天然氣終端透平膨脹壓縮機制冷控制模式研究

王景貴，范　贊，郜明軍，于彥恒

(1.中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067；2.昆明船舶設備研究試驗中心，云南 昆明 650051)

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天然氣終端透平膨脹壓縮機制冷控制模式研究

王景貴1，范贊2，郜明軍1，于彥恒1

(1.中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067；2.昆明船舶設備研究試驗中心，云南 昆明 650051)

透平膨脹壓縮機是空氣分離設備、天然氣液化分離設備和低溫粉碎設備等獲取冷量所必需的關鍵設備，該設備運行的好壞是天然氣液化制冷系統能否穩定運行的核心保障。對膨脹壓縮機制冷控制模式的幾種方案進行了研究，深入比較了各方案的優缺點，并根據天然氣處理廠輕烴回收實際工況，確定了合理的控制方案。

透平膨脹壓縮機；J-T閥；可調噴嘴；DCS系統；DHX直接熱交換

透平膨脹壓縮機是天然氣處理終端天然氣液化的核心設備[1]，其主要用來生產冷量造成低溫。利用生產出來的冷量，可以在天然氣輕烴回收過程中降低天然氣的溫度，達到干氣與液烴產品分離的目的，冷凝更多乙烷、丙烷和丁烷等組分，生成更多的液化氣[2]。由于膨脹壓縮機屬于高精設備，運行條件比較苛刻，所以需要在保證設備安全平穩運轉的前提下充分利用壓縮機允許的工作區，讓機組工作在工藝要求的壓力和流量變化范圍內，達到制冷控制系統性能可靠、操作簡便和自動化程度高的目的。同時，利用天然氣在通過膨脹機過程中的內能降低對外輸出功，可以對外輸的天然氣進行壓縮或帶動透平發電機發電。在滿足外輸干氣質量要求的前提下，最大程度提高天然氣處理終端的經濟效益。

1　制冷單元工藝

制冷單元工藝流程圖如圖所示。經天然氣終端脫水后的天然氣進入冷箱，與重接觸塔和低溫分離器的液換熱后進入低溫分離器，分離出來的氣相進入膨脹壓縮機的膨脹端，而液相進入分餾單元。重接觸塔的氣相經冷箱換熱后進入膨脹壓縮機的增壓端，經增壓后進入干氣外輸壓縮機單元[3]。

圖1　制冷單元工藝流程示意圖

制冷單元P&I控制原理圖如圖2所示。膨脹機制冷單元主要是針對膨脹機入口壓力、氣量(調節膨脹比)的自動調節實現液態烴高效回收。膨脹比越大，焓降越大，產生的冷量也越大，輕烴回收效率也就越高；但是，如果為了提高膨脹機的入口壓力，增大膨脹比，而將噴咀關得過小，會使膨脹機遠離其設計工況，膨脹機的效率大幅度下降，反而會減少膨脹機的產冷量，而使輕烴的產量下降。同樣，維持機組適當的轉速會提高膨脹機效率，并且會延長主機壽命，提高機組的使用效率。機組轉速調節主要是依靠調節噴嘴開度以改變機組的膨脹比及效率，特別是當裝置的處理量增大時，由于膨脹機的總功率增大，膨脹機要吸收這些功率，就會使轉速升高，甚至超過允許的轉速，這時就需要開大增壓機旁通閥，增加增壓機的回流氣量，也就是增加增壓機的制動功率，從而使膨脹機的轉速下降[4]。所以膨脹壓縮機在工況下的操作調節應將制冷、低溫分離和液烴分餾等單元在整個工藝流程中統一考慮，從而達到比較合理的膨脹比，且充分利用膨脹機產生的制冷量，以取得盡可能低的制冷溫度。

圖2　制冷單元P&I控制原理圖

2　控制方案研究

根據天然氣終端的工藝條件、設備性能和生產作業實際需求，設計了如下3個方案。

1)方案a。方案a控制原理圖如圖3所示，原理框圖如圖4所示。

圖3　方案a控制原理圖

圖4　方案a原理框圖

圖3中PT-1481(壓力變送器)回路只簡單作為膨脹機進口壓力值的監控。膨脹機天然氣進口流量信號FT-1371(流量變送器)與外輸干氣壓縮機進口壓力信號PT-2102/3進入DCS系統。當選擇以流量信號FT-1371為控制點時，FT-1371經DCS系統運算，輸出信號到膨脹機PLC，通過PLC對可調噴嘴進行調節，而PT-2102/3通過DCS系統對PV-1481(J-T閥)進行調節；當選擇以壓力信號PT-2102/3為控制點時，PT-2102/3經DCS系統運算，輸出信號到膨脹機PLC，通過PLC對可調噴嘴進行調節，而FT-1371通過DCS系統對PV-1481(J-T閥)進行調節。

2)方案b。方案b控制原理圖如圖5所示，原理框圖如圖6所示。

圖5　方案b控制原理圖

圖6　方案b原理框圖

圖5中脫水單元來的天然氣流量信號FT-1371與膨脹端入口壓力信號PT-1481進入DCS系統后做綜合選擇運算。根據實際生產情況手動選擇其一后，與外輸干氣壓縮機入口壓力信號PT-2102/3經DCS系統作比較運算，比較運算后，選擇其較大的信號實現對PV-1481(J-T閥)和膨脹壓縮機的分程控制，即信號在0～50%時，調節膨脹機的可調噴嘴開度；信號在50%～100%時，對PV-1481(J-T閥)進行調節。

3)方案c。方案c控制原理圖如圖7所示，原理框圖如圖8所示。

圖7　方案c控制原理圖

圖8　方案c原理框圖

圖7中不起動膨脹壓縮機時，以PT-2012/3為控制點，經DCS系統對PV-1481(J-T閥)進行調節，PT-2012/3設定值為3.8 MPa。在起動膨脹壓縮機的情況下，以FT-1371流量信號為控制點時，當PT-2012/3達到設定值(3.8 MPa)后，FT-1371經DCS系統輸出一路信號調節可調噴嘴，另一路信號控制PV-1481(J-T閥)，實施聯合調節控制；而以PT-2102/3壓力信號為控制點時，經DCS系統輸出一路信號調節可調噴嘴，壓力設定值為3.8 MPa，另一路信號控制PV-1481(J-T閥)，壓力設定值為3.45 MPa，實施定值輸出控制。

采用上述3個方案都可以實現對膨脹壓縮機的操作控制。具體分析每個方案，特點如下。

1)方案a通過膨脹壓縮機現場控制盤PLC進行控制，因而應在DCS系統和PLC上分別進行組態。相對DCS而言，對進口設備的PLC進行重新組態技術上有難度，同時DCS系統與現場PLC之間是通過Modbus協議進行通信，如果用來進行組態控制，會給控制系統和生產操作帶來安全隱患，存在系統兼容和可靠性問題。

2)方案b為了保證天然氣盡可能地通過膨脹壓縮機進行處理，實現機組最大使用和產出效率，對PV-1481(J-T閥)和膨脹端可調噴嘴IGV采取分程控制。但當進氣量波動較大時，且在不能保證膨脹壓縮機全天候滿負荷運轉的情況下，選擇分程控制會影響到機組和其他系統的正常平穩運行。

3)方案c為天然氣終端根據現場實際工況和膨脹壓縮機性能，并綜合考慮各個方面，選擇的最佳控制方式。其組態結構合理，控制簡單，操作量小，可靠性高，能夠在現有工況下，發揮設備性能，產生大冷量，提高產量。而在天然氣量波動大或者膨脹壓縮機不能滿負荷運轉的情況下，能夠實現平穩切換操作，使其他單元系統能夠平穩運行，特別在膨脹壓縮機出現故障或運行不穩定時，能夠使整個生產系統安全運行，不至于波動太大。同時，通過備用的硬線連接DCS系統和現場PLC，可以大大降低誤操作帶來的隱患。一旦未來工況達到設計條件后，還能夠在DCS系統上很容易地進行控制系統的重新組態，達到無擾動的自動切換操作，提高了自動控制程度。

3　結語

經過近1年的實際運行，透平膨脹壓縮機機組不僅能夠滿足低負荷生產控制要求，使J-T運行模式和膨脹機運行模式的切換平穩，設備高速運行安全可靠，同時也滿足了膨脹機+DHX(直接熱交換)輕烴回收創新工藝的生產要求，充分利用了天然氣壓力能，降低了能耗，達到了能量合理匹配，使丙烷回收率由常規工藝的95%提高到99%以上，比傳統工藝節約能耗15%，且沒有出現任何系統問題和操作問題，保證了天然氣終端生產系統安全、可靠、穩定地運行，產生了良好的經濟效益和環境效益。

[1] 王志清.透平壓縮機的調節運行與振動[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2] 江楚標.透平膨脹機發展動態[J]. 深冷技術，2001,14(5):23-24.

[3] 王艷紅.透平壓縮機組的自動化控制[J].北京工業職業技術學院學報，2007，6(4):7-10.

[4] 王曉放，申巖，王子模，等.通用化透平壓縮機運行性能高速在線評估系統設計[J].大連理工大學學報，2005,45(1)：36-38.

責任編輯鄭練

Research on Refrigeration Control Mode based on Expansion Turbine Compressor of Gas Terminal

WANG Jinggui1, FAN Zan2, GAO Mingjun1, YU Yanheng1

(1.CNOOC Deepwater Development Co.,Ltd., Zhuhai 519050, China; 2.Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

Expansion turbine compressor is the critical devise to gain cooling capacity of some equipment such as air separation plant, liquefaction of natural gas separation plant and cryogenic grinding equipment. Whether the device is good in running that is the core of liquefied natural gas refrigeration system guaranteeing the stable operation. Describe several programs with expansion refrigeration compressor control mode, propose in-depth comparison of the advantage and disadvantage of each program, and according to gas processing plants hydrocarbon recovery actual working conditions, choose the reasonable control scheme.

expansion turbine compressor, J-T valve, adjustable nozzle, DCS system, DHX direct heat exchange

TE 644

A

王景貴(1970-)，男，工程師，大學本科，主要從事海洋石油天然氣工程項目管理等方面的研究。

2016-04-08