儀表空氣系統(tǒng)可替代性研究

吳 昊，盧 鼎，王冬雨

（中海油江蘇天然氣有限責任公司，江蘇鹽城 224000）

1 儀表空氣系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

儀表空氣能否滿足LNG接收站充足穩(wěn)定的供應使用，直接影響著LNG接收站的穩(wěn)定運行與安全生產(chǎn)，特別是儀表空氣作為自動化儀表及氣動閥門的動力氣源，一旦儀表空氣管網(wǎng)壓力出現(xiàn)較大的波動將會引起設備停車、接收站停輸?shù)葐栴}，將給公司造成不必要的經(jīng)濟損失，同時也會影響下游用戶，如電廠、城市燃氣等用戶的天然氣正常使用，造成不良社會影響。LNG接收站儀表空氣的主要用途如下：①用作接收站氣動閥門的動力氣源；②用作BOG高壓壓縮機負荷調(diào)節(jié)的驅(qū)動氣源；③用作接收站的工廠空氣直接輸出，用于接收站設備、管道的吹掃置換及其他用途。儀表空氣作為LNG接收站的重要作用氣體，目前接收站儀表空氣的生產(chǎn)供氣方式單一，僅由儀表空氣壓縮機產(chǎn)生提供，令接收站儀表空氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在一定風險。

為了提高LNG接收站儀表空氣系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性[1]，結合浙江LNG接收站生產(chǎn)運行實際情況，分析LNG接收站儀表空氣系統(tǒng)運行優(yōu)化，提出了儀表空氣壓縮機與制氮空氣壓縮機交替運行的優(yōu)化方案。

1.1 儀表空氣系統(tǒng)簡介

浙江LNG接收站目前有兩臺儀表空氣壓縮機機組（C-1401A/B）一用一備，儀表空氣壓縮機的排出管線并聯(lián)進入空氣緩沖罐（PV-1402），緩沖罐出口分為三路，一路去儀表空氣干燥塔，壓縮空氣經(jīng)干燥裝置X-1401A/B（一用一備）脫水，使壓縮空氣露點達到-40℃（@0.6MPa）以下，再經(jīng)過濾就成為儀表空氣；一路作為接收站工廠空氣直接輸出，用于接收站下游設備、管道吹掃置換和其他用途；一路去接收站氮氣制氮系統(tǒng)，當制氮用氮氣空壓機出現(xiàn)故障時可作為備用途徑。在優(yōu)先保證接收站儀表空氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的原則下，通過儀表空氣管網(wǎng)出口壓力表PT-14005控制工廠空氣出口調(diào)節(jié)閥PV-14005壓力調(diào)節(jié)，如果減小工廠空氣的供應量仍不能維持儀表空氣系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，PV-14005將自動關閉或啟動備用儀表空氣壓縮機及儀表空氣干燥裝置。

儀表空壓機由電機驅(qū)動，屬無油、雙級螺桿型，空氣由冷卻離心風扇吸入，經(jīng)過熱交換器（用于冷卻空氣）進入機器中。通過對排放空氣進行冷卻，空氣中自帶的大部分水蒸氣被冷凝，然后由內(nèi)置的水分離器和排放閥排放掉。儲油槽和油泵是集成在齒輪箱中的，該油泵為容積式齒輪型泵，由電機/大齒輪軸進行驅(qū)動。齒輪箱的通風口連接到一個通氣裝置，該通氣裝置排出的廢氣由管道連接到機組的頂部?？諌簷C附帶了溫度傳感器，它可以在油溫或空氣溫度過高時關閉機組?？諝鈮嚎s機主要工作過程分為吸氣、壓縮和排氣，雙螺桿式空氣壓縮機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子（或稱螺桿）在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側輸送至輸出側，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進氣端壁開口時空間最大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進氣口相通，因在排氣時齒溝的氣體被排出，排氣完成時齒溝處于真空狀況，當轉(zhuǎn)至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當氣體布滿了全部齒溝時，轉(zhuǎn)子進氣側端面轉(zhuǎn)離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣時，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內(nèi)再也不外流。其牙齒咬緊面逐漸向排氣端移動。牙齒咬緊面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。當轉(zhuǎn)子的牙齒咬緊端面轉(zhuǎn)到與機殼排氣口相通時，被壓縮的氣體起頭排出，直至齒尖與齒溝的牙齒咬緊面移至排氣端面，此時陰陽轉(zhuǎn)子的牙齒咬緊面與機殼排氣口的齒溝空間為零，即完成排氣過程，在此同時轉(zhuǎn)子的牙齒咬緊面與機殼進氣口之間的齒溝長度又到達最長，吸氣過程又重新開始。

空壓機啟動后，電機轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到最大轉(zhuǎn)速4 217r/min，壓縮機壓力逐漸上升，當空壓機出口壓力高于目標壓力（0.84MPag）時，電機轉(zhuǎn)速逐漸降到最低轉(zhuǎn)速2 500r/min運行，并以該轉(zhuǎn)速運行直到壓力上升至自動停車壓力（0.89MPag），自動排放冷凝水之后自動停止運轉(zhuǎn)；當空壓機出口壓力低至0.84MPag時，空壓機會自動啟動對系統(tǒng)進行升壓，重復以上運行以維持空壓機出口壓力在目標壓力和自動停車壓力范圍內(nèi)；若壓力低至0.84MPag時，主用空壓機無法正常啟動，當壓力降至0.82MPag時備用空壓機則正常啟動；若系統(tǒng)壓力達到0.94MPag空壓機立即停車，若要再次啟用該空壓機只能手動啟動。

生產(chǎn)過程中，為保證空氣系統(tǒng)能夠安全平穩(wěn)運行，空氣系統(tǒng)設計了通過壓力控制器對壓縮空氣進行壓力控制，在優(yōu)先保證儀表空氣管網(wǎng)壓力的原則下，通過儀表空氣出口PT-14005控制工廠空氣出口調(diào)節(jié)閥PV-14005壓力調(diào)節(jié)，如果減小工廠空氣的供應量仍不能維持儀表空氣系統(tǒng)的壓力，PV-14005將自動關閉或啟動備用空壓機及干燥裝置。同時為了保證空氣系統(tǒng)與外輸系統(tǒng)之間的整體性，設計了ESD聯(lián)鎖系統(tǒng)，儀表空氣管網(wǎng)壓力低報警值PSL-14006A/B/C（三選二表決）值為0.6MPag，啟動備用空壓機干燥裝置；儀表空氣壓力管網(wǎng)壓力低低聯(lián)鎖PSLL-14006A/B/C（三選二表決）值為0.55MPag，觸發(fā)儀表空氣低低緊急停車（ESD-4）系統(tǒng)。當空氣管網(wǎng)壓力過低時，可通過軟管連接氮氣至空氣管網(wǎng)流程，給空氣管網(wǎng)補壓。

1.2 氮氣系統(tǒng)簡介

浙江LNG接收站制氮系統(tǒng)為變壓吸附制氮裝置，配備有2臺英格索蘭IRN45K-OF A/C型空氣壓縮機，2套杭州吉大空分生產(chǎn)的JSN-100B型PSA制氮機，1臺30m3/h的氮氣增壓機，1個容積為50m3氮氣儲氣罐。制氮系統(tǒng)設計的供氣能力為30～530m3/h。接收站氮氣主要有3個作用：①用于設備和管道的吹掃、置換，為設備和管道的投用、檢修提供必要條件；②作為密封氣，用于旋轉(zhuǎn)接頭、火炬分子封、電氣接線箱等設備，防止空氣進入密封件導致結冰或進入接線箱形成爆炸性氣體；③用作接收站BOG低壓壓縮機負荷調(diào)節(jié)的驅(qū)動氣源以及氣動閥門的動力氣源。PSA（變壓吸附制氮）氮氣制氮機單套能力為100m3/h，氮氣純度≥98.0%。

變壓吸附的基本原理是利用吸附劑（碳分子篩）對吸附介質(zhì)在不同壓力下有不同的吸附容量，并且在一定壓力下對被分離的氣體混合物各組分又有選擇吸附的特性。在吸附劑選擇吸附的條件下，加壓吸附除去原料氣中的雜質(zhì)組分，減壓脫附這些雜質(zhì)而使吸附劑獲得再生。因此，采用兩個吸附器，循環(huán)交替地變換所組合的各吸附器的壓力，就可以達到連續(xù)分離氣體混合物的目的。因為吸附與解吸過程是通過壓力變化實現(xiàn)的，故該工藝稱作變壓吸附（PSA）；碳分子篩是一種經(jīng)特殊處理的活性炭吸附劑。碳分子篩的孔直徑在氮氣和氧氣分子直徑范圍內(nèi)。由于氧分子比氮分子體積小，重量輕，因此先被吸附在碳分子篩表面。空氣經(jīng)壓縮機壓縮至0.85MPag后進入過濾精度≤3μm的一級過濾器，除去99.9%的游離狀態(tài)的水分，出口氣體含油量≤0.01×10-6，含塵量≤0.01μm，隨后氣體進入英格索蘭冷凍式干燥機，出來后經(jīng)二級過濾器過濾后，使過濾精度≤1μm，除99.99%的游離狀態(tài)的水分，含油量≤0.01×10-6，含塵量≤0.01μm。經(jīng)凈化處理后的壓縮空氣進入空氣緩沖罐，從緩沖罐出來的氣體進入填裝有吸附劑（日本巖谷分子篩）的變壓吸附分離系統(tǒng)，即制氮機主機。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進入，氣流經(jīng)空氣擴散器擴散以后，均勻進入吸附塔，進行氧氮吸附分離，然后從出口端流出氮氣，成品氮氣從上端出口進入氮氣緩沖罐，吸附完成后，此塔經(jīng)均壓和減壓（至常壓），脫除所吸附的雜質(zhì)組分（主要為氧氣），完成吸附劑的再生，兩個吸附塔交替循環(huán)運行。從制氮機組出來的氮氣最后經(jīng)粉塵精濾器、氮氣緩沖罐，之后進入粉塵精濾器，最后進入氮氣儲罐，確保產(chǎn)出合格氮氣。氮氣純度合格后，合格的氮氣可以由氮氣增壓機C-1902A/B增壓至2.5MPag，并儲存在氮氣儲罐PV-1901中，高壓氮氣可以在下游大量用氮導致制氮裝置供應量不足時使用。

氮氣系統(tǒng)氮氣壓縮機、氮氣儲罐上均設置安全閥，氮氣壓縮機出口設定壓力1.20MPa、氮氣儲罐設定壓力2.80MPa，當壓力超過設定值時，安全閥打開，將儲罐壓力泄至環(huán)境中。

生產(chǎn)過程中，為保證氮氣系統(tǒng)能夠安全平穩(wěn)運行，氮氣系統(tǒng)設計通過氮氣純度在線分析儀對氮氣系統(tǒng)進行監(jiān)測控制，當?shù)獨庀到y(tǒng)出口純度低于設定值時，放空閥打開，以保證氮氣系統(tǒng)下游氮氣純度合格。同時為了保證氮氣系統(tǒng)和工藝系統(tǒng)之間的整體性，設計了氮氣系統(tǒng)的ESD聯(lián)鎖系統(tǒng)，在以下情況發(fā)生時，氮氣系統(tǒng)會停車保護：地震探測信號及 ESD5 按鈕。

2 儀表空氣系統(tǒng)與氮氣系統(tǒng)新運行模式

2.1 新運行模式方案

查看接收站儀表空氣系統(tǒng)與氮氣制氮系統(tǒng)串聯(lián)工藝流程可知，兩套設備可以相互串聯(lián)，相互備用，通過現(xiàn)場實際生產(chǎn)運行實踐操作，經(jīng)多次操作嘗試并最終形成以下新的儀表空氣系統(tǒng)與氮氣制氮系統(tǒng)運行模式：1臺儀表空氣壓縮機供儀表空氣系統(tǒng)同時串聯(lián)供氮氣制氮系統(tǒng)；2臺氮氣空氣壓縮機運行供儀表空氣系統(tǒng)。具體運行模式如下：

第1天：啟動儀表空氣壓縮機C-1401A，將儀表空氣壓縮機啟停壓力設置為0.83～0.93MPag；保持儀表空氣壓縮機C-1401B處于備用狀態(tài)，將其啟停壓力設置為0.7～0.9MPag；氮氣空氣壓縮機C-1901A/B處于停用狀態(tài)，此時保持氮氣制氮裝置DR-1901A運行用于制氮。

第2天：啟動儀表空氣壓縮機C-1401B，將儀表空氣壓縮機啟停壓力設置為0.83～0.93MPag；保持儀表空氣壓縮機C-1401A處于備用狀態(tài)，將啟停壓力設置為0.7～0.9MPag；氮氣空氣壓縮機C-1901A/B處于停用狀態(tài)，此時保持氮氣制氮裝置DR-1901A運行用于制氮。

第3天：啟動兩臺氮氣空氣壓縮機C-1901A和C-1901B，保持儀表空氣壓縮機C-1401A處于備用狀態(tài)，將啟停壓力設置為0.7～0.9MPag，儀表空氣壓縮機C-1401B處于停用狀態(tài)，關停氮氣制氮裝置DR-1901A。

第4～第6天，通過循環(huán)第1～第3天的運行模式步驟依次進行切換操作，其中需要注意的是，在運行第2輪時，氮氣制氮裝置保持DR-1901B運行（DR-1901A/B每隔6d運行2d交替運行）。第2輪運行氮氣空氣壓縮機C-1901A/B時，保持儀表空氣壓縮機C-1401B處于備用狀態(tài)（與儀表空氣壓縮機C-1401A依次交替循環(huán)運行）。新的運行模式按每3d一個周期計算，定時對儀表空氣壓縮機、氮氣制氮空壓機及氮氣制氮設備進行切換。

2.2 新運行模式效果

在接收站實際運行生產(chǎn)中，通過執(zhí)行儀表空氣系統(tǒng)與氮氣空氣系統(tǒng)串聯(lián)新運行模式后，儀表空氣管網(wǎng)壓力能夠保持穩(wěn)定，相關設備參數(shù)符合工藝生產(chǎn)操作要求，新運行模式經(jīng)過一線工藝生產(chǎn)操作員一段時間的使用及驗證，通過對運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，記錄一臺儀表空氣壓縮機運行時的儀表空氣管網(wǎng)壓力和兩臺氮氣空氣壓縮機運行時的儀表空氣管網(wǎng)壓力，得到了以下數(shù)據(jù)，見表1、表2。

表1 儀表空氣壓縮機運行時儀表空氣管網(wǎng)壓力

表2 2臺氮氣空壓機運行時儀表空氣管網(wǎng)壓力

表中數(shù)據(jù)記錄了兩種運行模式下儀表空氣管網(wǎng)壓力24h的運行數(shù)據(jù)，由表中數(shù)據(jù)可知，在儀表空氣壓縮機與氮氣空氣壓縮機串聯(lián)運行的新模式下，儀表空氣管網(wǎng)壓力能夠保持穩(wěn)定運行，管網(wǎng)壓力未出現(xiàn)較大波動，新的儀表空氣系統(tǒng)運行模式可以維持接收站生產(chǎn)儀表空氣使用的正常供應。

3 結論

1）新的儀表空氣系統(tǒng)運行模式為浙江LNG接收站提高儀表空氣系統(tǒng)與氮氣制氮系統(tǒng)的運行可靠性及穩(wěn)定性提供了實際生產(chǎn)操作依據(jù)，當其中一種系統(tǒng)的空氣壓縮機出現(xiàn)故障等問題時，工藝生產(chǎn)操作員可以快速選擇模式、設備進行切換，確保儀表空氣系統(tǒng)或氮氣制氮系統(tǒng)得到應急備用的保障，保證接收站儀表空氣與氮氣的穩(wěn)定供應，加強了儀表空氣系統(tǒng)可替代的實際操作性。

2）新運行模式的使用，保證了接收站儀表空氣系統(tǒng)及氮氣制氮系統(tǒng)設備必要的運行時間，通過儀表空氣系統(tǒng)與氮氣制氮系統(tǒng)空氣壓縮機的交替輪換運行，儀表空氣壓縮機與氮氣空氣壓縮機的有效運行時間得到了大幅提高，避免了空氣壓縮機長時間停機造成電機故障及設備受潮、卡澀等問題，一定程度上降低了設備的維修成本。