LNG氣化站控制系統(tǒng)

    LNG作為目前西氣東輸管道天然氣的補充氣源或者備用氣源，已經(jīng)越來越引起全國各大中城市燃氣公司的重視，LNG氣化站的安全運行及先進的控制顯得尤其重要。本文主要結(jié)合蘇州港華燃氣有限公司已經(jīng)建成并穩(wěn)定運行的LNG氣化站來闡述控制系統(tǒng)的重要性。

    由于LNG是由天然氣冷卻到一162℃而成的深冷液體，又具有天然氣易燃易爆的特性，因此LNG是一種非常危險的液體，必須充分了解LNG氣化站的危險性。

  ①低溫的危險

  LNG泄漏后會迅速蒸發(fā)，然后降至某一固定的蒸發(fā)速度。開始蒸發(fā)時氣體密度大于空氣密度，在地面形成一個流動層，當溫度上升到一110℃以上時，LNG蒸氣與空氣的混合物在溫度上升過程中形成了密度小于空氣的云團。由于LNG泄漏時的溫度很低，其周圍大氣中的水蒸氣被冷凝成霧團，LNG再進一步與空氣?昆合并完全氣化。LNG的低溫危險還能使相關(guān)設(shè)備脆性斷裂和遇冷收縮，從而損壞設(shè)備和低溫灼傷操作者。

  ②BOG的危險

  雖然LNG儲存于絕熱的儲罐中，但不可能完全無熱量交換，外界傳人的熱量會引起LNG蒸發(fā)，產(chǎn)生BOG(蒸發(fā)氣體)。故要求LNG儲罐有一個極低的日蒸發(fā)率，要求儲罐本身設(shè)有合理的安全放散系統(tǒng)。否則，若BOG的量突增，使罐內(nèi)溫度、壓力迅速上升，致使儲罐破裂。

  ③著火的危險

  天然氣的爆炸極限為5％～15％，遇明火可產(chǎn)生爆燃�；鹧鏈囟雀�、輻射熱強，易形成大面積火災(zāi)，且具有復(fù)燃性、復(fù)炸性。

    ④翻滾的危險

    通常，儲罐內(nèi)的LNG長期靜置或密度不同的LNG}昆裝，將形成兩個穩(wěn)定的液相層。當外界熱量傳人罐內(nèi)時，兩個液相居相互傳質(zhì)、傳熱并混合，液層表面開始蒸發(fā)，下層由于吸收了上層的熱量，而處于過熱狀態(tài)。當兩液相層密度接近時，可在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，使罐內(nèi)壓力急劇上升，這就是翻滾現(xiàn)象。液體翻滾引起LNG蒸發(fā)率急增，若來不及排出大量的BOG，儲罐內(nèi)的壓力將超過設(shè)計壓力，會發(fā)生危險。

2 LNG氣化站運行控制系統(tǒng)

  利用卸車增壓氣化器將LNG槽車內(nèi)的氣相壓力升高，將LNG通過管道卸至站內(nèi)儲罐。利用儲罐配套的自增壓氣化器來保證儲罐具有一定的壓力，并將LNG送人空溫式氣化器，通過環(huán)境空氣的熱量將LNG氣化為氣態(tài)天然氣。若氣態(tài)天然氣溫度大于5℃，則直接進入調(diào)壓、計量、加臭裝置；若氣態(tài)天然氣溫度小于5℃，就需要經(jīng)過水浴式加熱器將氣態(tài)天然氣加熱到5℃以上，再送人調(diào)壓、計量、加臭裝置，最后送人中壓管網(wǎng)。LNG槽車和LNG儲罐產(chǎn)生的BOG排放至BOG加熱器，加熱后送入調(diào)壓、計量、加臭裝置，最后送入中壓管網(wǎng)。

    工藝裝置區(qū)中的氣化區(qū)是將LNG轉(zhuǎn)換為氣態(tài)天然氣的主要部位，也是整個氣化站的關(guān)鍵部位。在整個氣化區(qū)設(shè)置2組氣化器，在每組氣化器后設(shè)置2個溫度傳感器(減少溫度傳感器損壞引起誤動作的概率)。當一組氣化器結(jié)霜過多或發(fā)生故障時，通過溫度檢測超限報警，連鎖關(guān)閉該組氣化器進液管上的氣動緊急切斷閥實現(xiàn)對氣化器的控制，同時打開另外一組氣化器的進液管上的氣動緊急切斷閥，保證供氣的連續(xù)性。

2．2 LNG氣化站運行控制系統(tǒng)

    LNG氣化站是由儲罐區(qū)、工藝裝置區(qū)和輔助區(qū)3個區(qū)域組成。對每個區(qū)域都需進行監(jiān)測或控制，關(guān)鍵地方還必須采用聯(lián)動的方式來保證控制的及時性。要達到以上目的，必須要建設(shè)一套LNG氣化站的運行控制系統(tǒng)(見圖2)。運行控制系統(tǒng)分為PLC控制系統(tǒng)和現(xiàn)場調(diào)節(jié)設(shè)備的自動連鎖控制2部分。

   儲罐區(qū)對于整個氣化站來說是核心部位，最主要的設(shè)備就是LNG儲罐，現(xiàn)以蘇州港華燃氣有限公司采用的真空粉末低溫壓力絕熱儲罐為例，談?wù)凩NG氣化站運行控制系統(tǒng)的配置。

    在儲罐上安裝壓力變送器和液位變送器來監(jiān)測儲罐壓力和液位。在進、出液管上安裝氣動緊急切斷閥，通過電磁閥和儀表來控制進液或出液。在氣、液相管之間安裝自增壓氣化器和自增壓閥，對儲罐進行增壓。在氣相管上安裝減壓調(diào)節(jié)閥和安全閥，防止儲罐超壓。

    正常運行中，必須將LNG儲罐的工作壓力控制在允許的范圍內(nèi)。LNG儲罐的正常工作壓力范圍為0.3～0.6 MPa，罐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，可利用自增壓氣化器和自增壓閥對儲罐進行增壓。增壓下限由自增壓閥開啟壓力確定，增壓上限由自增壓閥的自動關(guān)閉壓力確定，其值通常比設(shè)定的自增壓閥開啟壓力高約15％。

    LNG在儲存過程中會由于儲罐不可能絕對無熱量交換，而緩慢蒸發(fā)(日靜態(tài)蒸發(fā)率≤O.3％)，導致儲罐的壓力逐步升高，最終危及儲罐安全。為保證儲罐安全運行，采用儲罐減壓調(diào)節(jié)閥、壓力報警手動放散、安全閥起跳三級安全保護措施來進行儲罐的超壓保護。

    其保護順序為當儲罐壓力上升到減壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定的開啟值時，減壓調(diào)節(jié)閥自動打開泄放氣態(tài)天然氣。當減壓調(diào)節(jié)閥失靈，罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升，達到壓力報警值時，壓力報警，手動放散泄壓。當減壓調(diào)節(jié)閥失靈且手動放散未開啟時，安全閥起跳泄壓，保證LNG儲罐的運行安全。對于****工作壓力為0.600MPa的LNG儲罐，設(shè)計壓力為0.660 MPa，減壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)定開啟壓力為0.615 MPa，儲罐報警壓力為0.620 MPa，安全閥開啟壓力為0.630 MPa。

    LNG儲罐在進液或出液時，液位產(chǎn)生變化。進液時當儲罐液位達到罐容的90％，由控制室發(fā)出報警信號，停止進液。若控制失效，液位繼續(xù)上升，達到罐容的95％時，通過PLC連鎖控制進液管上的電磁閥，使之關(guān)閉氣動緊急切斷閥，避免液位過高。

    若出液時儲罐液位達到罐容的10％時，由控制室發(fā)出報警信號，停止出液。若控制失效，液位繼續(xù)下降，達到罐容的5％時，通過PLC連鎖控制出液管上的電磁閥，使之關(guān)閉氣動緊急切斷閥。避免罐內(nèi)無液，造成罐內(nèi)溫度上升，需要再次預(yù)冷。

    若發(fā)生緊急事故，可以通過罐區(qū)邊、卸車區(qū)旁或控制室內(nèi)的緊急切斷按鈕來切斷所有罐的進、出液的氣動緊急切斷閥和氣化器前的氣動緊急切斷閥，避免事故進一步擴大。

    LNG氣化站的火氣控制系統(tǒng)(F／G)功能是在火災(zāi)和可燃性氣體泄漏的情況下，能準確探測火災(zāi)和氣體泄漏的程度和事故地點，觸發(fā)聲光報警設(shè)備，并且根據(jù)事故發(fā)生的嚴重性等級而確定報警和啟動消防設(shè)施，從而控制和避免災(zāi)難的發(fā)生，以防止對生產(chǎn)設(shè)備和人員的傷害及對環(huán)境的影響等。因而控制系統(tǒng)的設(shè)計必須遵循故障安全的原則，對整個系統(tǒng)的硬件和軟件的可靠性要求都很高。

  ①溫度探測傳感器

  在儲罐區(qū)的導流槽上安裝低溫探測傳感器，通過對溫度的監(jiān)測來判斷是否有LNG泄漏。

  ②可燃氣體探頭

  在整個氣化站各個區(qū)域安裝催化燃燒型可燃氣體探頭，監(jiān)測空氣中的可燃氣體濃度，一般按可燃氣體的爆炸下限為最大量程，達到爆炸下限的20％視為警告(一級報警)，達到爆炸下限的40％視為氣體泄漏報警(二級報警)。

③火焰探頭

    在LNG儲罐四周安裝紅外紫外加頻率的火焰探頭，通過對可燃性氣體或液體火焰的監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)明火并發(fā)出火災(zāi)報警信號。

④手動火災(zāi)報警按鈕

    在LNG儲罐區(qū)周邊安裝按壓式手動火災(zāi)報警按鈕，在整個廠區(qū)分布設(shè)置破玻璃式手動火災(zāi)報警按鈕，通過敲碎玻璃觸發(fā)信號來啟動消防系統(tǒng)。

  ⑤聲光報警器

  在氣化站分布設(shè)置聲光報警器，用于火災(zāi)報警時的聲音和光的提示功能，以確保所有現(xiàn)場人員都能及時知道火災(zāi)的發(fā)生，以采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

  ⑥泡沫發(fā)生器

  在LNG儲罐邊設(shè)置一個泡沫發(fā)生器，主要對LNG泄漏時儲罐區(qū)的集液池實施全部泡沫覆蓋，減慢LNG氣化的速度。

  ⑦消防系統(tǒng)

  由消防控制柜、消防泵、穩(wěn)壓泵、穩(wěn)壓罐、噴淋管、電磁蝶閥和高壓水槍等組成。

    ①可燃氣體探測產(chǎn)生的連鎖

    a·單探頭可燃氣體探測：當可燃氣體的一級報警設(shè)定值達到爆炸下限的20％時，在控制室的火災(zāi)報警控制器上報警，在人機界面上低濃度可燃氣體報警并記錄事件。當可燃氣體的二級報警設(shè)定值達到爆炸下限的40％時，在控制室的火災(zāi)報警控制器上報警，在人機界面上高濃度可燃氣體報警并記錄

    b·多探頭可燃氣體探測：多個探頭中同時有2個探頭的一級報警設(shè)定值達到爆炸下限的20％時，在控制室的火災(zāi)報警控制器上報警，在人機界面上多探頭低濃度報警并記錄事件。當多個探頭中同時有2個探頭的二級報警設(shè)定值達到爆炸下限的40％時，不僅在控制室的火災(zāi)報警控制器上報警，在人機界面上多探頭高濃度報警并記錄事件，通過手動確認高濃度可燃氣體報警，同時自動啟動現(xiàn)場的聲光報警器并將信號送給緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進、出液閥和氣化器的進口閥。

  ②火焰探測產(chǎn)生的連鎖

  a·觸發(fā)單探頭火災(zāi)探測，在控制室人機界面上單探頭火災(zāi)報警并記錄事件。

    b·多個探頭中同時觸發(fā)2個探頭的火災(zāi)探測，在控制室人機界面上多探頭火災(zāi)報警并記錄事件，通過手動確認火災(zāi)報警，同時自動啟動現(xiàn)場的聲光報警器并打開泡沫閥、切斷污水泵電源、啟動消防泵并發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進、出液閥和氣化器的進口閥。

  ③低溫探測產(chǎn)生的蓮鎖

  a．單探頭低溫探測達一30℃，在控制室人機界面上低溫報警并記錄事件。單探頭低溫探測達一50℃，在控制室的人機界面上超低溫報警并記錄事件。

    b．多個探頭中同時有2個探頭檢測值達到一30

℃，不僅在控制室人機界面上多探頭低溫報警并記錄事件，還要啟動現(xiàn)場的聲光報警器。

    c．多個探頭中同時有2個探頭檢測值達到一50℃，在控制室人機界面上多探頭超低溫報警并記錄事件，手動確認超低溫報警，同時自動打開LNG儲罐區(qū)泡沫閥、切斷污水泵電源和啟動1臺消防泵，同時發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進、出液閥和氣化器的進口閥。

  d．若在控制室人機界面上手動打開LNG儲罐區(qū)泡沫閥時，會同時切斷污水泵電源和啟動l臺消防泵，同時發(fā)信號至緊急停車系統(tǒng)，關(guān)閉所有儲罐的進、出液閥和氣化器的進口閥。

  ④泡沫儲罐液位檢測產(chǎn)生的連鎖

  a．泡沫儲罐液位達到報警下限值(30％)，在控制室人機界面上報警并記錄事件。

  b．泡沫儲罐液位達到報警下下限值(10％)，在控制室人機界面上報警并記錄事件，同時使泡沫閥不能打開。以防只有水，沒有泡沫產(chǎn)生，而發(fā)生危險。

  氣化站運行控制系統(tǒng)是整個LNG氣化站穩(wěn)定運行的保證，緊急停車系統(tǒng)是LNG氣化站的安全保證，火氣控制系統(tǒng)是LNG氣化站發(fā)生泄漏和火災(zāi)時事故最小化的保證。這3個系統(tǒng)只有有機結(jié)合在一起，才能充分發(fā)揮作用。