浸沒燃燒式氣化器工藝及控制技術(shù)

石東東

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

天然氣（NG）主要成分是甲烷（CH4），它燃燒生成二氧化碳和水，是一種清潔高效的能源。優(yōu)先使用天然氣能源可以優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，改善大氣環(huán)境，因此，近年來天然氣產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。液化天然氣（LNG）便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，與LNG相關(guān)的液化工廠、NG調(diào)峰站、LNG接收站等迅速發(fā)展起來。

LNG氣化器是天然氣產(chǎn)業(yè)鏈重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，承擔(dān)著將液態(tài)LNG汽化成氣態(tài)NG的重要功能。常用的LNG氣化器包括浸沒燃燒式氣化器（SCV）、開架式氣化器（ORV）和中間介質(zhì)式氣化器（IFV）。SCV要損耗掉一定量的NG，運(yùn)行成本相對(duì)較高，但它結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，傳熱效率高，不受環(huán)境溫度影響，廣泛應(yīng)用在NG調(diào)峰站或冬季環(huán)境溫度較低的LNG接收站。LNG氣化器的生產(chǎn)一直被國(guó)外公司壟斷，因此研究SCV相關(guān)技術(shù)具有十分重要的意義。

1 LNG汽化原理和SCV的組成

LNG的沸點(diǎn)是-161.5℃，氣化器的原理是通過吸收熱源的熱能將-162℃的液態(tài)LNG汽化成5℃左右的NG，其中熱源可以是空氣或海水，也可以是燃料。SCV屬于燃料加熱型的氣化器，它將約為產(chǎn)量1.5%的NG作為燃料氣燃燒后與原料LNG進(jìn)行熱交換[1]，將LNG汽化成NG，作為產(chǎn)品輸出到外輸管道。

SCV是一種工藝設(shè)備，由鼓風(fēng)機(jī)、燃燒器、熱風(fēng)管道、混凝土水槽、LNG汽化管路、電氣控制設(shè)備等主要部分組成。從功能上可以將SCV分為三部分，即熱能傳遞系統(tǒng)、LNG汽化系統(tǒng)和電氣及工藝控制系統(tǒng)。

熱能傳遞系統(tǒng)的作用是輸送燃料到燃燒器，并將燃料燃燒后的熱能傳導(dǎo)到LNG。LNG汽化系統(tǒng)的作用是將原料LNG輸送到SCV，吸收熱能傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能汽化成NG后輸送到外輸管路。

工藝控制系統(tǒng)的主要作用是將工業(yè)控制技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)閥、傳感器等各種器件組成一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、命令執(zhí)行為一體的工藝控制系統(tǒng)，滿足各種工藝過程控制要求及安全要求。電氣系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)、加熱器、電動(dòng)閥等耗能設(shè)備提供電能。

2 SCV汽化工藝簡(jiǎn)析

SCV生產(chǎn)工藝過程可以分為熱能傳遞回路和LNG汽化回路。兩個(gè)工藝回路之間界線明顯，沒有物料交換，只有能量傳導(dǎo)。LNG汽化回路是一個(gè)物理過程，熱能傳遞回路是一個(gè)化學(xué)過程，伴隨有少量氮氧化物排放到水槽內(nèi)。

汽化回路為主工藝回路，它負(fù)責(zé)將原料LNG汽化成產(chǎn)品NG。汽化回路是一個(gè)封閉回路，LNG在盤管中汽化，整個(gè)回路內(nèi)的LNG和NG不離開管道，不直接與外接交換熱量。汽化回路主要由LNG輸入管線、換熱盤管、NG外輸管線和閥門儀表等組成，另外還有與工廠放空、排液、火炬系統(tǒng)連接的輔助管路。

熱能傳遞回路作用是熱源的形成和傳導(dǎo)，它是輔助工藝回路，但它是SCV生產(chǎn)工藝的核心。熱能傳遞過程為NG→熱氣→熱水→盤管→LNG。如圖1所示，SCV從NG外輸管網(wǎng)中獲取NG作為燃料輸送到燃燒器，大功率鼓風(fēng)機(jī)將高壓空氣同時(shí)輸送到燃燒器。NG與空氣在燃燒器中混合后點(diǎn)燃，NG充分燃燒后將周圍空氣加熱，熱氣在風(fēng)壓的作用下，吹入熱風(fēng)管道。熱風(fēng)管道的末端固定在水槽底部，熱風(fēng)管道設(shè)置許多小孔與水槽內(nèi)的水連通，熱氣在壓力下從小孔吹入水槽形成水珠和熱空氣的混合物“煙氣”，煙氣與水槽內(nèi)的水充分接觸傳熱后攜帶很少的熱能浮出水面形成“廢氣”從煙囪中排出。細(xì)小的天然氣盤管固定在水槽中間，熱水在煙氣的攪動(dòng)下，充分與盤管接觸，將熱能傳遞給盤管，進(jìn)而傳遞到NG，LNG吸收熱量汽化成NG。此種“浸沒燃燒”形式的傳熱方式的傳熱效率較高，也正是SCV廣泛應(yīng)用的主要原因之一。

圖1 SCV工藝簡(jiǎn)圖

3 工藝控制系統(tǒng)組成及啟?？刂?/h2>

SCV電氣及控制系統(tǒng)主要由電機(jī)控制中心（MCC）、不間斷電系統(tǒng)（UPS）、遠(yuǎn)程控制柜（CP）、現(xiàn)場(chǎng)控制盤（LP）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表以及執(zhí)行設(shè)備等組成。其中MCC和UPS為電氣部分為SCV提供電力保障，其它部分為SCV工藝控制系統(tǒng)。

按工藝階段劃分，SCV工藝控制系統(tǒng)包括自動(dòng)啟動(dòng)模塊、運(yùn)行控制模塊、停機(jī)模塊。按照控制對(duì)象分，SCV工藝控制系統(tǒng)包括NG輸出溫度控制系統(tǒng)、燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）等。

3.1 自動(dòng)啟動(dòng)控制邏輯及安全控制措施

SCV啟動(dòng)過程包括安全自檢、預(yù)吹掃、點(diǎn)燃引燃火焰等工藝控制程序。如圖2所示，選擇自動(dòng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行安全自檢，之后啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)燃燒室火焰探測(cè)器打開。為避免燃燒室殘存易燃易爆氣體，在點(diǎn)火前對(duì)燃燒室進(jìn)行空氣預(yù)吹掃。預(yù)吹掃結(jié)束后打開引燃燃料閥，點(diǎn)燃引燃火焰，同時(shí)啟動(dòng)冷卻水泵。引燃火焰燃燒20s，NaOH注入環(huán)路啟動(dòng)，主燃料閥打開，引燃火焰點(diǎn)燃主火焰，引燃燃料閥關(guān)閉，自動(dòng)啟動(dòng)流程結(jié)束。

安全自檢包括水槽水位檢查、風(fēng)道壓力檢查、燃?xì)庑孤z查、主燃料閥是否閉合等。為避免主火焰點(diǎn)燃后未經(jīng)水浴直接噴射，水槽內(nèi)需安裝低水位和超低限水位傳感器。為使燃燒爐內(nèi)熱量及時(shí)排出，助燃風(fēng)機(jī)風(fēng)道安裝風(fēng)壓傳感器。啟動(dòng)過程中，若超低限水位傳感器或風(fēng)道風(fēng)壓傳感器觸發(fā)報(bào)警，安全自檢程序終止并報(bào)警。

圖2 SCV自動(dòng)啟動(dòng)流程圖

3.2 運(yùn)行過程監(jiān)控及調(diào)節(jié)控制

SCV啟動(dòng)后正常運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)需要借助各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)相關(guān)變量的變化，啟動(dòng)相應(yīng)的調(diào)整控制程序，使系統(tǒng)回到正常狀態(tài)。

需要監(jiān)測(cè)的安全信息包括水槽液位、水槽水溫、廢氣溫度、冷卻水溫、風(fēng)機(jī)和電機(jī)軸溫、環(huán)境溫度、儀表氣壓力、風(fēng)機(jī)和電機(jī)軸承振動(dòng)值、燃料氣流量、水槽泵流量、冷卻泵流量、水槽水pH值等。需要監(jiān)測(cè)的工藝參數(shù)有燃料壓力、風(fēng)道壓力、NG出口壓力和溫度等。

SCV系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要涉及NG出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)和燃燒器管理系統(tǒng)（BSM）。另外需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢氣溫度，根據(jù)輸入燃料量計(jì)算熱效率。需要對(duì)水槽水pH值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)水槽水成酸性時(shí)開啟NaOH投放閥，將pH值控制在6～9之間，完成pH值閉環(huán)控制。

3.3 停機(jī)控制程序

SCV涉及到高壓用電、高溫燃燒、高溫低溫流體、可燃?xì)怏w等多種安全隱患源。LNG汽化系統(tǒng)的停機(jī)不僅僅是簡(jiǎn)單關(guān)閉閥門、斷掉電源，需要在確保安全的前提下，按程序按步驟控制各個(gè)執(zhí)行器件逐一關(guān)閉。

控制系統(tǒng)在收到停機(jī)指令后，熱能傳遞回路首先動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)按程序控制燃料供給管道的主燃料截止閥逐級(jí)減小供氣量，直到閥門完全關(guān)閉后主火焰熄滅，排放閥打開。主火焰熄滅10分鐘后，鼓風(fēng)機(jī)逐級(jí)減少供風(fēng)量。為保證煙氣管道內(nèi)熱量完全排出，通過煙囪處溫度傳感器監(jiān)測(cè)煙氣出口溫度達(dá)到設(shè)定值后，鼓風(fēng)機(jī)才能完全停機(jī)，最后關(guān)閉注水泵和冷卻水泵。

對(duì)于汽化回路，首先通過水溫傳感器監(jiān)測(cè)水槽水溫，當(dāng)水槽水溫下降到設(shè)定值后，關(guān)閉LNG進(jìn)口閥門。再通過NG出口溫度傳感器監(jiān)測(cè)NG出口溫度，當(dāng)出口溫度下降到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉NG輸出閥。最后打開NG放空閥，將殘留NG排入工廠排放系統(tǒng)。

4 SCV關(guān)鍵工藝控制過程設(shè)計(jì)

4.1 輸出NG溫度控制

SCV生產(chǎn)的最終產(chǎn)品是5℃左右的NG，外輸NG的溫度是否穩(wěn)定在允許范圍之內(nèi)直接影響NG外輸系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，因此控制輸出NG溫度是SCV工藝控制系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。

影響輸出NG溫度的直接因素包括LNG輸入壓力、LNG輸入流量和水浴溫度。LNG輸入壓力和流量不是一成不變，其值由SCV上游工藝決定。水浴溫度的影響因素包括水浴液位、燃料氣的壓力流量、助燃空氣輸入量以及其與燃料氣之間的比例關(guān)系。

輸出NG溫度的控制采用串級(jí)閉環(huán)控制（見圖3）。其中，輸出NG溫度為主要控制對(duì)象，水浴溫度為輔助控制對(duì)象，輸入LNG流量和壓力為干擾變量，燃料氣流量、助燃空氣流量、空氣與燃料的混合比例等為操作變量，煙氣溫度作為輔助的參考變量[2]。

當(dāng)干擾變量輸入LNG壓力流量發(fā)生變化后，引起主控對(duì)象NG溫度發(fā)生相應(yīng)的變化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)主控對(duì)象的變化量形成輔控對(duì)象水浴溫度的給定值，給定值與實(shí)際值比較后通過控制燃料氣流量、助燃空氣流量使水浴溫度達(dá)到需求值，通過水浴溫度得調(diào)節(jié)將輸出NG溫度調(diào)整到許可范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)串級(jí)閉環(huán)控制過程。

圖3 輸出NG溫度串級(jí)閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

4.2 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制

SCV本地控制系統(tǒng)（LCP）與工廠級(jí)分布式控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)（SIS）系統(tǒng)組成遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程啟停系統(tǒng)、安全操作等功能。

LCP通過通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向DCS報(bào)送重要的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障報(bào)警、安全隱患或緊急關(guān)斷事件時(shí)，LCP實(shí)時(shí)將這些信息報(bào)送給SIS，SIS根據(jù)預(yù)設(shè)程序啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急措施。

通過網(wǎng)絡(luò)傳遞命令信號(hào)，DCS可以遠(yuǎn)程啟停SCV系統(tǒng)，避免現(xiàn)場(chǎng)啟停帶來的人員安全隱患。當(dāng)SCV系統(tǒng)之外的工廠工藝系統(tǒng)出現(xiàn)安全事件時(shí)，DCS也可以根據(jù)安全事件級(jí)別緊急遠(yuǎn)程關(guān)斷SCV系統(tǒng)。

SCV啟停過程中需要LNG輸送系統(tǒng)配合開啟或關(guān)斷LNG注入，需要借助DCS間接控制SCV外部的LNG輸送系統(tǒng)配合相應(yīng)的動(dòng)作。

4.3 燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）

SCV控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有BMS子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒器全面控制，它主要包含燃燒器控制系統(tǒng)（BCS）和燃燒器安全管理系統(tǒng)（FSSS）兩個(gè)部分。

BCS的主要功能之一是以水浴溫度為控制對(duì)象，通過PID運(yùn)算，控制主燃料閥和助燃空氣閥的開度，控制水浴溫度達(dá)到設(shè)定值。另外一個(gè)功能是調(diào)整燃料和助燃?xì)獾幕旌媳壤?，控制酸性氣體的產(chǎn)生量、提高熱效率。另外，BCS還需要采集相關(guān)信號(hào)，控制相關(guān)執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火及熄火過程控制。

FSSS的主要功能是對(duì)燃燒系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證安全點(diǎn)火、熄火和運(yùn)行。當(dāng)檢測(cè)的安全隱患時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警、切斷燃料等急停動(dòng)作。如上文所述的點(diǎn)火前的吹掃也屬于FSSS的范疇。

5 改進(jìn)的控制措施

SCV應(yīng)用實(shí)例中，輸出NG溫度的控制多為簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制，即以水浴溫度為控制對(duì)象（例如水浴溫度的給定值為30℃），根據(jù)水浴的溫度的變化控制燃料氣調(diào)節(jié)閥和助燃空氣閥的開度，使水浴溫度穩(wěn)定在給定值，從而間接控制NG輸出溫度。這種控制方式簡(jiǎn)單，但是控制滯后，適合LNG輸入量穩(wěn)定，NG輸出溫度穩(wěn)定的工況。對(duì)于輸入LNG量波動(dòng)較大的工況，這種控制方式NG輸出溫度波動(dòng)較大，對(duì)外輸系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定性影響較大。如上文所述，本文研究的NG溫度控制系統(tǒng)將簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制改進(jìn)為串級(jí)閉環(huán)控制，以NG輸出溫度為主控對(duì)象，對(duì)于LNG輸入量的波動(dòng)響應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)NG輸出溫度控制精度高。

SCV應(yīng)用場(chǎng)所多為大型液化工廠、接收站、調(diào)峰站，屬于涉及多種重大危險(xiǎn)源場(chǎng)所，單機(jī)本地操作控制的SCV滿足不了安全需求。本文研究的汽化系統(tǒng)與工廠DCS、SIS結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警關(guān)斷、啟動(dòng)停機(jī)等操作控制。

6 結(jié)束語

對(duì)于LNG氣化器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠家主要生產(chǎn)空溫式等小型氣化器，ORV、SCV、IFV等大型氣化器市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外廠商壟斷，天然氣場(chǎng)站使用的大型氣化器多采用進(jìn)口設(shè)備，通過吸收總結(jié)國(guó)外大型SCV生產(chǎn)廠家的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)條件，設(shè)計(jì)了SCV的氣化工藝和控制方法，該系統(tǒng)對(duì)LNG輸入量的大幅度波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，相應(yīng)速度快，對(duì)NG輸出溫度控制精度高，為下游NG輸送系統(tǒng)安全運(yùn)行打下了基礎(chǔ)。本研究為后續(xù)LNG汽化裝備研究積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

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