超大型液化石油氣船再液化裝置控制設(shè)計(jì)

楊 森，范 璠，張明耀

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

再液化裝置是超大型液化石油氣船（Very Large Gas Carrier, VLGC）全冷式運(yùn)輸?shù)暮诵牟考浠纠砟钍浅槿∫贺浌拗械恼魵猓ㄕ魵饧瓤稍谝贺浳罩車h(huán)境的熱量時(shí)產(chǎn)生，也可能在裝載閃發(fā)氣體和置換氣體時(shí)產(chǎn)生），將其壓縮、冷凝至液態(tài)并輸送至液貨罐中。

若液貨罐不停地吸收熱量，再液化裝置能以相同的速率帶走液貨罐中的熱量（這是抽取蒸氣返回冷凝液體的一種效果），則液貨罐中的溫度和壓力會(huì)保持在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)。若再液化裝置帶走熱量的速率比吸收的快，則液貨罐中液貨的溫度和壓力會(huì)下降，即液貨會(huì)冷卻；反之，若再液化裝置帶走熱量的速率比吸收的慢，則罐中液貨的溫度和壓力會(huì)升高。因此，當(dāng)VLGC運(yùn)輸液貨時(shí)，液貨的壓力和溫度會(huì)通過再液化裝置來維持[1-2]。

目前國內(nèi)再液化裝置生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平參差不齊。對(duì)此，本文結(jié)合國外的石油氣壓縮再液化冷卻系統(tǒng)工藝流程，對(duì)其再液化裝置的控制功能進(jìn)行分析，為后續(xù)再液化裝置的控制設(shè)計(jì)提供參考。

1 再液化裝置的組成和工作模式

VLGC上配備的再液化裝置通常屬于直接循環(huán)式，該裝置可分為單級(jí)壓縮制冷、多級(jí)壓縮制冷和復(fù)疊式制冷等3種[1-3]。VLGC裝載的液貨在正常大氣壓下的飽和溫度最低約為-52℃，故貨物蒸氣的液化可通過多級(jí)壓縮制冷的方式實(shí)現(xiàn)。多級(jí)壓縮制冷的再液化裝置一般由蒸氣抽吸分離器、壓縮機(jī)、冷凝器、冷卻器和集液器等部件組成。有時(shí)為在不增加能耗的前提下提升單臺(tái)再液化裝置的制冷效果，可考慮配置多個(gè)冷卻器和集液器，并利用閥門的通斷，形成不同的管路制冷循環(huán)，從而達(dá)到節(jié)能增效的目的。再液化裝置的基本硬件組成和工作原理見圖1[4]，其中：經(jīng)濟(jì)器和排氣冷卻器均起冷卻器作用；冷凝集液器和排氣分離器均起集液器的作用。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，可對(duì)這些部件和部件間的管路連接進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置壓縮機(jī)的壓縮級(jí)數(shù)、經(jīng)濟(jì)器和排氣冷卻器的工作模式、冷凝集液器和排氣分離器的出口閥控等。這些設(shè)置有不同的組合方式，使得再液化裝置整體上呈現(xiàn)出高效制冷、貨物冷凝強(qiáng)制回罐和貨物冷凝凈化等3種工作模式，每種模式又對(duì)應(yīng)多種工藝流程。再液化裝置在不同模式下典型的工藝流程見圖2～圖4[4]。

圖1 再液化裝置的基本硬件組成和工作原理

圖2 再液化裝置在三級(jí)壓縮高效制冷模式下典型的工藝流程

圖3 再液化裝置在三級(jí)壓縮貨物冷凝強(qiáng)制回罐模式下典型的工藝流程

圖4 再液化裝置在三級(jí)壓縮貨物冷凝凈化模式下典型的工藝流程

在貨物控制站內(nèi)的貨控臺(tái)上設(shè)立人機(jī)交互界面（Human Machine Interface, HMI），實(shí)現(xiàn)對(duì)再液化裝置的監(jiān)控，例如有設(shè)備狀態(tài)及報(bào)警顯示、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和工作模式選擇（見表1）等，其中一些重要的控制必須由授權(quán)人員通過安全訪問系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

表1 工作模式的選擇

2 再液化裝置的工藝流程控制

對(duì)再液化裝置的控制既包括對(duì)各組件及其輔助設(shè)備的控制，又包括對(duì)不同組件間關(guān)聯(lián)的控制，二者有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)完整的工藝流程控制系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的溫度、壓力、液位和流量等并做出合理的響應(yīng)動(dòng)作，使再液化裝置能安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

2.1 蒸氣抽吸分離器

當(dāng)貨罐中的液體維持在飽和沸點(diǎn)溫度時(shí)，再液化壓縮機(jī)組會(huì)抽取貨罐中的蒸氣，此前管路會(huì)經(jīng)過一個(gè)氣液分離器，分離蒸氣中夾帶的液滴，防止液體進(jìn)入壓縮機(jī)組。這些分離出來的液體會(huì)聚集到分離器底部的接液槽內(nèi)，其中配有一個(gè)液位開關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到液位過高時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警并使對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)停止運(yùn)行。因此，需定期排放蒸氣抽吸分離器中的液體，利用就地按鈕站或 HMI操控液壓驅(qū)動(dòng)閥實(shí)施手動(dòng)排放，或在HMI上設(shè)置自動(dòng)模式進(jìn)行排放（如表1所示）。在自動(dòng)排放模式下，液壓驅(qū)動(dòng)閥會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)序圖[5]（見圖5）動(dòng)作，蒸氣抽吸分離器（見圖6）的出口隔離閥V-1關(guān)閉、壓力閥V-2開啟，從壓縮機(jī)或經(jīng)濟(jì)器處引入壓力，經(jīng)短暫延時(shí)之后排放閥V-3開啟，這時(shí)從分離器中排出的液體被壓送到冷凝液回路中，接著V-1開啟，V-2和V-3都關(guān)閉，周而復(fù)始，依次循環(huán)。

圖5 蒸氣抽吸分離器和經(jīng)濟(jì)器的自動(dòng)排放時(shí)序圖

圖6 蒸氣抽吸分離器和經(jīng)濟(jì)器的排放流程

2.2 壓縮機(jī)

再液化壓縮機(jī)組先將抽吸分離器排出的低壓、低溫蒸氣一級(jí)壓縮至中間狀態(tài)，再將其二級(jí)或三級(jí)壓縮至卸放狀態(tài)，使其成為高壓熱氣。

壓縮機(jī)一級(jí)/二級(jí)/三級(jí)出口蒸氣溫度過高會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)自動(dòng)脫扣，為避免這種情況出現(xiàn)，需對(duì)抽吸的蒸氣進(jìn)行閃蒸冷卻，在抽吸分離器蒸氣管路上游適當(dāng)位置處設(shè)置冷凝液噴射點(diǎn)。該噴射點(diǎn)一般由噴嘴、手動(dòng)控制閥和液壓驅(qū)動(dòng)閥組成，其中：噴嘴用來噴淋冷凝液給蒸氣降溫；手動(dòng)控制閥用來調(diào)節(jié)噴射冷凝液的流量；液壓驅(qū)動(dòng)閥用來控制噴射冷凝液管路的通斷。此外，就地配置一個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)閥手動(dòng)操控按鈕站，只有當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行并按下打開按鈕之后，液壓驅(qū)動(dòng)閥才會(huì)開啟，一旦壓縮機(jī)停止運(yùn)作，該液壓驅(qū)動(dòng)閥將自動(dòng)關(guān)閉。

再液化裝置一般采用往復(fù)雙作用式無油潤滑迷宮型壓縮機(jī)，具有三級(jí)壓縮能力，其軸承通過內(nèi)置的軸帶齒輪油泵潤滑，其氣缸頭和十字頭導(dǎo)軌通過淡水/乙二醇混合液封閉式循環(huán)系統(tǒng)加熱或冷卻維持在一定的溫度范圍內(nèi)。

淡水/乙二醇混合液封閉式循環(huán)系統(tǒng)主要由輸送泵、存儲(chǔ)柜、冷卻單元和溫控閥等設(shè)備組成，其中：輸送泵和存儲(chǔ)柜安裝在再液化壓縮機(jī)組電動(dòng)機(jī)室內(nèi)；冷卻單元和溫控閥安裝在再液化壓縮機(jī)組室內(nèi)。淡水/乙二醇輸送泵為離心式，通常配置2套，互為備用，由單速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。淡水/乙二醇存儲(chǔ)柜內(nèi)置浸沒式電加熱器、溫度傳感器和液位開關(guān)，借助貨控臺(tái)內(nèi)的可編程邏輯控制器自動(dòng)控制電加熱器的開關(guān)，使柜內(nèi)液體的溫度保持在要求的范圍內(nèi)，若柜內(nèi)液位過低，電加熱器將自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)輸送泵將停止運(yùn)作。冷卻單元采用板式換熱器，冷媒是海水，用于冷卻循環(huán)管路中的淡水/乙二醇。存儲(chǔ)柜中的淡水/乙二醇被泵運(yùn)出來之后分為2路，一路經(jīng)海水冷卻，另一路未經(jīng)冷卻，通過同一個(gè)溫控閥匯合之后流向壓縮機(jī)；該溫控閥根據(jù)設(shè)定的溫度（由壓縮機(jī)廠家推薦）調(diào)節(jié)從冷卻單元中出來的淡水/乙二醇流量，從而控制進(jìn)入壓縮機(jī)的淡水/乙二醇的溫度；最后，淡水/乙二醇從壓縮機(jī)出來并返回存儲(chǔ)柜，形成循環(huán)。

在啟動(dòng)壓縮機(jī)之前必須先使淡水/乙二醇混合液循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)作起來，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，使其達(dá)到壓縮機(jī)廠家推薦的溫度。若淡水/乙二醇系統(tǒng)壓力低或流量低，壓縮機(jī)將無法啟動(dòng)。在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，若檢測(cè)到其滑油壓差過低，會(huì)觸發(fā)報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)；當(dāng)壓縮機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)或剛啟動(dòng)的30s以內(nèi)，該報(bào)警及脫扣動(dòng)作會(huì)被抑制。此外，為保護(hù)壓縮機(jī)，當(dāng)壓縮機(jī)處的淡水/乙二醇混合液出口流量過低或溫度過高、吸口壓力過高或過低、二級(jí)/三級(jí)出口壓力過高、吸口與一級(jí)出口的壓力差（一級(jí)壓差）過高、一級(jí)出口與二級(jí)出口的壓力差（二級(jí)壓差）過高、二級(jí)出口與三級(jí)出口的壓力差（三級(jí)壓差）過高時(shí)，也會(huì)引發(fā)對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)自動(dòng)脫扣。

為滿足不同工況，單臺(tái)壓縮機(jī)的作業(yè)容量可由其本體上的手動(dòng)閥調(diào)節(jié)，常規(guī)有50%檔和100%檔可供選擇，操控該手動(dòng)閥將觸發(fā)壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)吸口閥卸荷機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)壓縮比需求處于中等水平時(shí)，可考慮先將壓縮機(jī)的二級(jí)氣缸與三級(jí)氣缸并聯(lián)，再將該并聯(lián)機(jī)構(gòu)與一級(jí)氣缸串聯(lián)，從而形成二級(jí)壓縮；當(dāng)壓縮比需求更高時(shí)，可考慮將壓縮機(jī)的一級(jí)氣缸、二級(jí)氣缸和三級(jí)氣缸全部串聯(lián)，形成三級(jí)壓縮。

2.3 冷凝器

蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到一定壓力之后形成的高壓熱氣將進(jìn)入冷凝器冷卻，其熱量被冷凝器另一側(cè)的海水帶走，從而冷凝至液態(tài)。

冷凝器通常采用全焊接板式或板殼式換熱器，以海水為冷媒，由此需為再液化壓縮機(jī)組室內(nèi)的海水供給管安裝一套自清反沖海水濾器，濾除海水中的雜質(zhì)；同時(shí)，需在再液化壓縮機(jī)組電動(dòng)機(jī)室內(nèi)安裝一套原位清洗（CIP）單元，對(duì)換熱器的海水側(cè)進(jìn)行清潔。自清反沖海水濾器使用一段時(shí)間之后會(huì)積聚一定的雜質(zhì)，需利用就地按鈕站或 HMI操控液壓驅(qū)動(dòng)的分流閥V-5和沖洗閥V-6對(duì)其進(jìn)行反向沖洗，按下就地按鈕將實(shí)施1個(gè)周期的沖洗；通過HMI可實(shí)現(xiàn)定期自動(dòng)沖洗（工作模式選擇如表 1所示），此時(shí)分流閥 V-5和沖洗閥V-6會(huì)按預(yù)先設(shè)定的控制邏輯和時(shí)序圖[5]（見圖7）動(dòng)作。該清洗過程對(duì)海水供給無影響。

圖7 冷凝器海水自清反沖濾器的自動(dòng)沖洗時(shí)序圖

2.4 冷卻器

若壓縮機(jī)出口蒸氣溫度較低，使用冷凝器即可滿足冷卻需求，此時(shí)可不用冷卻器，否則需在壓縮機(jī)一級(jí)氣缸與二級(jí)氣缸之間串聯(lián)冷卻器（如圖2中的經(jīng)濟(jì)器）來加大制冷量，直接冷卻壓縮機(jī)級(jí)間的蒸氣溫度，同時(shí)作為冷凝液返回液貨罐前的輔助冷卻。若要繼續(xù)增加制冷量，可再串聯(lián)一個(gè)冷卻器（如圖2中的排氣冷卻器），一方面可對(duì)即將返回液貨罐的冷凝液進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，另一方面可使冷凝集液器中出來的排氣流冷凝，降低再循環(huán)蒸氣的溫度，并使其中一定比例的易揮發(fā)組分冷凝。

冷卻器一般采用低溫碳鋼殼管結(jié)構(gòu)的換熱器，冷媒是注入的貨物冷凝液，有時(shí)為在系統(tǒng)啟動(dòng)階段提升效率，可通過液貨裝注管路預(yù)先注入液體貨物。由于采用的液貨冷卻方式為蒸發(fā)冷卻，一部分冷媒吸收熱量之后會(huì)先變成蒸氣，再進(jìn)入壓縮機(jī)的二級(jí)吸口，為防止這些蒸氣混入液滴，應(yīng)內(nèi)置除霧器，例如聚結(jié)型除霧網(wǎng)墊。

冷卻器中的冷媒液位采用PID閉環(huán)控制方式進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，由貨控臺(tái)內(nèi)的可編程邏輯控制器、冷媒液位傳感器、冷媒實(shí)際液位和冷卻器冷媒進(jìn)口的液位控制膨脹閥形成一個(gè)控制環(huán)路。根據(jù)冷媒液位的狀態(tài)控制冷卻器冷媒進(jìn)口閥的開度（0%～100%）：當(dāng)檢測(cè)的液位高于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，關(guān)小閥門；當(dāng)檢測(cè)的液位低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，開大閥門。若該控制環(huán)路出現(xiàn)故障，冷卻器冷媒進(jìn)口閥應(yīng)全部關(guān)閉。另外，可利用HMI調(diào)整冷卻器的設(shè)定點(diǎn)，或從自動(dòng)操作模式切換至手動(dòng)操作模式，手動(dòng)控制閥門的開度（如表1所示）；獲授權(quán)的操作人員還可通過安全訪問系統(tǒng)修改控制環(huán)路的比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間等參數(shù)。

冷卻器中的冷媒液位過高會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)自動(dòng)脫扣，故需定期手動(dòng)或自動(dòng)將這些冷媒排放到冷凝液回路中，如圖6中的經(jīng)濟(jì)器冷媒排放閥V-4，為防止經(jīng)濟(jì)器排放的冷媒回流到蒸氣抽吸分離器的接液槽內(nèi)，當(dāng)V-2和V-3都打開時(shí)，應(yīng)關(guān)閉V-4，其自動(dòng)排放時(shí)序如圖5所示。

2.5 集液器

集液器罐體通常采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，收集、分離來自冷凝器的冷凝液和不可凝氣，并對(duì)其液位和氣壓實(shí)施PID閉環(huán)控制，引導(dǎo)流向（工作模式選擇如表1所示）。根據(jù)集液器中冷凝液液位和不可凝氣壓力的狀態(tài)控制各自出口閥的開度：當(dāng)檢測(cè)的液位和壓力高于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，開大閥門；當(dāng)檢測(cè)的液位和壓力低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，關(guān)小閥門。這些控制環(huán)路一旦發(fā)生故障，冷凝液出口閥應(yīng)全部打開，不可凝氣出口閥應(yīng)全部關(guān)閉。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間（如超過15s）之后，對(duì)應(yīng)冷凝集液器的液位控制將自動(dòng)進(jìn)入PID閉環(huán)控制模式，僅當(dāng)壓縮機(jī)停止運(yùn)行之后才可對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)操控。另外，為避免誤報(bào)警，冷凝集液器中的液位需高于報(bào)警整定值且經(jīng)過一段延時(shí)（比如超過15s）之后才會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

從液貨罐出來的蒸氣經(jīng)過再液化裝置的整套工藝流程之后形成的冷凝液進(jìn)入再液化裝置的冷凝液出口管，最終返回液貨罐。需注意的是，當(dāng)該處的冷凝液出口壓力過高時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)將自動(dòng)脫扣。

3 VLGC上石油氣貨物的液化循環(huán)

85000m3VLGC采用全冷式運(yùn)輸方式，也稱常壓低溫型運(yùn)輸方式，即在正常大氣壓下利用再液化裝置將液化石油氣保持在沸騰狀態(tài)，存儲(chǔ)在4個(gè)不耐壓的國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）獨(dú)立式A型棱形液貨罐內(nèi)。VLGC上石油氣貨物的液化循環(huán)在液貨罐、再液化裝置及其連接管路之間形成，屬于開式的熱力循環(huán)。當(dāng)液貨罐內(nèi)貨物蒸氣的壓力超過最大允許調(diào)定值（MARVS）時(shí)（船舶?？扛劭跔顟B(tài)下超過4.5×104Pa(G)，船舶航行狀態(tài)下超過3.5×104Pa(G)，會(huì)觸發(fā)安全卸壓閥（SRV）以釋放壓力。

85000m3VLGC上1～4號(hào)液貨罐的表面面積分別為4358.4m2、4762.2m2、4762.2m2和4647.8m2，每個(gè)液貨罐的表面都包覆著120mm厚的聚氨酯泡沫隔熱絕緣層，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/(m·K)，總傳熱系數(shù)為0.22W/(m2·K)。假設(shè)環(huán)境空氣溫度為45℃，液貨罐所在船艙內(nèi)的溫度為40.5℃，2號(hào)液貨罐和4號(hào)液貨罐內(nèi)裝載的是商業(yè)丙烷（液態(tài)下含有8mol%乙烷），該貨品在正常大氣壓下的飽和溫度為-51.7℃，其液化循環(huán)由單臺(tái)再液化裝置維持。由這些條件可知，2號(hào)液貨罐和4號(hào)液貨罐共吸收外部熱量約190872J/s，故單臺(tái)再液化裝置的制冷量需大于190872J/s，若考慮加放20%的裕度，則再液化裝置的制冷量應(yīng)不小于229047J/s。

利用Aspen HYSYS和Aspen plus等軟件可對(duì)上述條件下商業(yè)丙烷（液態(tài)下含有8mol%乙烷）的液化循環(huán)進(jìn)行模擬仿真分析。假設(shè)再液化裝置處于貨物冷凝強(qiáng)制回罐模式，從2號(hào)液貨罐和4號(hào)液貨罐中抽取貨物蒸氣，蒸氣組分為丙烷（摩爾分?jǐn)?shù)約為0.62）和乙烷（摩爾分?jǐn)?shù)約為0.38），在正常大氣壓下蒸氣的溫度為-25℃。經(jīng)過再液化壓縮機(jī)一級(jí)壓縮之后，蒸氣的壓力為3.662×105Pa(A)，溫度為49.97℃，質(zhì)量流量為2532kg/h；經(jīng)過二級(jí)壓縮之后，蒸氣的壓力為9.021×105Pa(A)，溫度為64.35℃，質(zhì)量流量為5632kg/h；經(jīng)過三級(jí)壓縮之后，蒸氣的壓力為2.4MPa(A)，溫度為116.5℃，質(zhì)量流量為5632kg/h，成為高壓熱氣。接著，高壓熱氣進(jìn)入冷凝器，與溫度為36℃、流量為150m3/h的開式循環(huán)海水進(jìn)行熱交換，形成溫度為42℃的冷凝液和排氣流，并從冷凝集液器出來，通過不同路徑流向不同的冷卻器，其質(zhì)量流量分別為4424kg/h和1203kg/h。隨后，一部分冷凝液流向排氣冷卻器和經(jīng)濟(jì)器各自的冷媒罐（質(zhì)量流量分別為2225kg/h和875kg/h），用于補(bǔ)充冷卻器不斷消耗的冷媒；另一部分冷凝液（質(zhì)量流量為1324kg/h）通過經(jīng)濟(jì)器（冷媒溫度為-21.11℃，質(zhì)量流量為473.1kg/h）進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，溫度降至-7.12℃之后返回液貨罐。同時(shí)，排氣流通過排氣冷卻器（冷媒溫度為-21.11℃，質(zhì)量流量為1203kg/h）進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，形成溫度為-7.12℃的冷凝液，經(jīng)由排氣分離器返回液貨罐。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合當(dāng)前VLGC采用的再液化裝置，基于其工作原理和作業(yè)需求，分析了該裝置的內(nèi)部組成、工作模式和工藝流程，從運(yùn)作可靠性和系統(tǒng)安全性等角度闡述了其功能控制的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可供國內(nèi)該領(lǐng)域設(shè)計(jì)相關(guān)裝置時(shí)參考。