著pT1的增大，BOG露點溫度升高，使BOG更容易被液化，從而使ML/B降低，變化趨勢如圖2所示。根據(jù)圖2可以看出： 當pT1增加到0.7MPa左右時，ML/B隨著pT1的增加下降趨于平緩，同時考慮到pT1增大時，BOG壓縮機的壓縮比增大，即壓縮機的功耗也增加。綜合以上分析，該接收站將BOG壓縮機的出口操作壓力定為0.7MPa。

圖1　再冷凝器回收BOG工藝示意

圖2　ML/B隨pT1的變化趨勢

當pT1恒定時，隨著TT1的升高，ML/B也會增加。因為當BOG溫度高時，為降低BOG溫度所需LNG的體積流量就會增大，從而ML/B也會增加。這表明pT1一定時，ML/B與TT1的關系： ML/B=k TT1+b(k為大于0的常數(shù)，b為常數(shù))。

該接收站實際運行中BOG壓縮機入口溫度、壓力及出口壓力恒定時，BOG壓縮機不同負荷對應的出口溫度見表1所列。從表1可以看出： 誤差允許范圍內(nèi)BOG壓縮機入口溫度、壓力、出口壓力及負荷一定時，出口溫度也是一定的；當BOG壓縮機入口溫度、壓力、出口壓力一定時，隨著BOG壓縮機負荷的增加，出口溫度下降。

表1　BOG壓縮機不同負荷對應的BOG壓縮機出口溫度

1.2再冷凝器液位

實際運行中，再冷凝器液位(LT)是1個至關重要的控制參數(shù)，影響LT的主要因素有LNG的密度和再冷凝器底部與頂部的壓差，LT的計算公式：

(1)

式中：LT——再冷凝器的液位，m；pT2——再冷凝器底部壓力，MPa；pT3——再冷凝器頂部壓力，MPa；ρ——LNG的密度，kg/m3；g——重力加速度，N/kg；λ——壓差與液位的修正系數(shù)。由式(1)可以看出： 當差壓pT2-pT3增大時，LT上升，反之則下降；當ρ增大時，LT下降，反之則上升。

1.3高壓泵吸入口飽和蒸汽壓差

高壓泵吸入口飽和蒸汽壓差(ΔpDIC)的穩(wěn)定是高壓泵穩(wěn)定運行的前提。當ΔpDIC過低時，高壓泵會產(chǎn)生汽蝕，導致高壓泵振動而使高壓泵跳車。該接收站實際運行顯示，當ΔpDIC為0.09MPa時，高壓泵開始振動；當ΔpDIC繼續(xù)減小至0.05MPa時，高壓泵由于振動過高而聯(lián)鎖停車。為了避免高壓泵振動，采取如下措施： 當ΔpDIC小于或等于0.1MPa時，降低壓縮機負荷來提高飽和蒸汽壓差。ΔpDIC的計算公式如下：

(2)

式中：TT2——高壓泵入口LNG的溫度，℃；pTX——TT2溫度時LNG的飽和蒸汽壓，MPa。

由式(2)可以看出，ΔpDIC受TT2和pT2影響，而TT2由再冷凝器出口LNG溫度、流量及再冷凝器旁路LNG溫度、流量所決定，所以ΔpDIC主要受到pT2，再冷凝器出口LNG溫度、流量，再冷凝器旁路LNG溫度、流量的影響。

2再冷凝器控制系統(tǒng)分析

2.1控制系統(tǒng)A/B

再冷凝器控制系統(tǒng)A/B如圖3所示。其中，控制系統(tǒng)A為該接收站以前的控制系統(tǒng)，其再冷凝器容積為46.158m3(直徑為2.8m，高度為7.5m)；控制系統(tǒng)B為某LNG接收站當前控制系統(tǒng)，其再冷凝器容積為18.137m3(直徑為1.9m，高度為6.4m)。兩控制系統(tǒng)唯一的區(qū)別在于比例計算器參數(shù)選擇不同，控制系統(tǒng)A將BOG入口溫度作為比例運算器FX1的1個計算參數(shù)。冷凝BOG所需LNG流量計算公式為

qVLNG=(-6×10-6T3+6×10-4T2+

0.0458T+10)qVBOGK

(3)

式中：qVLNG——冷凝BOG所需LNG流量，m3/h ；T——再冷凝器入口BOG溫度，℃；qVBOG——所需冷凝的BOG流量，m3/h；K——大于0的常數(shù)。

通過對式(3)分析可知，當-200℃≤T≤200℃時，隨著T的增大冷凝相同qVBOG所需qVLNG也會增大，反之則減小。

圖3　BOG再冷凝控制系統(tǒng)示意

而控制系統(tǒng)B則是將再冷凝器底部壓力pT2作為比例運算器FX1的1個計算參數(shù)，計算公式為

(4)

式中：R——大于0的常數(shù)。

由式(4)可知，當pT2增大時，冷凝相同qV BOG所需的qVLNG會減小，反之則增大。

同時，根據(jù)圖3看出，控制系統(tǒng)A/B主要由比例控制，再冷凝器底部、頂部壓力控制，再冷凝器的液位、旁路低流量及高壓泵吸入口飽和蒸汽壓差控制構成[8-10]。

2.1.1比例控制

控制系統(tǒng)A采用將TT1作為比例控制計算模塊FX1的計算參數(shù)。比例控制通過對qVBOG、TT1的采集，在計算模塊FX1中計算出qVLNG，通過FIC1控制器調(diào)節(jié)FCV1的開度來達到比例控制(調(diào)節(jié)LNG流量)的目的。比例控制方式雖然可以較精確地實現(xiàn)對不同溫度qVBOG所需qVLNG的控制，但也存在以下不足：

1) 當再冷凝器底部壓力通過PIC2控制器調(diào)節(jié)PCV2A， PCV2B開度時，如果出現(xiàn)某個小的擾動，使得pT3有所上升(再冷凝器液位下降)時，流入再冷凝器的qVBOG會下降，這時qVLNG也會減小，使得pT3繼續(xù)上升，從而LT繼續(xù)下降；反之則升高。這也是該接收站在實際運行中，當FIC為串級自動控制時，LT有時不斷下降，有時不斷上升的原因。

2) 當高壓泵啟動時，pT2快速下降，使得LT也快速下降，雖然PIC2可以通過加大PCV2A， PCV2B閥的開度使pT2升高，但是由于PCV2A， PCV2B閥控制上的延遲無法使pT2快速升高，而使得LT的回升得不到有效的控制；反之，在高壓泵停止時，LT上升也得不到有效地控制。

3) 當BOG壓縮機降低負荷時，qVBOG快速減少，從而導致pT3也快速減小，使得LT較快地上升。雖然FIC1控制器會減小FCV1的開度來減小qVLNG，以便增加pT3使LT下降，但是從該接收站實際運行結(jié)果看，只通過控制FCV1閥并不能較好地使LT下降；反之，當BOG壓縮機增加負荷時，只通過控制FCV1也不能較好地使LT上升。

而控制系統(tǒng)B則將pT2作為比例控制計算模塊FX1的計算參數(shù)。由式(4)可以看出，當pT2降低(LT下降)時，qVLNG也會增加，pT3便會下降，從而使得再冷凝器底部與頂部的壓力差增加，同時底部壓力通過PCV2A和PCV2B控制也會增加，使得壓差更大，從而使LT得到快速回升。反之，當pT2升高(LT上升)時，使再冷凝器液位得到快速下降。但控制系統(tǒng)B同樣存在控制系統(tǒng)A比例控制中因再冷凝器頂部壓力波動和壓縮機負荷升降造成的液位控制不穩(wěn)定問題。

2.1.2再冷凝器底部及頂部壓力控制

由圖3可以看出，控制系統(tǒng)A/B所采用的底部、頂部壓力控制方式是相同的。底部采用PIC2分程控制，通過PCV2A和PCV2B保持pT2穩(wěn)定，從而保證高壓泵入口壓力及LT的穩(wěn)定。pT3則通過PIC3控制器實現(xiàn)，當pT3超過高壓設定值時，PIC3將PCV3閥開啟，來降低pT3。

2.1.3再冷凝器液位、旁路低流量及高壓泵吸入口飽和蒸汽壓差控制

由圖3可以看出，LT主要通過高液位控制器LICA和低液位控制器LICB進行控制，當LT高于高液位設定點，開啟LCV閥通過外輸NG補氣來降低再冷凝器的液位。但是從該接收站實際運行來看，當LT升高至高液位設定值時，只通過開啟LCV閥是無法將LT降低的；當LT低于低液位設定值時，通過低選器FX2來降低BOG壓縮機的負荷，從而使pT3降低，LT回升。

當外輸較小時，對再冷凝器旁路流量控制是非常必要的，如果流量太小則會導致TT2過高，同時ΔpDIC減小使得高壓泵運行不穩(wěn)定。所以由圖3可知，當再冷凝器旁路流量低于小流量設定值時，通過低選器FX2降低壓縮機負荷，從而使得進入qVBOG減小，qVLNG也減小，再冷凝器旁路LNG流量相應增加。

ΔpDIC的穩(wěn)定是高壓泵正常運行的前提。當ΔpDIC低于設定值時，低選器FX2降低BOG壓縮機負荷，使得qVBOG減小，qVLNG也減小，再冷凝器出口熱態(tài)LNG流量減小，旁路冷態(tài)LNG流量增多，從而TT2降低，ΔpDIC升高。

2.2控制系統(tǒng)C

再冷凝器控制系統(tǒng)C如圖4所示，其再冷凝器容積為133.437m3(上部分直徑為3.2m，高度為6.6m，下部分直徑為4.0m，高度為6.4m)。此控制系統(tǒng)主要由再冷凝器頂部壓力控制、再冷凝器液位控制和高壓泵入口溫度控制構成。

圖4　BOG再冷凝控制系統(tǒng)C示意

2.2.1再冷凝器頂部壓力控制

由圖4可知，PT3檢測出再冷凝器頂部壓力，然后通過控制器PIC進行控制。正常情況下，通過控制器PIC1控制閥門PCV1的開度來調(diào)節(jié)qVLNG，從而達到控制pT3的目的；當pT3超過高壓設定點時，PIC3控制器通過開啟閥門PCV3將BOG氣體排放至BOG管線來降低其壓力；當pT3低于低壓設定點時，PIC4控制器開啟PCV4閥，通過外輸NG補氣來升高pT3。因為不管是進入再冷凝器BOG壓力、溫度波動引起的ML/B變化，還是qVBOG變化都會在pT3得到反映，所以該控制方式能夠很好地解決控制系統(tǒng)A/B所存在的pT3波動所造成的液位控制不穩(wěn)定的問題。而壓縮機負荷升降時，PIC1會通過調(diào)節(jié)PCV1的開度來控制pT3，同時針對壓力引起的液位波動也會通過LIC2分程控制LCV2A和LCV2B來穩(wěn)定液位。這樣通過PIC1和LIC2的協(xié)同控制就能較好地穩(wěn)定LT。

2.2.2再冷凝器液位控制

由圖4可知，LT主要采用LIC2對再冷凝器旁路LCV2A和LCV2B進行分程控制。當LT降低時，LIC2開大LCV2A和LCV2B閥門開度，來提高pT2，從而升高LT；當LT上升時，LIC2減小LCV2A和LCV2B閥門開度，來降低pT2，從而降低LT。當LT低于低液位設定值時，通過低選器FX2降低壓縮機的負荷從而增加LT。

根據(jù)某LNG接收站控制系統(tǒng)C實際運行來看，當高壓泵啟、停時，雖然pT2會快速下降，但由于其再冷凝器容積較大，并沒有導致LT的快速降、升，所以單獨使用LIC2對LCV2A和LCV2B閥門的分程控制便能保持LT穩(wěn)定。但對于再冷凝器容積較小的LNG接收站而言，高壓泵啟、停時，單獨使用LIC2對LCV2A和LCV2B閥門的分程控制并不能實現(xiàn)對LT的控制。

2.2.3高壓泵入口溫度控制

由圖4可知，當TT2高于高溫設定值時，通過低選器FX2降低BOG壓縮機的負荷來降低TT2。這種選擇溫度作為控制點來降低壓縮機的負荷并不是很理想，因為此處對高壓泵運行產(chǎn)生影響的直接因素為ΔpDIC，而ΔpDIC則是由pT2和TT2決定的，單獨采用溫度來控制顯得不足，當pT2較高時，即使TT2超過其設定值，ΔpDIC也可能足夠高，對高壓泵的正常運行并不會產(chǎn)生影響，在這種情況下降低BOG壓縮機的負荷并不是太合理。

2.3通用控制系統(tǒng)

綜合上述分析，提出一種BOG再冷凝工藝的通用控制系統(tǒng)，如圖5所示。該控制系統(tǒng)立足于控制系統(tǒng)C，并作適當改進： 1) 再冷凝器頂部壓力控制轉(zhuǎn)為差壓控制與壓力控制并用；2) 高壓泵入口LNG由溫度控制改為飽和蒸汽壓差控制；3) 再冷凝器旁路增加低流量控制。

圖5　通用控制系統(tǒng)示意

2.3.1正常控制

正常情況下，pT3由PICN控制器直接控制PCV1閥的開度，來調(diào)節(jié)進入再冷凝器LNG流量，達到穩(wěn)定pT3的目的，同時頂部高壓控制和低壓控制與控制系統(tǒng)C一致；LT由LIC2控制器分程控制(與控制系統(tǒng)C一致)；再冷凝器低液位、旁路低流量和高壓泵入口飽和蒸汽壓差的控制與控制系統(tǒng)A/B一致。

2.3.2運用差壓控制穩(wěn)定高壓泵啟停時再冷凝器液位

差壓控制主要是針對再冷凝器容積較小，高壓泵啟、停時pT2快速變化導致LT不穩(wěn)定而增加的控制系統(tǒng)。液位控制過程以高壓泵啟動為例。

1) 降低頂部壓力，增大差壓穩(wěn)定液位。高壓泵啟動，pT2快速下降，PDX2(差壓模塊)計算出差壓小于低設定值并將信息傳送至PT2X，同時PT2IC也將“pT2低”信號傳送至PT2X；PT2X將“pT2下降而導致的差壓小”信號傳送至PDICL(差壓小控制器)，PDICL將此信號傳送給PDICX(差壓大、小選擇器)；PXO通過PDICX的“差壓小”信號超馳PXS的壓力控制，增大PCV1閥門開度，使qVLNG增加，從而減小pT3，以達到增大差壓、防止液位下降的目的。

2) 升高底部壓力，增大差壓穩(wěn)定液位。高壓泵啟動時，除了差壓控制穩(wěn)定液位外；同時，由于pT2快速下降，導致LT也下降，液位控制器LIC2會自動增加LCV2A或LCV2閥門開度，升高pT2，增大ΔpDIC，防止LT持續(xù)下降。

3) 延時控制減緩頂部壓力恢復，穩(wěn)定液位。隨著pT2升高，pT3減小，當ΔpDIC增大到低設定值時，PXO取消“差壓小”超馳，將PCV1的控制轉(zhuǎn)為壓力控制。由于pT3低于正常壓力設定值，壓力控制會減小PCV1閥的開度，增加pT3；同時，LIC2還會繼續(xù)增加LCV2A或LCV2的開度來增大pT2，從而升高LT。但為了防止pT3增加過快，導致LT再次下降，取消“差壓小”超馳時，PXS壓力控制首先采用PICD延時控制，減緩pT3的升高，使LT繼續(xù)升高；當LT上升至正常值，PXS從PICD延時控制切換為PICN正常控制，從而保證LT穩(wěn)定。反之，高壓泵停止時，亦然。

3結(jié)束語

該接收站采用通用控制系統(tǒng)很好地解決了由于再冷凝器頂部壓力波動、BOG壓縮機升降負荷及高壓泵啟停時再冷凝器液位控制難等問題，使再冷凝器的運行也更加平穩(wěn)。但由于不同LNG接收站再冷凝器結(jié)構參數(shù)和冷凝性能存在差異，所以運用通用控制系統(tǒng)前，應首先通過實際運行確定再冷凝器壓差與液位的修正系數(shù)，然后反復試驗確定PID控制參數(shù)。

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Analysis of Process Parameters and Control Systems on Re-condenser at LNG Terminal

Li Xin1， Chen Shuai2

(1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Company Limited, Karamay, 834000, China;2. PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas Company Limited, Dalian, 116600, China)

Abstract:The superior or inferior performance of control system of re-condenser not only affects the stability of process operation at LNG terminal, but also determines the difficulty of process operations. The main process parameters including mass ratio of required LNG to BOG as BOG condensing, liquid level of re-condenser and saturated steam pressure difference of high pressure pump suction inlet and so on. The control programs for several classic re-condenser at domestic LNG terminal are compared. One common control system is determined by combining the advantages of each control program and proper modification of these control programs. The system can stabilize the re-condenser liquid level during high pressure pump start-up and shut-down through differential pressure control. It can timing control and retard top pressure recovery and ensure stable operation of re-condenser very well.

Key words:re-condenser; LNG terminal; process parameters; control systems; BOG

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)科技興新專項(項目編號： 22014019B11)。

作者簡介：李鑫(1983—)，女，新疆克拉瑪依人，現(xiàn)就職于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要從事生產(chǎn)管理、油田開發(fā)工藝、數(shù)字油田及工業(yè)控制系統(tǒng)等相關領域工程技術研究，任助理工程師。

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)02-0037-06

稿件收到日期： 2015-11-04，修改稿收到日期： 2015-12-01。