帶低溫泵LNG卸車橇的設(shè)計及研究

胡旭杰 姚貴昌 馬 瑞 張 琦

連云港杰瑞自動化有限公司, 江蘇 連云港 222006

0 前言

天然氣是一種潔凈、高效、優(yōu)質(zhì)的燃料,也是重要的化工原料,具有明顯的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和液化天然氣(LNG)應(yīng)用的快速推廣,要求LNG儲備站具有更高氣化水平和供應(yīng)保障能力,因此LNG儲備站需要同時具有淡季LNG裝車外售的功能和旺季外購LNG卸車的功能[1-3]。

“氣化陜西,鐵腕治霾”是陜西政府提出的發(fā)展新政策。新政一出,陜西省天然氣的應(yīng)用得到了快速推廣,使得楊凌液化天然氣(LNG)應(yīng)急儲備調(diào)峰站在冬季原本充足的天然氣氣源嚴重短缺,不能滿足供氣需求,需要從其他液化廠進行采購。原有的技術(shù)方案不能滿足需要,使得設(shè)計開發(fā)LNG卸車橇成為必然趨勢,也將為“氣化陜西,鐵腕治霾”提供技術(shù)保障。

LNG卸車橇是完成LNG槽車對LNG儲罐卸車的一體化設(shè)備,其卸車功能可滿足LNG儲備調(diào)峰站的快速接卸LNG需求。目前,大部分LNG儲備調(diào)峰站采用自增壓卸車,基本思路是利用卸車增壓氣化器裝置實現(xiàn)LNG槽車自流式增壓[4-6]。但自增壓卸車速度較慢,時間一般為3～4 h,不足以滿足日益增長的LNG儲備調(diào)峰站卸車和氣化需求,因此需要開發(fā)出適應(yīng)大流量LNG卸車的設(shè)備。本文基于LNG橇裝工程應(yīng)用,在橇裝模塊內(nèi)采用了低溫離心泵和增壓氣化器等主要設(shè)備對LNG卸車橇裝置進行了開發(fā)設(shè)計及卸車技術(shù)研究。通過PLC控制系統(tǒng)的控制技術(shù)和檢測技術(shù),實現(xiàn)了低溫離心泵的精確控制和自動降速等功能,一定程度上提高了LNG卸車的安全性,增強操作人員的安全意識,確保LNG卸車過程的安全,為滿足內(nèi)地液化儲備站氣化能力、提高儲備站的卸車效率提供了保障。該設(shè)備設(shè)計簡單實用,滿足防爆安全性能的相關(guān)要求。

1 技術(shù)特點

LNG主要由天然氣經(jīng)過預(yù)處理,脫除重烴、硫化物、二氧化碳、水等雜質(zhì)后,深冷至-162 ℃,液化而成[7-8]。LNG在平時裝卸車過程中存在低溫凍傷、高壓、易燃、易爆等潛在危險性[9-12]。低溫LNG卸車橇的開發(fā)能夠做到氮氣置換、壓力測漏、封閉式卸車、安全閥、安全聯(lián)鎖等安全防護,減少了卸車過程中危險的出現(xiàn),操作員得到安全防護,管道壓力得到安全泄放[13-18]。帶低溫離心泵的LNG卸車橇的設(shè)計要求電氣設(shè)備耐爆性能、隔爆性能等符合國家相關(guān)防爆標準[19-22]。

帶低溫離心泵的LNG卸車橇在卸車過程中能夠?qū)崿F(xiàn)低溫離心泵精確控制、自動降速等功能,使得低溫離心泵在啟動過程中平穩(wěn)、安全、可靠地運行,其設(shè)備得到運行保護,大大延長設(shè)備的使用壽命;同時也能夠依據(jù)液體溫度升高的變化來控制低溫離心泵自動實現(xiàn)降速運行。自動控制技術(shù)還實現(xiàn)了壓力和溫度超限的安全聯(lián)鎖報警控制,讓帶低溫離心泵的LNG卸車橇更加符合實際需要和行業(yè)規(guī)定,使得LNG卸車橇更加安全、可靠。

2 結(jié)構(gòu)組成及功能描述

2.1 結(jié)構(gòu)組成

LNG卸車橇裝置組成及結(jié)構(gòu)見圖1。

帶低溫離心泵和增壓氣化器的LNG卸車橇裝置,在LNG卸車橇上裝有低溫離心泵、增壓氣化器、低溫裝卸臂、PLC控制器、靜電控制器等。LNG卸車橇主要由液相卸車管線、氣相管線、增壓氣相管線、安全放散管線、氮氣吹掃保護管線等組成。液相卸車管線上包括有液相裝卸臂、壓力變送器、溫度變送器、液相緊急切斷閥、安全閥組、過濾器、低溫離心泵、止回閥等;氣相管線上包括有氣相緊急切斷閥、壓力變送器、安全閥組、氣相裝卸臂等;增壓氣相管線上包括有手動球閥、止回閥、安全閥組、自力式調(diào)壓閥、增壓氣化器、溫度變送器等。

圖1 LNG卸車橇裝置組成及結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工藝流程設(shè)計

卸車流程見圖2。

圖2 卸車流程圖

LNG槽車卸車首先要通過增壓氣相管線上的增壓氣化器進行槽車增壓,當槽車壓力達到預(yù)定值,然后進行低溫離心泵的預(yù)冷,當?shù)蜏仉x心泵預(yù)冷完成后泵前溫度和泵前壓力滿足啟泵條件時,按啟泵鍵,低溫離心泵啟動;低溫離心泵啟動后根據(jù)泵前壓力的數(shù)值進行精確控制,實時調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速,逐步讓低溫離心泵穩(wěn)定運行;當泵前溫度發(fā)生變化并低于液體溫度時,低溫離心泵的轉(zhuǎn)速也隨之逐級降速,直到低于設(shè)定值后低溫離心泵將停止運行,即卸車完成。

2.3 控制設(shè)計

LNG卸車橇能夠?qū)崿F(xiàn)LNG的卸車,該設(shè)備需同時具有低溫離心泵卸車和自增壓的功能,以滿足快速卸車的要求,并且能夠根據(jù)泵前壓力和溫度進行調(diào)速和自動減速等功能。

LNG槽車卸車首先要通過增壓氣相線上的增壓氣化器進行槽車增壓,當槽車壓力達到預(yù)定值后,進行低溫離心泵的預(yù)冷,當?shù)蜏仉x心泵預(yù)冷完成且泵前溫度和泵前壓力滿足啟泵條件時,按啟泵鍵,低溫離心泵啟動;低溫離心泵啟動后根據(jù)泵前壓力的數(shù)值進行精確控制,實時調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速,讓低溫離心泵穩(wěn)定運行;當卸車接近完成且泵前溫度發(fā)生變化并低于液體溫度時,低溫離心泵的轉(zhuǎn)速也隨之自動降低,直到低于最低設(shè)定值后,低溫離心泵將自動停止運行。

該裝置結(jié)構(gòu)簡單實用,滿足防爆安全性能的相關(guān)要求,大大縮短了卸車時間,提高了儲備站的卸車效率,滿足了內(nèi)地液化儲備站氣化能力,確保罐裝現(xiàn)場的安全運行,防止天然氣短缺。

2.4 安全設(shè)計

LNG卸車橇的設(shè)計過程中,采取了一系列安全保護措施,如管道安全閥放空閥組、卸車臂吹掃、卸車臂測漏、管道排凈、泄放管道、燃氣探測器、防爆撓性連接管等防爆、隔爆設(shè)計方法。

系統(tǒng)控制采用批量控制器控制設(shè)備元件的執(zhí)行和參數(shù)檢測及安全。每臺橇裝為一個控制單元,硬件上能完成對流量、壓力、溫度、靜電信號、閥門狀態(tài)及燃氣探測元件信號的采集,實現(xiàn)閥門的控制和安全聯(lián)鎖報警功能。

2.5 人機工程設(shè)計

在人機工程方面,信息交互性是LNG卸車橇使用過程中安全操作管件環(huán)節(jié),卸車過程復雜,控制邏輯和條件繁多,批量控制器解決了此問題,每步操作均在批量控制器提示屏上顯示,每步操作均在允許邏輯控制條件下完成并設(shè)有確認鍵,卸車過程既安全又可靠。該設(shè)計規(guī)范了操作,預(yù)防了不安全情況的發(fā)生。

3 低溫離心泵精確控制的實現(xiàn)

3.1 壓力隨低溫離心泵頻率的變化規(guī)律

LNG卸車橇與LNG裝車橇原理不同,LNG卸車橇攜帶了低溫離心泵,通過低溫離心泵能夠?qū)崿F(xiàn)快速卸車,滿足快速卸車的要求。

在卸車的過程中,壓力隨低溫離心泵頻率的變化具有一定變化規(guī)律,當?shù)蜏仉x心泵頻率逐步提高時,壓力呈下降趨勢;當?shù)蜏仉x心泵頻率逐步下降時,壓力呈回升趨勢。壓力的變化規(guī)律能夠反映低溫離心泵頻率上的變化,兩者有一定的相關(guān)性,低溫離心泵頻率的提高將會帶來壓力的下降,但是為了保證泵的正常運行,應(yīng)保持壓力在一定范圍內(nèi),否則泵前液體供應(yīng)不足,泵前管線出現(xiàn)抽空負壓區(qū),將使泵不能在正常載荷下運行。

通過對壓力和頻率的觀察可知,在提高低溫離心泵的頻率時,應(yīng)保持低溫離心泵前壓力處理在合理取值范圍內(nèi),否則將影響低溫離心泵的運行。因此,維持低溫離心泵前壓力在一定范圍內(nèi),逐步提升低溫離心泵頻率,能夠使低溫離心泵穩(wěn)定運行,達到額定載荷下運行。泵前壓力隨時間變化的曲線見圖3。低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線見圖4。

圖3 泵前壓力隨時間變化的曲線

圖4 低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線

3.2 實現(xiàn)控制的方法

LNG卸車橇的控制系統(tǒng)主要由PLC型批量控制器、壓力變送器、溫度變送器及可操作的顯示屏等組成,PLC型批量控制器是系統(tǒng)的控制中心,壓力變送器和溫度變送器是檢測設(shè)備。低溫離心泵精確控制方法通過泵前壓力的檢測,將檢測數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器,再通過程序的邏輯判斷,結(jié)合操作屏的輸入操作,讓低溫離心泵的變頻器執(zhí)行提升頻率的指令,實現(xiàn)低溫離心泵精確控制。

在卸車過程中,先將低溫離心泵進行預(yù)冷至設(shè)定溫度,且確保泵前壓力在設(shè)定值以上,操作人員可以操作啟動按鈕,進行低溫離心泵的啟動,操作員可以根據(jù)泵前壓力的大小,合理提升低溫離心泵的頻率,直至泵前壓力低于設(shè)定值,控制系統(tǒng)自動通過邏輯判斷,操作員將無法提升低溫離心泵的頻率,限制了操作鍵的功能;LNG槽車通過氣化器給槽車進行氣相補壓,使得槽車壓力逐步回升,槽車壓力與泵前壓力具有同向性,隨著槽車壓力的回升,泵前壓力也隨之回升,為低溫離心泵的頻率創(chuàng)造了提升條件和提升空間,隨之操作鍵的功能也恢復,操作員可以繼續(xù)提升低溫離心泵的頻率,直至低溫離心泵穩(wěn)定運行。

通過此方法,能夠?qū)崿F(xiàn)低溫離心泵的提速直至達到穩(wěn)定運行。在實踐應(yīng)用中得到了驗證并順利進行了穩(wěn)定卸車,大大提高了卸車效率,保證了低溫離心泵的穩(wěn)定運行,避免了因低溫離心泵提速過快而出現(xiàn)泵前液體供應(yīng)不足等現(xiàn)象,有效延長了低溫離心泵的使用壽命。

4 自動降速功能的實現(xiàn)

4.1 頻率隨溫度變化的規(guī)律

LNG卸車橇的自動卸車功能是通過泵前溫度變送器來實現(xiàn)自動停止卸車功能。

LNG卸車橇在卸車的過程中,低溫離心泵的頻率隨泵前溫度的變化進行相應(yīng)的調(diào)節(jié),當溫度出現(xiàn)回升并低于預(yù)定設(shè)定值時,低溫離心泵的頻率隨之進行下調(diào)。溫度的變化規(guī)律能夠反映泵前管線內(nèi)液體的變化情況,泵前管線內(nèi)氣液混合比例決定了溫度的高低,氣液混合比例的提高將會帶來溫度的升高,為保證泵的正常運行,減小對低溫離心泵的損害,應(yīng)保持氣液混合比例在一定范圍內(nèi)。由于氣液混合的比例無法測得,在該工程應(yīng)用中通過測得泵前溫度來作相應(yīng)的控制和邏輯判斷。

通過對溫度和頻率的觀察可知,在泵前溫度下降時,應(yīng)保持低溫離心泵的頻率處理合理取值,否則長此以往會造成低溫離心泵的損壞。因此,在泵前溫度下降時,應(yīng)逐步降低低溫離心泵的頻率,來適應(yīng)氣液混合的工況,這樣能夠使低溫離心泵的運行處于安全可靠狀態(tài),并保障低溫離心泵在合理使用壽命期內(nèi),減少經(jīng)濟損失。泵前溫度隨時間變化的曲線見圖5。低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線見圖6。

圖5 泵前溫度隨時間變化的曲線

圖6 低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線

4.2 實現(xiàn)控制的方法

自動卸車控制方法通過泵前溫度的檢測,將檢測數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器,再通過程序的邏輯判斷,讓低溫離心泵的變頻器執(zhí)行減低頻率的指令,來實現(xiàn)自動停止卸車的控制。

在卸車過程中,操作員無法緊盯屏幕,在氣液混合比例增大或溫度下降時,不能及時控制卸車頻率。為了解決此問題,運用PLC控制器和溫度變送器等技術(shù)來完成實時監(jiān)控,代替人工監(jiān)控,實現(xiàn)安全可靠的控制。隨著卸車任務(wù)臨近結(jié)束,氣液混合比例也逐步增大,泵前溫度呈下降趨勢,當泵前溫度低于設(shè)定溫度后,低溫離心泵的頻率將按照預(yù)定計劃降低,在該工程應(yīng)用中,低溫離心泵的頻率下調(diào)分四個階段進行,直至泵前溫度低于最低設(shè)定值時,控制系統(tǒng)自動通過邏輯判斷,停止低溫離心泵的運行。

通過此方法,能夠?qū)崿F(xiàn)低溫離心泵的自動停止卸車功能。在實踐應(yīng)用中得到驗證并順利進行了自動停止卸車,大大提高了卸車的安全可靠性,保證了低溫離心泵安全可靠的運行,避免了因氣液混合比例過大而出現(xiàn)低溫離心泵損壞的現(xiàn)象,有效延長了低溫離心泵的使用壽命,減少了經(jīng)濟損失。

5 結(jié)論及建議

在結(jié)合工程經(jīng)驗的前提下,對帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置進行了設(shè)計和應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明,當泵前和泵后溫度達到-148 ℃以上時,低溫離心泵可以啟動,通過低溫離心泵頻率調(diào)節(jié),泵前壓力控制在0.1 MPa以上,低溫離心泵可平穩(wěn)運行,隨著槽車壓力的不斷提升,低溫離心泵頻率可以逐步提高,達到設(shè)計需要的流速;當泵前溫度分別升高至-150、-148、-145 ℃三個階段數(shù)值以上,低溫離心泵分別逐步降速,直至停止運行。卸車時間縮短至1.5 h以內(nèi),大大提高了卸車效率。帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置的設(shè)計實現(xiàn)了低溫離心泵的精確控制和LNG槽車的自動卸車功能,提高了儲備站的卸車效率以及內(nèi)地液化儲備站的卸車能力和氣化能力。該裝置在LNG儲備站得到了安全應(yīng)用,也充分證明了該橇裝設(shè)備的安全性和實用性。該裝置滿足防爆安全性能的相關(guān)要求,有助于推動操作流程的安全設(shè)計,降低因卸車能力不足導致無法滿足供應(yīng)的風險,確保罐裝現(xiàn)場的安全運行,防止天然氣短缺。

帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置在卸車過程中存在一些不足,LNG槽車卸車完成后還有少量的余液留在槽車里。由于對低溫離心泵的保護,當泵前出現(xiàn)較大氣液混合的比例時,為避免該工況造成的損害,低溫離心泵將會提前停止運行,因此卸車結(jié)束時,不能將槽車卸完。此問題有待后續(xù)完善和解決。

[1] 于嘉懿.LNG卸車操作流程的介紹與優(yōu)化[J].上海煤氣,2014,(6):6-9.

Yu Jiayi. Introduction and Optimization of LNG Unloading Operation Procedures [J]. Shanghai Gas, 2014, (6): 6-9.

[2] 江流財.LNG卸車問題及解決方法探究[J].化工管理,2016,(4):77-78.

Jiang Liucai. Discussion on the Problem and Solution of LNG Unloading [J]. Chemical Enterprise Management, 2016, (4): 77-78.

[3] 曲順利,賈保印,趙彩云.LNG接收站的安全分析與措施[J].煤氣與熱力,2011,31(10):B4-B7.

Qu Shunli, Jia Baoyin, Zhao Caiyun. Safety Analysis and Measures for LNG Receiving Station [J]. Gas & Heat, 2011, 31 (10): B4-B7.

[4] 胡奧林,王小明.天然氣供應(yīng)安全及其應(yīng)對策略[J].天然氣工業(yè),2008,28(10):125-129.

Hu Aolin, Wang Xiaoming. Safety of Natural Gas Supply and Countermeasures [J]. Natural Gas Industry, 2008, 28 (10): 125-129.

[5] 李紀云.石油庫危險因素分析及安全對策措施探討[J].科技創(chuàng)新導報,2008,(4):49.

Li Jiyun. Analysis on Risk Factors of Oil Depot and Discussion on Its Safety Measures [J]. Science and Technology Innovation Herald, 2008, (4): 49.

[6] 宋 坤,衣 鵬,胡賢文.LNG槽車裝車橇應(yīng)用和國產(chǎn)化進程[J].天然氣與石油,2013,31(3):5-6.

Song Kun, Yi Peng, Hu Xianwen. Application of Skid-mounted LNG Tanker Loading Facility and Its Localization Progress [J]. Natural Gas and Oil, 2013, 31 (3): 5-6.

[7] 賀 耿,王新良,張德均,等.LNG槽車裝車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].天然氣與石油,2013,31(3):66-70.

He Geng, Wang Xinliang, Zhang Dejun, et al. Design of Control System in LNG Tanker Loading Facility [J]. Natural Gas and Oil, 2013, 31 (3): 66-70.

[8] 熊光德,毛云龍.LNG的儲存和運輸[J].天然氣與石油,2005,23(2):17-20.

Xiong Guangde, Mao Yunlong. LNG Storage and Transportation [J]. Natural Gas and Oil, 2005, 23 (2): 17-20.

[9] 李 娜,馬向陽,鐘志良,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的天然氣工業(yè)安全監(jiān)測[J].天然氣與石油,2013,31(2):79-83.

Li Na, Ma Xiangyang, Zhong Zhiliang, et al. Natural Gas Industry Safety Monitoring Based on Wireless Sensor Network [J]. Natural Gas and Oil, 2013, 31 (2): 79-83.

[10] 牛軍鋒.LNG槽車灌裝站控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2013,40(4):549-551.

Niu Junfeng. Control System of LNG Tanker Filling Station [J]. Control and Instruments in Chemical Industry, 2013, 40 (4): 549-551.

[11] 趙 紅.PLC控制系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2011,30(6):61-62.

Zhao Hong. Application of PLC Control System in Oilfield Production [J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2011, 30 (6): 61-62.

[12] 翟麗娜,檀革勤,張 杰,等.自動化采集與控制系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用[J].中國石油與化工,2010,(6):60-62.

Zhai Lina, Tan Geqin, Zhang Jie, et al. Application of Automate Collection and Control System in Oilfield Production [J]. China Petroleum and Chemical Industry, 2010, (6): 60-62.

[13] 關(guān)詠梅,張 杰.控制系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2001,20(2):48-49.

Guan Yongmei, Zhang Jie. Application of Control System in Oilfield [J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2001, 20 (2): 48-49.

[14] 張朝暉,劉敬標.集散控制系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,1998,17(4):50-52.

Zhang Chaohui, Liu Jingbiao. Application of Distributed Control System in Oilfield Production [J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 1998, 17 (4): 50-52.

[15] 楊建坡.LNG槽車裝車操作方式及其優(yōu)化措施[J].油氣儲運,2012,31(增刊1):41-43.

Yang Jianpo. LNG Truck Loading Operation and Optimization Measures [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2012, 31 (Suppl 1): 41-43.

[16] 賀 耿,王 正,包光磊.LNG槽車裝車系統(tǒng)的技術(shù)特點[J].天然氣與石油,2012,30(4):11-14.

He Geng, Wang Zheng, Bao Guanglei. Technical Characteristic of LNG Truck Loading System [J]. Natural Gas and Oil, 2012, 30 (4): 11-14.

[17] 李 鑫,陳 帥.LNG接收站氣化外輸單位能耗計算[J].石油與天然氣化工,2016,45(2):109-116.

Li Xin, Chen Shuai. A Calculation on the Unit Energy of the Vaporization-transportation at LNG Terminal [J]. Chemical Engineering of Oil and Gas, 2016, 45 (2): 109-116.

[18] 韓 力,劉鑫鵬,馬金晶,等.半封閉空間LNG泄漏安全性數(shù)值模擬研究[J].石油與天然氣化工,2016,45(3):97-102.

Han Li, Liu Xinpeng, Ma Jinjing, et al. Numerical Simulation and Study of the Safety of a Semi-closed Space Where Liquefied Natural Gas Spilling [J]. Chemical Engineering of Oil and Gas, 2016, 45 (3): 97-102.

[19] 毛建中.LNG氣化站技術(shù)安全分析[J].煤氣與熱力，2009,29(4):B12-B15.

Mao Jianzhong. Technical Safety Analysis of LNG Vaporizing Station [J]. Gas & Heat, 2009, 29 (4): B12-B15.

[20] 王 巖.降低LNG槽車卸液剩余量的操作流程[J].石油工程建設(shè)，2016，42(3):93-94.

Wang Yan. Operational Process to Reduce Remaining Liquid Quantity in LNG Unloading from LNG Transport Tanker [J]. Petroleum Engineering Construction, 2016, 42 (3): 93-94.

[21] 賀煥婷.LNG氣化站安全評價技術(shù)分析與研究[D].成都：西南石油大學，2013.

He Huanting. Analysis and Research on Safety Evaluation Technology of LNG Vaporizing Station [D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2013.

[22] 徐更新，李 華，秦 健.自動定量系統(tǒng)在液體化工品卸車中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2017，44(8):782-786.

Xu Gengxin, Li Hua, Qin Jian. Application of Auto-quantifying System in Unloading Liquid Chemicals [J]. Control and Instruments in Chemical Industry, 2017, 44 (8): 782-786.