LNG加氣站儀表風(fēng)系統(tǒng)的壓空緩沖罐容積計算

范仲輝，邱國洪

(張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215600)

1 概 述

壓空緩沖罐在化工、醫(yī)藥和機械加工等行業(yè)廣泛使用，其作用是降低空氣系統(tǒng)的壓力波動，保證系統(tǒng)平穩(wěn)、連續(xù)供氣[1]。LNG加氣站儀表風(fēng)系統(tǒng)的壓空緩沖罐設(shè)置在空壓機下游，用以存儲氣源，為整站儀表風(fēng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定氣源?？紤]空壓機因故障而停止運行的風(fēng)險，為確保LNG加氣站仍能安全可靠地運行一段時間，滿足這段時間內(nèi)整站儀表風(fēng)系統(tǒng)用氣量，壓空緩沖罐選擇合適的容積顯得尤為重要。

關(guān)于壓空緩沖罐容積計算，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)介紹了一些方法。王紹宇[1]在其示例一中介紹的氣體緩沖罐計算方法，對于常溫、低壓的壓空系統(tǒng)，可以用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT描述氣體的體積、壓力的變化。具體計算公式為：

V=P0×S×τ/(P1-P2)

式中：P0為標準大氣壓，Pa；P1為供氣起始壓力(絕壓)，Pa；P2為供氣重點壓力(絕壓)，Pa；τ 為緩沖罐供氣時間，min；S 為供氣流量，Nm3/min。

李洪深[2]介紹的氣體緩沖罐容積確定方法為，當系統(tǒng)壓力波動時，緩沖罐向用戶供氣，緩沖罐內(nèi)空氣的質(zhì)量減少、壓力降低，在緩沖時間0 至τ0內(nèi)，為保證壓縮機在界區(qū)進出口壓力情況下供氣流量S 不波動，緩沖罐容積V 計算公式為[3]：

V=P0×S×τ0/(P1-P2)

式中：P0為標準大氣壓，Pa；P1為界區(qū)入口壓力(絕壓)，Pa；P2為界區(qū)出口壓力(絕壓)，Pa；τ0為緩沖時間，min；S為波動段內(nèi)壓縮機供氣量，Nm3/min。壓縮機的排氣到達用戶緩沖罐是一個變壓力、變流量的動態(tài)過程，對于連續(xù)恒壓供氣生產(chǎn)裝置，緩沖時間除了和自動執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)及動作時間有關(guān)外，還和壓縮機到緩沖罐的管線距離有關(guān)。

周江沛[4]介紹的儀表空氣緩沖罐容積計算方法，所需參數(shù)有，標準狀態(tài)下氣源裝置設(shè)計容積(m3/h)，維持時間，正常操作壓力，最低輸出壓力，大氣壓力。

以上介紹的一些方法，所需參數(shù)有，標準大氣壓，界區(qū)入口壓力(絕壓)，界區(qū)出口壓力(絕壓)，緩沖時間，供氣量(Nm3/min)。以上算法均涉及供氣流量這一參數(shù)。

本文以出口歐洲的LNG加氣站成套設(shè)備的儀表風(fēng)系統(tǒng)為例，介紹了一種壓空緩沖罐容積計算方法，未涉及供氣流量這一參數(shù)。歐洲客戶要求，空壓機因故障停止運行后，儲氣設(shè)備需滿足4小時(維持時間)內(nèi)整站儀表風(fēng)系統(tǒng)正常運行的用氣量。據(jù)《石油化工儀表供氣設(shè)計規(guī)范》(SH/T3020-2013)[5]規(guī)定， 在沒有特殊要求的情況下，維持最低輸出壓力供氣時間在15～30 min。相比而言，本項目中歐洲客戶提出的要求更加嚴苛。

2 用 途

LNG加氣站包含LNG儲罐撬，泵撬，加氣機，卸車撬，增壓汽化器，整站控制系統(tǒng)等部件，各撬上設(shè)置有緊急切斷閥。LNG加氣站正常運行下有待機模式，降壓模式，加液模式，循環(huán)模式，卸車模式，調(diào)飽和模式。整站控制系統(tǒng)通過控制是否為緊急切斷閥的氣動執(zhí)行機構(gòu)是否輸送壓縮空氣，來控制緊急切斷閥的開關(guān)，以實現(xiàn)介質(zhì)LNG在整站工藝管路中按各模式功能要求的進行傳輸。加氣機上加液槍與客戶氣瓶連接時，極易在槍口冷凝結(jié)霜，這次需要用到加氣機上的吹掃槍進行清理，整站控制系統(tǒng)根據(jù)加氣機上設(shè)置的吹掃按鈕發(fā)出的開始吹掃命令，為吹掃槍輸送壓縮空氣。

所以，LNG加氣站儀表風(fēng)系統(tǒng)中，壓縮空氣用途分為兩個方面，為整站內(nèi)緊急切斷閥的氣動執(zhí)行機構(gòu)開啟動作提供氣源，為加氣機上吹掃槍提供氣源。

3 流程圖

出口歐洲的LNG加氣站成套設(shè)備的儀表風(fēng)系統(tǒng)，其主要部件，及其流程圖，見圖1。

1-空壓機；2，3，5，6-過濾器；4-干燥機；7-壓力變送器； 8-露點檢測儀；9-空氣緩沖罐；10，14-壓力表；11，13-安全閥； 12-降壓調(diào)壓閥；15-開關(guān)閥；16，17，18-其他用氣設(shè)備圖1 儀表風(fēng)系統(tǒng)流程圖Fig.1 Instrument air system process instrument diagram

4 計算條件

空壓機本身自帶儲罐容積200 L，見圖2。

圖2 自帶儲氣瓶的空壓機Fig.2 Air compressor with air storage tank on itself

壓空緩沖罐壓力上升到10 barg時(壓力變送器檢測到壓力大于等于10 barg時)，空壓機停止運行。

壓空緩沖罐壓力下降到6 barg時(壓力變送器檢測到壓力小于等于6 barg時)，空壓機開始運行，開始為儲氣設(shè)備(壓空緩沖罐和空壓機自帶儲罐)充氣。

空壓機因故障停止運行后，儲氣設(shè)備需滿足4 h(維持時間)內(nèi)整站儀表風(fēng)系統(tǒng)正常運行的用氣量。

氣源壓力設(shè)定為5 barg，即壓空緩沖罐下游的降壓調(diào)壓閥出口壓力為5 barg。

5 用氣量分析，計算及假設(shè)

5.1 緊急切斷閥氣動執(zhí)行機構(gòu)用氣量

如表1所示，為LNG加氣站中LNG儲罐撬，泵橇，卸車撬，加氣機上各緊急切斷閥的位號、口徑規(guī)格，及其氣動執(zhí)行機構(gòu)容積，LNG加氣站各運行模式，及其各模式下各緊急切斷閥的開關(guān)狀態(tài)。

緊急切斷閥的氣動執(zhí)行機構(gòu)開啟時，需要輸送壓縮空氣以為氣動執(zhí)行機構(gòu)充氣。關(guān)閉時氣動執(zhí)行機構(gòu)排氣，不需要輸送壓縮空氣。

待機模式為初始狀態(tài)，此時用氣量為0。黃色標記的是從待機模式分別切換到后續(xù)各模式下，需要開啟動作消耗用氣的緊急切斷閥。

維持時間4 h內(nèi)，假設(shè)如下：

每位客戶加液前，客戶氣瓶需要回氣降壓的概率為10%；加液模式的時間為10 min，即從客戶提起加液槍，到駛離LNG加氣站；兩次加液之間間隔時間為0 min，故每小時最多有6位客戶加液；LNG加氣站白天工作12 h，即白天持續(xù)有客戶加液。晚上待機12 h，即晚上沒有客戶加液。

表1 各模式下各緊急切斷閥開關(guān)狀態(tài)Table 1 Actuated Valves’ open/close status under each mode

續(xù)表1

如表2所示，第一行為根據(jù)表1得出的從待機模式分別切換到后續(xù)各模式，緊急切斷閥開啟的用氣量。第二行為根據(jù)以上假設(shè)，在維持時間4 h內(nèi)內(nèi)各模式切換次數(shù)。第三行為維持時間4 h內(nèi)，各模式的用氣量，用第一行數(shù)據(jù)乘以第二行數(shù)據(jù)。

表2 4 h內(nèi)各模式的用氣量Table 2 Air consumption of each mode during 4 h

客戶加液時，整個過程為回氣降壓、加液，此時用氣量為：

69.384+383.16=452.544 L≈453 L

給LNG儲罐撬充液時，整個過程為卸車、調(diào)飽和，此時用氣量為：

17.84+35.03=52.87 L

整站定期冷卻時，整個過程為循環(huán)，此時用氣量為320.04 L。

比較以上數(shù)據(jù)得出，維持時間4 h內(nèi)緊急切斷閥氣動執(zhí)行機構(gòu)最大用氣量的情況是客戶加液，為453 L。

5.2 加氣機上吹掃槍用氣量

假設(shè)每次加液過程中吹掃槍吹掃總時間為11 s。由表2得，維持時間4 h內(nèi)，加液模式最多切換12次。維持時間4 h內(nèi)吹掃總時間為：

12×11/3600=0.04 h

氣源壓力與大氣壓的壓差大于2 barg，假設(shè)此時流量3 m3/h。維持時間4 h內(nèi)吹掃槍的用氣量為：

(3×0.04)×1000=120 L

比較5.1與5.2的結(jié)果，維持時間4 h內(nèi)，整站儀表風(fēng)最大用氣量情況是客戶加液，為453 L。

6 容積計算

空壓機停止運行，空壓機自帶儲罐壓力從10 barg下降到 6 barg，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，釋放出的空氣量為：

200×(10-6)/6=134 L

當壓空緩沖罐與空壓機自帶儲罐壓力相同時，壓空緩沖罐的容積為：

(453+120-134)×6/(10-6)=658.5 L

故設(shè)置659 L的壓空緩沖罐能滿足要求。

7 結(jié) 論

考慮空壓機因故障而停止運行的風(fēng)險，壓空緩沖罐需能保證維持時間4 h內(nèi)LNG加氣站儀表風(fēng)系統(tǒng)正常運行的用氣量，因此壓空緩沖罐容積計算十分重要。本文從壓空緩沖罐供氣用途角度出發(fā)，分析計算了整站中各緊急切斷閥氣動執(zhí)行機構(gòu)在各模式下開啟動作的用氣量，和加氣機上吹掃槍的用氣量，進而得出壓空緩沖罐所需容積。通過本文介紹的算法確定容積的壓空緩沖罐，已應(yīng)用到出口歐洲的LNG加氣站成套設(shè)備項目中，經(jīng)過實踐驗證，可滿足使用要求。

本文介紹的算法，與國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)介紹的算法，不同之處在于本文算法不涉及供氣流量這一參數(shù)。本文算法中有不少根據(jù)項目實際情況進行假設(shè)的條件參數(shù)，若其他項目需參考本算法，亦可根據(jù)項目實際情況，對假設(shè)的條件參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整。