液化烴泵—泵溫壓聯(lián)控密閉輸送工藝*

劉紅波 辛真 孫雪瑩 王鈺 高秀寶

中海油石化工程有限公司

煙臺港萬華工業(yè)園碼頭是1 座5×104t 級的液化烴專用碼頭，可?？? 艘5×104t 級的液化烴船，或同時停靠2艘5 000 t級的液化烴船，設(shè)計裝卸量為200×104t/a，設(shè)置有丙烷、丁烷、LPG、丙烯、丁二烯的裝卸設(shè)施。

該液化烴專用泊位主要為萬華工業(yè)園100×104m3地下丙烷/丁烷/LPG 洞庫使用。低溫丙烷/丁烷物料從全冷式液化烴液貨船艙經(jīng)6 km 管道到達(dá)地下洞庫地面經(jīng)換熱器升溫后，注入地下洞庫。該項目洞庫與碼頭距離遠(yuǎn)、高差大，洞庫背壓高（洞庫儲存溫度約18 ℃，丙烷/丁烷在洞庫內(nèi)的飽和蒸氣壓遠(yuǎn)高于全冷凍船液貨艙內(nèi)的飽和蒸氣壓），液化烴船的潛液泵無法直接將丙烷/丁烷物料直接輸送到洞庫。因此，為滿足物料的輸送工況，必須在碼頭進(jìn)行增壓。

1 液化物料管道增壓方案比選

1.1 輸送流程

對液化物料管道增壓通常有兩種流程，即開式輸送流程（旁通罐流程）和密閉輸送流程（泵到泵）流程[1]（圖1）。

圖1 開式輸送流程與密閉輸送流程Fig.1 Open and airtight transportation process flow

1.1.1 開式輸送流程

開式輸送流程即旁通罐流程，丙烷/丁烷物料先由船艙潛液泵輸送到中間罐，再由增壓泵將物料從中間罐抽出，增壓后輸送到工業(yè)園地下洞庫。開式輸送流程安全可靠，水擊危害小，對自動化水平要求不高。但開式輸送流程油氣損耗大，設(shè)備與流程復(fù)雜，占地面積大，并且全線難以在最優(yōu)工況下運行，造成了投資增大、能耗增加。

而且煙臺港萬華工業(yè)園碼頭項目丙烷、丁烷卸船流量均為2 400 m3/h，如采用開式輸送流程設(shè)計，需設(shè)置1 000 m3的低溫丙烷儲罐1座，1 000 m3丁烷球罐1 座，增加占地面積約500 m2，增加投資200萬元。該工藝不適用于狹窄的碼頭上。

1.1.2 密閉輸送流程

密閉輸送流程即泵到泵輸送流程，丙烷/丁烷物料先由船艙潛液泵直接輸送到碼頭增壓泵，經(jīng)增壓泵增壓后輸送到工業(yè)園地下洞庫。密閉輸送流程具有設(shè)備數(shù)量少、占地面積小、油氣損耗小、投資少、耗能小的優(yōu)點。但該流程需要防止泵抽空、水擊危害等，需要有較高的自動控制水平。

液化烴類物質(zhì)都屬于甲類和甲A類火災(zāi)危險性介質(zhì)，具有明顯的火災(zāi)爆炸危險性。液化烴的成分一般包括乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烯、丁烷及其他碳?xì)浠衔?，還包括微量的硫化合物。鑒于液化烴類物質(zhì)的危險性，《輸油管道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定輸送工藝宜采用密閉輸送流程。

結(jié)合實際情況，煙臺港萬華工業(yè)園碼頭項目在碼頭上進(jìn)行增壓，采用密閉輸送工藝，可以節(jié)約投資200萬元，且有效利用碼頭空間[2-3]。

1.2 工藝研究

1.2.1 傳統(tǒng)密閉輸送工藝

傳統(tǒng)密閉輸送工藝主要用于原油、成品油等飽和蒸氣壓比較恒定的物料輸送上。密閉輸送工藝的主要風(fēng)險是水擊危害和下游泵的抽空。在管道輸送中，水擊危害一般通過設(shè)置水擊泄壓閥來解決；而下游泵的抽空風(fēng)險主要通過可靠的控制系統(tǒng)來避免。

在密閉輸送流程中，如果上游泵不穩(wěn)定或故障停輸，會造成下游泵的抽空，即下游泵的入口壓力不能滿足必需氣蝕余量的要求，下游泵會發(fā)生氣蝕損害[4]。因此，在密閉輸送流程中要設(shè)置下游泵入口壓力調(diào)節(jié)，以及下游泵入口壓力超低聯(lián)鎖停機保護等措施。這兩種自控保護措施在長距離輸油管道中已廣泛應(yīng)用[5]。

為解決在泵串聯(lián)時輸送不穩(wěn)定工況下下游泵入口壓力過低問題，常規(guī)物料密閉輸送流程（圖2）設(shè)計中，通常在泵出口設(shè)置1個調(diào)節(jié)閥，該閥與下游泵入口壓力聯(lián)鎖。當(dāng)下游泵入口壓力偏低時，泵入口設(shè)置的壓力變送器輸送壓力信號至DCS（分布式控制系統(tǒng)）系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)指令至泵出口調(diào)節(jié)閥，泵出口調(diào)節(jié)閥關(guān)小，使泵入口壓力恢復(fù)。當(dāng)泵入口壓力恢復(fù)至一定值時，調(diào)節(jié)閥又會適度開大，從而保證了輸送過程的穩(wěn)定性、連續(xù)性。

圖2 常規(guī)物料密閉輸送工藝流程示意圖Fig.2 Airtight transportation process flow diagram of normal materials

當(dāng)上游泵出現(xiàn)故障或其他較大不穩(wěn)定因素時，可能會導(dǎo)致下游泵入口壓力急劇變化，該工況下，下游泵必須緊急停車才能避免泵受到損害。在工藝設(shè)計中，通常設(shè)有下游泵入口壓力過低緊急停車功能。

離心泵運行時，為避免泵的氣蝕，需要保證泵的入口壓力[4]，即

式中：p入為泵的入口壓力；pSV為物料飽和蒸氣壓；NPSHr 為下游泵必需氣蝕余量。

在實際工程中，泵的入口壓力還要考慮一定的安全裕量，泵出口調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖值計算公式為

式中：p1為調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖值；pOV為安全余量。

泵停車聯(lián)鎖值計算公式為

式中：p2為停車聯(lián)鎖值；pex為極限安全余量。

1.2.2 液化烴物料對工藝的影響

液化烴物料的顯著特點就是其物料飽和蒸氣壓受溫度影響極大，如丙烷在-50～60 ℃之間飽和蒸氣壓力值變化達(dá)2 MPa 以上[6]（表1）。同時考慮到火災(zāi)爆炸的危險性，可以采取常壓下降低溫度或常溫下增加壓力兩種方式儲存。儲存溫度在-196～50 ℃之間[7]。

表1 不同溫度下丙烷的飽和蒸氣壓Tab.1 Saturated vapor pressure of propane at different temperatures

因此，液化烴物料密閉輸送調(diào)節(jié)值與控制值很難設(shè)置，密閉輸送流程較難實現(xiàn)。如何實現(xiàn)液化烴物料安全、可靠的密閉輸送是該技術(shù)領(lǐng)域的難題。

1.2.3 溫壓聯(lián)控密閉輸送工藝

為克服液化烴物料密閉輸送工藝中的難點，本文提出一種利用溫度、壓力聯(lián)合控制的輸送工藝，使液化烴物料的輸送更加安全、可靠、節(jié)能。

該工藝的核心設(shè)備為上游泵、下游泵、溫度變送器、壓力變送器、調(diào)節(jié)閥、DCS系統(tǒng)與SIS（安全儀表系統(tǒng)）系統(tǒng)[8]（圖3）。

在下游泵的入口設(shè)置溫度變送器與壓力變送器，對物料溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，并傳遞回DCS 與SIS系統(tǒng)；DCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)實時自動計算輸送溫度下的飽和蒸氣壓，并與下游泵入口壓力做比對。

此時，設(shè)泵出口調(diào)節(jié)閥連鎖值為P1T，計算公式為

式中：pSVT為物料實時溫度下的飽和蒸氣壓。

設(shè)泵停車聯(lián)鎖值為p2T，計算公式為

該工藝的控制過程為：液化烴物料由上游泵加壓后經(jīng)管道進(jìn)入下游泵，再由下游泵加壓輸送到下游管道；當(dāng)上游泵出現(xiàn)輸送不穩(wěn)定工況，導(dǎo)致下游泵入口壓力p入＜p1T時，DCS 系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)小下游泵出口閥開度，從而使下游泵入口壓力回升；當(dāng)上游泵出現(xiàn)故障停輸工況，導(dǎo)致下游泵入口壓力p入＜p2T時，SIS 系統(tǒng)發(fā)出指令，使下游泵緊急停車，避免下游泵發(fā)生氣蝕。

輸送溫度下的飽和蒸氣壓由Antoine 方程進(jìn)行回歸，通過方程，系統(tǒng)可以計算出實時工況下的物料飽和蒸氣壓[9]。

式中：p為溫度t對應(yīng)下的純液體飽和蒸氣壓，mmHg；T為絕對溫度，K；A、B、C為Antoine常數(shù)。

圖3 液化烴物料密閉輸送工藝流程示意圖Fig.3 Airtight transportation process flow diagram of liquefied hydrocarbon material

2 應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場應(yīng)用

本文提出的溫壓聯(lián)控密閉輸送工藝在煙臺港萬化工業(yè)園103號LPG專用泊位中進(jìn)行了應(yīng)用，成功解決了大流量、遠(yuǎn)距離、高背壓、大高差工況下船泵揚程不足的問題。

對于公司丙烷卸船項目，經(jīng)過工藝計算，碼頭起點輸送壓力需要1.6 MPa，而船泵僅能提供0.7 MPa的出口壓力，因此必須在碼頭端進(jìn)行增壓。碼頭空間狹小，無法布置中間緩沖設(shè)備，只能進(jìn)行密閉增壓。

在該項目中，上游泵為液貨船艙潛液泵，下游泵為碼頭增壓泵，該泵必需氣蝕余量為10 m，折算壓力為0.05 MPa，調(diào)節(jié)閥安全裕量取0.15 MPa，停車安全裕量取0.05 MPa。因氣溫不同，預(yù)冷時間不同，物料到達(dá)碼頭增壓泵入口時的溫度在-40～-20 ℃范圍內(nèi)波動。不同工況下，該工藝的實現(xiàn)過程如下：

（1）工況1：船泵與增壓泵連續(xù)穩(wěn)定輸送，自控系統(tǒng)僅進(jìn)行監(jiān)測，不進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

（2）工況2：增壓泵入口壓力出現(xiàn)不穩(wěn)定，壓力降低，增壓泵存在抽空風(fēng)險。在不同的入口溫度下，DCS系統(tǒng)根據(jù)不同的入口壓力，對泵出口調(diào)節(jié)閥發(fā)出調(diào)節(jié)指令。

溫度條件一（入口溫度為-40 ℃）：溫度變送器檢測到入口溫度為-40 ℃；DCS 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫，計算得出此時丙烷的飽和蒸氣壓為0.01 MPa，則p1T=0.21 MPa；如壓力變送器檢測到入口壓力p入＞0.21 MPa，則調(diào)節(jié)閥不動作；如p入＜0.21 MPa，則DCS系統(tǒng)發(fā)出指令，使調(diào)節(jié)閥關(guān)小，從而使增壓泵入口壓力提高，實現(xiàn)物料連續(xù)穩(wěn)定輸送。

溫度條件二（入口溫度為-20 ℃）：溫度變送器檢測到入口溫度為-20 ℃；DCS 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫，計算得出此時丙烷的飽和蒸氣壓為0.24 MPa，則p1T=0.44 MPa；如p入＞0.44 MPa，則調(diào)節(jié)閥不動作；如p入＜0.44 MPa，則DCS系統(tǒng)發(fā)出指令，使調(diào)節(jié)閥關(guān)小，從而使增壓泵入口壓力提高，實現(xiàn)物料連續(xù)穩(wěn)定輸送。

（3）工況3：增壓泵入口壓力出現(xiàn)極不穩(wěn)定，船泵出現(xiàn)停輸故障，增壓泵存在抽空風(fēng)險。在不同的入口溫度下，當(dāng)增壓泵入口壓力p入＜p2T，SIS系統(tǒng)對增壓泵發(fā)出停機指令。

溫度條件一（入口溫度為-40 ℃）：溫度變送器檢測到入口溫度為-40 ℃；DCS 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫，計算得出此時丙烷的飽和蒸氣壓為0.01 MPa，則p2T=0.11 MPa；如p入＜0.11 MPa，SIS 系統(tǒng)發(fā)出停機指令，增壓泵緊急停車。

溫度條件二（入口溫度為-20 ℃）：溫度變送器檢測到入口溫度為-20 ℃；DCS 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫，計算得出此時丙烷的飽和蒸氣壓為0.24 MPa，則p2T=0.34 MPa；如p入＜0.34 MPa，SIS 系統(tǒng)發(fā)出停機指令，增壓泵緊急停車。

2.2 效果分析

該工藝技術(shù)在煙臺港萬華工業(yè)園碼頭成功應(yīng)用，不僅節(jié)省了中間緩沖設(shè)備投資近200萬元，而且解決了碼頭空間狹小，難以布置緩沖設(shè)備以及附帶的安全、環(huán)保問題。目前該碼頭已連續(xù)卸船近200×104t，當(dāng)船泵出現(xiàn)事故停車時，增壓泵都進(jìn)行了緊急停車保護，工藝系統(tǒng)安全可靠。

3 結(jié)束語

液化烴物料因其飽和蒸氣壓受溫度影響極大，其密閉輸送的控制問題一直難以解決。本文針對其特點通過方案必選、優(yōu)化，提出了溫度、壓力聯(lián)合控制的方法，實現(xiàn)了液化烴的密閉輸送。該工藝技術(shù)在煙臺港萬華工業(yè)園碼頭成功應(yīng)用，證實了其安全、可靠。目前大型液化烴碼頭越來越多，溫壓聯(lián)控密閉輸送工藝技術(shù)有較大的應(yīng)用市場[10]。