帶低溫泵LNG卸車橇的設計及研究

胡旭杰 姚貴昌 馬 瑞 張 琦

連云港杰瑞自動化有限公司, 江蘇 連云港 222006

0 前言

天然氣是一種潔凈、高效、優質的燃料,也是重要的化工原料,具有明顯的社會效益、環境效益和經濟效益。天然氣產業的快速發展和液化天然氣(LNG)應用的快速推廣,要求LNG儲備站具有更高氣化水平和供應保障能力,因此LNG儲備站需要同時具有淡季LNG裝車外售的功能和旺季外購LNG卸車的功能[1-3]。

“氣化陜西,鐵腕治霾”是陜西政府提出的發展新政策。新政一出,陜西省天然氣的應用得到了快速推廣,使得楊凌液化天然氣(LNG)應急儲備調峰站在冬季原本充足的天然氣氣源嚴重短缺,不能滿足供氣需求,需要從其他液化廠進行采購。原有的技術方案不能滿足需要,使得設計開發LNG卸車橇成為必然趨勢,也將為“氣化陜西,鐵腕治霾”提供技術保障。

LNG卸車橇是完成LNG槽車對LNG儲罐卸車的一體化設備,其卸車功能可滿足LNG儲備調峰站的快速接卸LNG需求。目前,大部分LNG儲備調峰站采用自增壓卸車,基本思路是利用卸車增壓氣化器裝置實現LNG槽車自流式增壓[4-6]。但自增壓卸車速度較慢,時間一般為3～4 h,不足以滿足日益增長的LNG儲備調峰站卸車和氣化需求,因此需要開發出適應大流量LNG卸車的設備。本文基于LNG橇裝工程應用,在橇裝模塊內采用了低溫離心泵和增壓氣化器等主要設備對LNG卸車橇裝置進行了開發設計及卸車技術研究。通過PLC控制系統的控制技術和檢測技術,實現了低溫離心泵的精確控制和自動降速等功能,一定程度上提高了LNG卸車的安全性,增強操作人員的安全意識,確保LNG卸車過程的安全,為滿足內地液化儲備站氣化能力、提高儲備站的卸車效率提供了保障。該設備設計簡單實用,滿足防爆安全性能的相關要求。

1 技術特點

LNG主要由天然氣經過預處理,脫除重烴、硫化物、二氧化碳、水等雜質后,深冷至-162 ℃,液化而成[7-8]。LNG在平時裝卸車過程中存在低溫凍傷、高壓、易燃、易爆等潛在危險性[9-12]。低溫LNG卸車橇的開發能夠做到氮氣置換、壓力測漏、封閉式卸車、安全閥、安全聯鎖等安全防護,減少了卸車過程中危險的出現,操作員得到安全防護,管道壓力得到安全泄放[13-18]。帶低溫離心泵的LNG卸車橇的設計要求電氣設備耐爆性能、隔爆性能等符合國家相關防爆標準[19-22]。

帶低溫離心泵的LNG卸車橇在卸車過程中能夠實現低溫離心泵精確控制、自動降速等功能,使得低溫離心泵在啟動過程中平穩、安全、可靠地運行,其設備得到運行保護,大大延長設備的使用壽命;同時也能夠依據液體溫度升高的變化來控制低溫離心泵自動實現降速運行。自動控制技術還實現了壓力和溫度超限的安全聯鎖報警控制,讓帶低溫離心泵的LNG卸車橇更加符合實際需要和行業規定,使得LNG卸車橇更加安全、可靠。

2 結構組成及功能描述

2.1 結構組成

LNG卸車橇裝置組成及結構見圖1。

帶低溫離心泵和增壓氣化器的LNG卸車橇裝置,在LNG卸車橇上裝有低溫離心泵、增壓氣化器、低溫裝卸臂、PLC控制器、靜電控制器等。LNG卸車橇主要由液相卸車管線、氣相管線、增壓氣相管線、安全放散管線、氮氣吹掃保護管線等組成。液相卸車管線上包括有液相裝卸臂、壓力變送器、溫度變送器、液相緊急切斷閥、安全閥組、過濾器、低溫離心泵、止回閥等;氣相管線上包括有氣相緊急切斷閥、壓力變送器、安全閥組、氣相裝卸臂等;增壓氣相管線上包括有手動球閥、止回閥、安全閥組、自力式調壓閥、增壓氣化器、溫度變送器等。

圖1 LNG卸車橇裝置組成及結構示意圖

2.2 工藝流程設計

卸車流程見圖2。

圖2 卸車流程圖

LNG槽車卸車首先要通過增壓氣相管線上的增壓氣化器進行槽車增壓,當槽車壓力達到預定值,然后進行低溫離心泵的預冷,當低溫離心泵預冷完成后泵前溫度和泵前壓力滿足啟泵條件時,按啟泵鍵,低溫離心泵啟動;低溫離心泵啟動后根據泵前壓力的數值進行精確控制,實時調節變頻泵的轉速,逐步讓低溫離心泵穩定運行;當泵前溫度發生變化并低于液體溫度時,低溫離心泵的轉速也隨之逐級降速,直到低于設定值后低溫離心泵將停止運行,即卸車完成。

2.3 控制設計

LNG卸車橇能夠實現LNG的卸車,該設備需同時具有低溫離心泵卸車和自增壓的功能,以滿足快速卸車的要求,并且能夠根據泵前壓力和溫度進行調速和自動減速等功能。

LNG槽車卸車首先要通過增壓氣相線上的增壓氣化器進行槽車增壓,當槽車壓力達到預定值后,進行低溫離心泵的預冷,當低溫離心泵預冷完成且泵前溫度和泵前壓力滿足啟泵條件時,按啟泵鍵,低溫離心泵啟動;低溫離心泵啟動后根據泵前壓力的數值進行精確控制,實時調節變頻泵的轉速,讓低溫離心泵穩定運行;當卸車接近完成且泵前溫度發生變化并低于液體溫度時,低溫離心泵的轉速也隨之自動降低,直到低于最低設定值后,低溫離心泵將自動停止運行。

該裝置結構簡單實用,滿足防爆安全性能的相關要求,大大縮短了卸車時間,提高了儲備站的卸車效率,滿足了內地液化儲備站氣化能力,確保罐裝現場的安全運行,防止天然氣短缺。

2.4 安全設計

LNG卸車橇的設計過程中,采取了一系列安全保護措施,如管道安全閥放空閥組、卸車臂吹掃、卸車臂測漏、管道排凈、泄放管道、燃氣探測器、防爆撓性連接管等防爆、隔爆設計方法。

系統控制采用批量控制器控制設備元件的執行和參數檢測及安全。每臺橇裝為一個控制單元,硬件上能完成對流量、壓力、溫度、靜電信號、閥門狀態及燃氣探測元件信號的采集,實現閥門的控制和安全聯鎖報警功能。

2.5 人機工程設計

在人機工程方面,信息交互性是LNG卸車橇使用過程中安全操作管件環節,卸車過程復雜,控制邏輯和條件繁多,批量控制器解決了此問題,每步操作均在批量控制器提示屏上顯示,每步操作均在允許邏輯控制條件下完成并設有確認鍵,卸車過程既安全又可靠。該設計規范了操作,預防了不安全情況的發生。

3 低溫離心泵精確控制的實現

3.1 壓力隨低溫離心泵頻率的變化規律

LNG卸車橇與LNG裝車橇原理不同,LNG卸車橇攜帶了低溫離心泵,通過低溫離心泵能夠實現快速卸車,滿足快速卸車的要求。

在卸車的過程中,壓力隨低溫離心泵頻率的變化具有一定變化規律,當低溫離心泵頻率逐步提高時,壓力呈下降趨勢;當低溫離心泵頻率逐步下降時,壓力呈回升趨勢。壓力的變化規律能夠反映低溫離心泵頻率上的變化,兩者有一定的相關性,低溫離心泵頻率的提高將會帶來壓力的下降,但是為了保證泵的正常運行,應保持壓力在一定范圍內,否則泵前液體供應不足,泵前管線出現抽空負壓區,將使泵不能在正常載荷下運行。

通過對壓力和頻率的觀察可知,在提高低溫離心泵的頻率時,應保持低溫離心泵前壓力處理在合理取值范圍內,否則將影響低溫離心泵的運行。因此,維持低溫離心泵前壓力在一定范圍內,逐步提升低溫離心泵頻率,能夠使低溫離心泵穩定運行,達到額定載荷下運行。泵前壓力隨時間變化的曲線見圖3。低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線見圖4。

圖3 泵前壓力隨時間變化的曲線

圖4 低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線

3.2 實現控制的方法

LNG卸車橇的控制系統主要由PLC型批量控制器、壓力變送器、溫度變送器及可操作的顯示屏等組成,PLC型批量控制器是系統的控制中心,壓力變送器和溫度變送器是檢測設備。低溫離心泵精確控制方法通過泵前壓力的檢測,將檢測數據傳輸給PLC控制器,再通過程序的邏輯判斷,結合操作屏的輸入操作,讓低溫離心泵的變頻器執行提升頻率的指令,實現低溫離心泵精確控制。

在卸車過程中,先將低溫離心泵進行預冷至設定溫度,且確保泵前壓力在設定值以上,操作人員可以操作啟動按鈕,進行低溫離心泵的啟動,操作員可以根據泵前壓力的大小,合理提升低溫離心泵的頻率,直至泵前壓力低于設定值,控制系統自動通過邏輯判斷,操作員將無法提升低溫離心泵的頻率,限制了操作鍵的功能;LNG槽車通過氣化器給槽車進行氣相補壓,使得槽車壓力逐步回升,槽車壓力與泵前壓力具有同向性,隨著槽車壓力的回升,泵前壓力也隨之回升,為低溫離心泵的頻率創造了提升條件和提升空間,隨之操作鍵的功能也恢復,操作員可以繼續提升低溫離心泵的頻率,直至低溫離心泵穩定運行。

通過此方法,能夠實現低溫離心泵的提速直至達到穩定運行。在實踐應用中得到了驗證并順利進行了穩定卸車,大大提高了卸車效率,保證了低溫離心泵的穩定運行,避免了因低溫離心泵提速過快而出現泵前液體供應不足等現象,有效延長了低溫離心泵的使用壽命。

4 自動降速功能的實現

4.1 頻率隨溫度變化的規律

LNG卸車橇的自動卸車功能是通過泵前溫度變送器來實現自動停止卸車功能。

LNG卸車橇在卸車的過程中,低溫離心泵的頻率隨泵前溫度的變化進行相應的調節,當溫度出現回升并低于預定設定值時,低溫離心泵的頻率隨之進行下調。溫度的變化規律能夠反映泵前管線內液體的變化情況,泵前管線內氣液混合比例決定了溫度的高低,氣液混合比例的提高將會帶來溫度的升高,為保證泵的正常運行,減小對低溫離心泵的損害,應保持氣液混合比例在一定范圍內。由于氣液混合的比例無法測得,在該工程應用中通過測得泵前溫度來作相應的控制和邏輯判斷。

通過對溫度和頻率的觀察可知,在泵前溫度下降時,應保持低溫離心泵的頻率處理合理取值,否則長此以往會造成低溫離心泵的損壞。因此,在泵前溫度下降時,應逐步降低低溫離心泵的頻率,來適應氣液混合的工況,這樣能夠使低溫離心泵的運行處于安全可靠狀態,并保障低溫離心泵在合理使用壽命期內,減少經濟損失。泵前溫度隨時間變化的曲線見圖5。低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線見圖6。

圖5 泵前溫度隨時間變化的曲線

圖6 低溫離心泵頻率隨時間變化的曲線

4.2 實現控制的方法

自動卸車控制方法通過泵前溫度的檢測,將檢測數據傳輸給PLC控制器,再通過程序的邏輯判斷,讓低溫離心泵的變頻器執行減低頻率的指令,來實現自動停止卸車的控制。

在卸車過程中,操作員無法緊盯屏幕,在氣液混合比例增大或溫度下降時,不能及時控制卸車頻率。為了解決此問題,運用PLC控制器和溫度變送器等技術來完成實時監控,代替人工監控,實現安全可靠的控制。隨著卸車任務臨近結束,氣液混合比例也逐步增大,泵前溫度呈下降趨勢,當泵前溫度低于設定溫度后,低溫離心泵的頻率將按照預定計劃降低,在該工程應用中,低溫離心泵的頻率下調分四個階段進行,直至泵前溫度低于最低設定值時,控制系統自動通過邏輯判斷,停止低溫離心泵的運行。

通過此方法,能夠實現低溫離心泵的自動停止卸車功能。在實踐應用中得到驗證并順利進行了自動停止卸車,大大提高了卸車的安全可靠性,保證了低溫離心泵安全可靠的運行,避免了因氣液混合比例過大而出現低溫離心泵損壞的現象,有效延長了低溫離心泵的使用壽命,減少了經濟損失。

5 結論及建議

在結合工程經驗的前提下,對帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置進行了設計和應用。應用結果表明,當泵前和泵后溫度達到-148 ℃以上時,低溫離心泵可以啟動,通過低溫離心泵頻率調節,泵前壓力控制在0.1 MPa以上,低溫離心泵可平穩運行,隨著槽車壓力的不斷提升,低溫離心泵頻率可以逐步提高,達到設計需要的流速;當泵前溫度分別升高至-150、-148、-145 ℃三個階段數值以上,低溫離心泵分別逐步降速,直至停止運行。卸車時間縮短至1.5 h以內,大大提高了卸車效率。帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置的設計實現了低溫離心泵的精確控制和LNG槽車的自動卸車功能,提高了儲備站的卸車效率以及內地液化儲備站的卸車能力和氣化能力。該裝置在LNG儲備站得到了安全應用,也充分證明了該橇裝設備的安全性和實用性。該裝置滿足防爆安全性能的相關要求,有助于推動操作流程的安全設計,降低因卸車能力不足導致無法滿足供應的風險,確保罐裝現場的安全運行,防止天然氣短缺。

帶低溫離心泵的LNG卸車橇裝置在卸車過程中存在一些不足,LNG槽車卸車完成后還有少量的余液留在槽車里。由于對低溫離心泵的保護,當泵前出現較大氣液混合的比例時,為避免該工況造成的損害,低溫離心泵將會提前停止運行,因此卸車結束時,不能將槽車卸完。此問題有待后續完善和解決。

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