带低温泵LNG卸车橇的设计及研究

胡旭杰 姚贵昌 马 瑞 张 琦

连云港杰瑞自动化有限公司, 江苏 连云港 222006

0 前言

天然气是一种洁净、高效、优质的燃料,也是重要的化工原料,具有明显的社会效益、环境效益和经济效益。天然气产业的快速发展和液化天然气(LNG)应用的快速推广,要求LNG储备站具有更高气化水平和供应保障能力,因此LNG储备站需要同时具有淡季LNG装车外售的功能和旺季外购LNG卸车的功能[1-3]。

“气化陕西,铁腕治霾”是陕西政府提出的发展新政策。新政一出,陕西省天然气的应用得到了快速推广,使得杨凌液化天然气(LNG)应急储备调峰站在冬季原本充足的天然气气源严重短缺,不能满足供气需求,需要从其他液化厂进行采购。原有的技术方案不能满足需要,使得设计开发LNG卸车橇成为必然趋势,也将为“气化陕西,铁腕治霾”提供技术保障。

LNG卸车橇是完成LNG槽车对LNG储罐卸车的一体化设备,其卸车功能可满足LNG储备调峰站的快速接卸LNG需求。目前,大部分LNG储备调峰站采用自增压卸车,基本思路是利用卸车增压气化器装置实现LNG槽车自流式增压[4-6]。但自增压卸车速度较慢,时间一般为3～4 h,不足以满足日益增长的LNG储备调峰站卸车和气化需求,因此需要开发出适应大流量LNG卸车的设备。本文基于LNG橇装工程应用,在橇装模块内采用了低温离心泵和增压气化器等主要设备对LNG卸车橇装置进行了开发设计及卸车技术研究。通过PLC控制系统的控制技术和检测技术,实现了低温离心泵的精确控制和自动降速等功能,一定程度上提高了LNG卸车的安全性,增强操作人员的安全意识,确保LNG卸车过程的安全,为满足内地液化储备站气化能力、提高储备站的卸车效率提供了保障。该设备设计简单实用,满足防爆安全性能的相关要求。

1 技术特点

LNG主要由天然气经过预处理,脱除重烃、硫化物、二氧化碳、水等杂质后,深冷至-162 ℃,液化而成[7-8]。LNG在平时装卸车过程中存在低温冻伤、高压、易燃、易爆等潜在危险性[9-12]。低温LNG卸车橇的开发能够做到氮气置换、压力测漏、封闭式卸车、安全阀、安全联锁等安全防护,减少了卸车过程中危险的出现,操作员得到安全防护,管道压力得到安全泄放[13-18]。带低温离心泵的LNG卸车橇的设计要求电气设备耐爆性能、隔爆性能等符合国家相关防爆标准[19-22]。

带低温离心泵的LNG卸车橇在卸车过程中能够实现低温离心泵精确控制、自动降速等功能,使得低温离心泵在启动过程中平稳、安全、可靠地运行,其设备得到运行保护,大大延长设备的使用寿命;同时也能够依据液体温度升高的变化来控制低温离心泵自动实现降速运行。自动控制技术还实现了压力和温度超限的安全联锁报警控制,让带低温离心泵的LNG卸车橇更加符合实际需要和行业规定,使得LNG卸车橇更加安全、可靠。

2 结构组成及功能描述

2.1 结构组成

LNG卸车橇装置组成及结构见图1。

带低温离心泵和增压气化器的LNG卸车橇装置,在LNG卸车橇上装有低温离心泵、增压气化器、低温装卸臂、PLC控制器、静电控制器等。LNG卸车橇主要由液相卸车管线、气相管线、增压气相管线、安全放散管线、氮气吹扫保护管线等组成。液相卸车管线上包括有液相装卸臂、压力变送器、温度变送器、液相紧急切断阀、安全阀组、过滤器、低温离心泵、止回阀等;气相管线上包括有气相紧急切断阀、压力变送器、安全阀组、气相装卸臂等;增压气相管线上包括有手动球阀、止回阀、安全阀组、自力式调压阀、增压气化器、温度变送器等。

图1 LNG卸车橇装置组成及结构示意图

2.2 工艺流程设计

卸车流程见图2。

图2 卸车流程图

LNG槽车卸车首先要通过增压气相管线上的增压气化器进行槽车增压,当槽车压力达到预定值,然后进行低温离心泵的预冷,当低温离心泵预冷完成后泵前温度和泵前压力满足启泵条件时,按启泵键,低温离心泵启动;低温离心泵启动后根据泵前压力的数值进行精确控制,实时调节变频泵的转速,逐步让低温离心泵稳定运行;当泵前温度发生变化并低于液体温度时,低温离心泵的转速也随之逐级降速,直到低于设定值后低温离心泵将停止运行,即卸车完成。

2.3 控制设计

LNG卸车橇能够实现LNG的卸车,该设备需同时具有低温离心泵卸车和自增压的功能,以满足快速卸车的要求,并且能够根据泵前压力和温度进行调速和自动减速等功能。

LNG槽车卸车首先要通过增压气相线上的增压气化器进行槽车增压,当槽车压力达到预定值后,进行低温离心泵的预冷,当低温离心泵预冷完成且泵前温度和泵前压力满足启泵条件时,按启泵键,低温离心泵启动;低温离心泵启动后根据泵前压力的数值进行精确控制,实时调节变频泵的转速,让低温离心泵稳定运行;当卸车接近完成且泵前温度发生变化并低于液体温度时,低温离心泵的转速也随之自动降低,直到低于最低设定值后,低温离心泵将自动停止运行。

该装置结构简单实用,满足防爆安全性能的相关要求,大大缩短了卸车时间,提高了储备站的卸车效率,满足了内地液化储备站气化能力,确保罐装现场的安全运行,防止天然气短缺。

2.4 安全设计

LNG卸车橇的设计过程中,采取了一系列安全保护措施,如管道安全阀放空阀组、卸车臂吹扫、卸车臂测漏、管道排净、泄放管道、燃气探测器、防爆挠性连接管等防爆、隔爆设计方法。

系统控制采用批量控制器控制设备元件的执行和参数检测及安全。每台橇装为一个控制单元,硬件上能完成对流量、压力、温度、静电信号、阀门状态及燃气探测元件信号的采集,实现阀门的控制和安全联锁报警功能。

2.5 人机工程设计

在人机工程方面,信息交互性是LNG卸车橇使用过程中安全操作管件环节,卸车过程复杂,控制逻辑和条件繁多,批量控制器解决了此问题,每步操作均在批量控制器提示屏上显示,每步操作均在允许逻辑控制条件下完成并设有确认键,卸车过程既安全又可靠。该设计规范了操作,预防了不安全情况的发生。

3 低温离心泵精确控制的实现

3.1 压力随低温离心泵频率的变化规律

LNG卸车橇与LNG装车橇原理不同,LNG卸车橇携带了低温离心泵,通过低温离心泵能够实现快速卸车,满足快速卸车的要求。

在卸车的过程中,压力随低温离心泵频率的变化具有一定变化规律,当低温离心泵频率逐步提高时,压力呈下降趋势;当低温离心泵频率逐步下降时,压力呈回升趋势。压力的变化规律能够反映低温离心泵频率上的变化,两者有一定的相关性,低温离心泵频率的提高将会带来压力的下降,但是为了保证泵的正常运行,应保持压力在一定范围内,否则泵前液体供应不足,泵前管线出现抽空负压区,将使泵不能在正常载荷下运行。

通过对压力和频率的观察可知,在提高低温离心泵的频率时,应保持低温离心泵前压力处理在合理取值范围内,否则将影响低温离心泵的运行。因此,维持低温离心泵前压力在一定范围内,逐步提升低温离心泵频率,能够使低温离心泵稳定运行,达到额定载荷下运行。泵前压力随时间变化的曲线见图3。低温离心泵频率随时间变化的曲线见图4。

图3 泵前压力随时间变化的曲线

图4 低温离心泵频率随时间变化的曲线

3.2 实现控制的方法

LNG卸车橇的控制系统主要由PLC型批量控制器、压力变送器、温度变送器及可操作的显示屏等组成,PLC型批量控制器是系统的控制中心,压力变送器和温度变送器是检测设备。低温离心泵精确控制方法通过泵前压力的检测,将检测数据传输给PLC控制器,再通过程序的逻辑判断,结合操作屏的输入操作,让低温离心泵的变频器执行提升频率的指令,实现低温离心泵精确控制。

在卸车过程中,先将低温离心泵进行预冷至设定温度,且确保泵前压力在设定值以上,操作人员可以操作启动按钮,进行低温离心泵的启动,操作员可以根据泵前压力的大小,合理提升低温离心泵的频率,直至泵前压力低于设定值,控制系统自动通过逻辑判断,操作员将无法提升低温离心泵的频率,限制了操作键的功能;LNG槽车通过气化器给槽车进行气相补压,使得槽车压力逐步回升,槽车压力与泵前压力具有同向性,随着槽车压力的回升,泵前压力也随之回升,为低温离心泵的频率创造了提升条件和提升空间,随之操作键的功能也恢复,操作员可以继续提升低温离心泵的频率,直至低温离心泵稳定运行。

通过此方法,能够实现低温离心泵的提速直至达到稳定运行。在实践应用中得到了验证并顺利进行了稳定卸车,大大提高了卸车效率,保证了低温离心泵的稳定运行,避免了因低温离心泵提速过快而出现泵前液体供应不足等现象,有效延长了低温离心泵的使用寿命。

4 自动降速功能的实现

4.1 频率随温度变化的规律

LNG卸车橇的自动卸车功能是通过泵前温度变送器来实现自动停止卸车功能。

LNG卸车橇在卸车的过程中,低温离心泵的频率随泵前温度的变化进行相应的调节,当温度出现回升并低于预定设定值时,低温离心泵的频率随之进行下调。温度的变化规律能够反映泵前管线内液体的变化情况,泵前管线内气液混合比例决定了温度的高低,气液混合比例的提高将会带来温度的升高,为保证泵的正常运行,减小对低温离心泵的损害,应保持气液混合比例在一定范围内。由于气液混合的比例无法测得,在该工程应用中通过测得泵前温度来作相应的控制和逻辑判断。

通过对温度和频率的观察可知,在泵前温度下降时,应保持低温离心泵的频率处理合理取值,否则长此以往会造成低温离心泵的损坏。因此,在泵前温度下降时,应逐步降低低温离心泵的频率,来适应气液混合的工况,这样能够使低温离心泵的运行处于安全可靠状态,并保障低温离心泵在合理使用寿命期内,减少经济损失。泵前温度随时间变化的曲线见图5。低温离心泵频率随时间变化的曲线见图6。

图5 泵前温度随时间变化的曲线

图6 低温离心泵频率随时间变化的曲线

4.2 实现控制的方法

自动卸车控制方法通过泵前温度的检测,将检测数据传输给PLC控制器,再通过程序的逻辑判断,让低温离心泵的变频器执行减低频率的指令,来实现自动停止卸车的控制。

在卸车过程中,操作员无法紧盯屏幕,在气液混合比例增大或温度下降时,不能及时控制卸车频率。为了解决此问题,运用PLC控制器和温度变送器等技术来完成实时监控,代替人工监控,实现安全可靠的控制。随着卸车任务临近结束,气液混合比例也逐步增大,泵前温度呈下降趋势,当泵前温度低于设定温度后,低温离心泵的频率将按照预定计划降低,在该工程应用中,低温离心泵的频率下调分四个阶段进行,直至泵前温度低于最低设定值时,控制系统自动通过逻辑判断,停止低温离心泵的运行。

通过此方法,能够实现低温离心泵的自动停止卸车功能。在实践应用中得到验证并顺利进行了自动停止卸车,大大提高了卸车的安全可靠性,保证了低温离心泵安全可靠的运行,避免了因气液混合比例过大而出现低温离心泵损坏的现象,有效延长了低温离心泵的使用寿命,减少了经济损失。

5 结论及建议

在结合工程经验的前提下,对带低温离心泵的LNG卸车橇装置进行了设计和应用。应用结果表明,当泵前和泵后温度达到-148 ℃以上时,低温离心泵可以启动,通过低温离心泵频率调节,泵前压力控制在0.1 MPa以上,低温离心泵可平稳运行,随着槽车压力的不断提升,低温离心泵频率可以逐步提高,达到设计需要的流速;当泵前温度分别升高至-150、-148、-145 ℃三个阶段数值以上,低温离心泵分别逐步降速,直至停止运行。卸车时间缩短至1.5 h以内,大大提高了卸车效率。带低温离心泵的LNG卸车橇装置的设计实现了低温离心泵的精确控制和LNG槽车的自动卸车功能,提高了储备站的卸车效率以及内地液化储备站的卸车能力和气化能力。该装置在LNG储备站得到了安全应用,也充分证明了该橇装设备的安全性和实用性。该装置满足防爆安全性能的相关要求,有助于推动操作流程的安全设计,降低因卸车能力不足导致无法满足供应的风险,确保罐装现场的安全运行,防止天然气短缺。

带低温离心泵的LNG卸车橇装置在卸车过程中存在一些不足,LNG槽车卸车完成后还有少量的余液留在槽车里。由于对低温离心泵的保护,当泵前出现较大气液混合的比例时,为避免该工况造成的损害,低温离心泵将会提前停止运行,因此卸车结束时,不能将槽车卸完。此问题有待后续完善和解决。

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