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第 4 8卷第 2 期 2 0 1 2 年 4 月 石油化工自动化 AUT M ATI ON I N PE TR _ CHEM I CAL I NDUS TRY Vo 1 . 4 8,No . 2 Ap r i 1 .2 0 1 2 液化天然气接收站中的 自动控制 孙晓尘1 , 田海星1 , 崔海樱 1 .北京康吉森过程控制技术有限公司, 北京 1 0 0 0 1 2 ; 2 .上海阿自倍尔控制仪表有限公司, 上海 2 0 1 1 0 8 摘要 介绍了液化天然气 L N G 的特点以及 L N G接收站的情况; 结合江苏 L N G接收站工程, 详细阐述了L N G接收站在接收 卸料 、 储存 、 B O G处理 、 高压气化 、 外输部分等主体工艺 流程 ; 分析 了卸料臂 , 高 / 低 压泵 , 储罐 , 再 冷凝器 , ORV, S C V等 主要设 备 的特性 ; 结合各个工艺流程和设备讨论了其 自动控 制系统 的应用 和主要 的控制 。 关键词 液化天然气接收站分散型控制系统控制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号i 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 2 0 2 0 0 2 7 ~ 0 5 Au t o ma t i c Co n t r o l i n Li qu e f i e d Na t u r a l Ga s Re c e i v i n g St a t i o n S u n Xi a o c h e n ,Ti a n Ha i x i n g ,Cu i Ha i y i n g 1 .B e i j i n g C ONS E N E n g i n e e r i n g C o n t r o l Te c h n o l o g y C o .L t d . , B e i j i n g ,1 0 0 0 1 2 , C h i n a ; 2 .S h a n g h a i AZ BI L Au t o ma t i o n Co .Lt d . ,S h a n g h a i ,2 0 1 1 0 8,Ch i n a Ab s t r a c t Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f l i q u e f i e d n a t u r a I g a s I NGa n d t h e s t a t u s o f L NG s t a t i o n a r e p r e s e n t e d .C o mb i n e d wi t h J i a n g s u L NG r e c e i v i n g s t a t i o n p r o j e c t ,t h e ma i n p r o c e s s e s s u c h a s r e c e i v i n g , u n l o d i n g, s t o r a g e , BOG p r o c e s s i n g, h i g h p r e s s u r e g a s i f i c a t i o n a n d e x t e r n a l t r a n s p o r t a t i o n ,a s we l l a s ma j o r e q u i p me n t s u c h a s u n l o a d i n g a r m,h i g h / l o w p r e s s u r e p u mp , s t o r a g e t a n k.c o n d e n s e r 。ORV a n d S CV i n t h e LNG s t a t i o n a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l . Th e a p p l i c a t i o n o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m a n d ma i n c o n t r o l a r e d i s c u s s e d c o mb i n g wi t h i n d i v i d u a l p r o c e s s a n d e q u i p me n t . Ke y wo r d s LNG Te r mi n a l ;DC S;c o n t r o l 1 液化天然气 L N G 及 L N G接收站 以甲烷 CH 为主要成分的天然气除掉水分、 氧化硫、 二氧化碳等杂质后, 当在常压下冷却至约 一 1 6 0℃时 , 由气态变成液态 , 同时其体 积也会变 为原来的 1 / 6 0 0 , 称为液化天然气 I . NG L i q u e f i e d Na t u r a l Ga s l l 。L NG储藏 和运输 都容 易, 作 为 清洁燃料 , 有利于保护环境 , 减少城市污染 , 特别满 足现在提出的绿色能源概念。L NG行业正以每年 约 1 2 的高速增长 , 成 为全球增 长最 迅猛 的能源 行业之一 。 L NG接收站 L NG Te r mi n a 1 ,是 指储存 液 化天然气并向外输送天然气的装置 , 包括 L NG码 头、 储 罐 区 、 加 压 气 化 区、 外 输 几 个 部 分。江 苏 L NG 接 收 站 项 目,一 期 规 模 为 处 理L NG 3 . 5 Mt / a , 可供气 4 . 8 1 0 m。 / a ; 二期规模将增至 处理 L NG 6 . 5 Mt / a , 供气 8 . 7 1 0 。m。 / a 。远期 接卸能力将达 1 0 Mt / a , 主要 接 收来 自卡 塔尔等 国家的 L NG资源 , 通 过外 输管 道 与冀 宁联 络线 和西气东输一线联 网 , 为江苏省和 西气东输调峰 供 气 。 2 控制系统简介 江苏 L NG接 收站项 目使 用 I / A S e r i e s分散 控制 系统。I / A 采用 Me s h网络, 通信标 准 I E E E 8 0 2 . 3 u / 8 0 2 . 1 w, 传输速率 1 0 0 M/ 1 G b it / s , 传输介 质为光缆, 传输距离 2 k m 多模光缆 、 1 0 k m 单模 光缆 、 1 0 0 k m 单模光缆加中继器 。网络结构可 有线形、 环形 、 星形和倒挂树形, 最多可挂 1 9 2 0 7 该 L NG系统采用星形结构 , 好处在 于任一节 点断开仅对该节点有影响, 对其他节点的设备没有 任何影响。整个系统包括 4个控制室 , 主要设备包 含 4台工程师站 、 8台操作员站 、 6对 F C P 2 7 0控制 器。整套系统监控 L N G的接收、 储存、 气化、 外输 等工艺流程 , 如图 1 所示。 每个区域 的工作站都设置了相应的控制权限。 稿件收到 日期 2 0 1 1 ~1 l O 9 , 修改稿收到 日期 2 0 1 2 0 1 ~ 0 6 。 作者简介 孙晓尘 1 9 8 4 , 男, 2 0 0 6 年毕业于华东理工大学信息 科学与工程学院 自动化专业 , 一直从事 D CS方面工作 。 以 个 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 石油化工 自动化 第 4 8卷 中央控制室的工作站可以控制所有 区域 ; 码头控制 室内工作站只能监视 , 不能进行任何操作 ; 槽车控 制室内工作站只能控制槽车区域的设备, 对主工艺 区只能监视 , 不能进行操作 。 O P C S e r v e r臻 矮 骶 骶 骶 一 l B { B } B l B ~A B 1 B B B F hl l fi ll A 塑 嚣 。I m啊 m m. .1l 昌瞄 l M / A S E R I E S A 2 E S H N E T W O R K 1 51 . 1 2 8 - 81 | 1 1 5 1 . 1 2 8 . 81 . 2 A l B A 』 B A B Al B l J S CP 0I l J S CP 0 2 J S CP0 3 』HS CP O 海水取水控制 I 翟 冀 墨 _ 皇 I m ; 宣 暑器薯 I l m n m m m m m l u 茗 l l l l N N N I m m m m m 码头控制室 图 1 江苏 L NG 系统结 构示 意 整个 系统由工艺区域 的根交换机、 码头/ 槽车 区域的边际交换机构成 , 它们之间通过 1 G b i t / s 的 Up l i n k E l 构成星形结构 ; 在各个 控制室 中的每 个站通过 1 0 0 Mb i t / s的通 信速率 和交换机 相连 接 ; 各控制器下挂 的 I / O卡件通过 2 Mb i t / s的通 信速率连接 。网络结构如图 2 所示。 根 交换 机 中 控 室 I l 1 0 0 M b it / s l 1 0 0 M b it / s l 1 G b it / s 控 制 器 F c P 2 7 o 『 f工 程 师 站 / 操 作 员 站 l l 边 际 交 换 机 码 头 / 槽 车 l 2 M b it / s l 1 0 0 M b it / s l 1 / O - , {tb F B M l l 控 制 器 F c P 2 7 0 工 程 师 站 / 操 作 员 站 I - ’ 女_r 口 l -M b it / s ● 遗 1 吾进毕小 同 I / 0卡件 F BM 第三方通信 i 根据不同系 统通信速率不同 第三 方通信 图 2 江苏 L NG D C S网络 结构 示意 3 流程及控制 3 . 1 接收卸料部分 该项 目码头 由一座工作平台 4 5 m2 3 m , 4 个靠船墩 1 4 m1 6 m , 6个系缆墩 1 3 mX1 4 m 以及人行桥组成。码头结构为墩台式 , 全长4 3 0 m, 可接卸 L NG船型规格为 1 . 4 5 ~2 . 6 7 1 0 。 3 . 1 . 1 卸料臂 码头工作平 台设置了 3个卸料臂 L一1 1 0 1 A/ B / C 来 接收 L NG, 并且设置 了 1个气相返 回臂 I 一 1 1 0 2 返 回 B OG B o i l O f f Ga s 。设 置气相返 装车控制室 回臂 的目的是当卸下 L NG时, 船舱 内因液位 下降 形成负压 , 为保持船舱压力平衡 , 岸上返 回 B O G, 使得船舱保持微正压 的状 态。当 B OG返 回压力 不足时 , 开启回流鼓风机来增加 回流量 , 以满足船 舱压力需求。 卸船初期 , 船上开启喷淋泵, 每个卸料臂 流量 小于 1 0 0 m。 / h , 用于预冷卸料臂和其他设备 , 防止 急速冷却 对设备产 生影 响, 冷却 时间不少 于 1 0 rai n ; 冷 却 完 毕后 , 开 始 全 速 卸 料, 卸 料 流 量 1 . 2 1 O / h 。 当船舱内 L NG液位较低时 , 减缓卸 料泵的卸料体积流量, 所以卸料泵的卸船体积流量 是一条由低到高然后平稳, 最后降低的曲线。由于 在卸料期间会产生大量的 B O G气体, 所以要尽量缩 短卸料时问, 减少 B O G量 , 获取更大的经济效益。 卸料臂/ 气相返 回臂 由液压驱动 , 主要是通 过 现场遥控器及按钮操作 , 使之和船上卸船管线顺利 对接。 卸料臂/ 气相返 回臂设置 两级紧急停车 系统 E S D E me r g e n c y S h u t d o wn D e v i c e , 当 E S D 1触 发时 , 关闭卸料臂上 的双球阀, 卸料管线所有 阀门 全关、 船上卸料泵停止; E S D 2触发时, 除了满足 E S D 1 的触发条件, 还将触发动力耦合器 P E R C , 双球阀卡钳打开, 脱开卸料臂前端接头 , 紧急时使 船岸分离。每次船到港时都会分别在岸上及船上 进行 E S D测试, 然后再开始卸料, 以确保发生紧急 情况时 , 能够在船上和岸上都触发 E S D, 保证卸料 时的安全 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 孙晓尘等.液化天然气接收站中的 自动控制 3 . 1 . 2 栈桥温度监控 该项 目L NG的栈桥长为 1 . 9 7 k m, 栈桥上设 置了多个温度检测点 , 用来观察栈桥管线 的温度 , 此设计对第一艘船 的卸船预冷管线至关重要 。管 线必须逐段按照一定的温度梯度来预冷 , 预冷的速 度过快会对管线产生影 响, 影响其使用寿命。由于 栈 桥 较 长 , 如 果 每 个 电 阻 温 度 探 测 器 RT D Re s i s t a n c e Te mp e r a t u r e De t e c t o r 的温度信号都 由电缆传输, 则会因信号电缆过长对信号产生影 响。为解决此问题 , 该项 目使用 MTL多路温度变 送 器 , 它 由 MTL 8 3 1 B 和 MT L 8 3 8 B 两 个 模 块 组 成 。 MTI 8 3 1 B 变送器模块 接 收现场 的 R TD信 号 , 并且转换为 内部的总线信号 , 每个 MT I N3 1 B最 多可接收 1 5个 R T D或 1 6个 T C信号。MT I 3 8 B 接收模块 接收 MT L 8 3 1 B传输过来的信号, 在其 内部进行转换, 并且输出 Mo d b u s 信号给 I C S 。每 个 MTL 8 3 8 B最多可以带 2个 MT 3 1 B, MT L 8 3 1 B 和 MTL 8 3 8 B之问最长距离可以达到 2 k m。 在现场使用过程 中, 由于 L NG接收站建设在 海边 , 潮气较大 , 因而放置 MT L 8 3 8 B的接线箱必 须要有很好 的防潮能力和防腐蚀能力。 3 . 2 储存部分 该项 目已投用 2个储罐 , 每个储罐 的罐容 为 1 . 6 1 0 m。 , 设 计 寿 命 为 5 0 a , 设 计 表 压 为 -- 0 . 5 ~2 9 k P a , 设计温度为一1 7 0 --6 0℃。3号罐 在建 , 预计 2 0 1 2年中期竣工使用。 3 . 2 . 1 L NG储罐 储罐是用于储存 L N G 的设备, 因为罐 内是 一 1 6 0℃以下 的 L NG, 所 以对储 罐的要求不 同于 普通储罐。常规 的 L NG储罐分为地 上储罐和地 下储罐 , 相比于地上储罐 , 地下储罐具有更高的安 全性 , 但是其施工周期较长、 投资较高 ] 。 该项 目L NG储罐为地上储罐 , 采用全容式} 昆 凝 土穹顶结构, 设置了内、 外两个罐, 外罐为混凝土结 构 , 内罐为 9 Ni 钢 , 内外罐之间填充了保温材料 , 并且设置多处温度检测 , 如环隙泄漏监测、 内罐底 部冷却检测、 罐吊顶冷却检测和热角保护监测。 储 罐 配 置 了 储 罐 管 理 系 统 TMS T a n k Ma n a g e r S y s t e m , 可以对储罐 内液位、 温度 、 密度 进行监测 。主要包括 2台伺服液位计 、 1台雷达液 位计 以及 1台 L TD。伺服液位计不仅参与储罐低 液位报警相关联锁 , 保护低压泵 , 而且 与雷达液位 计共同参与储罐高液位的联锁, 起到保护储罐的 作用 。 罐内温度监测仪表有两种 一种可以测试固 定液位下 L NG的温度, 此温度计在第一次卸料预 冷储罐时用于观察温度变化 , 控制预冷速度。另一 种是 L TD, 它可以测试任何液位下的温度和密度 , 作为 TMS的核心部件 , L TD可以自动周期性地对 储罐内 L NG状态进行监测 。由于 L N G是混合液 体 , 不 同船运输 的 L NG密度和组分 不同, 长时 问 静止后使得重组分下沉 , 轻组分上浮, 产生分层 , 剧 烈时产生翻滚。当翻滚时 , L NG的体积会 瞬间膨 胀 6 0 0倍 , 罐 内压力急剧上升 , 会对储罐产生剧烈 破坏。所 以当 L NG发 生分层 时 , 就应对储 罐 内 L NG进行处理, 使得 L NG密度平衡 。 3 . 2 . 2 低压泵 每个储罐安装 3台低压泵 , 低压泵为潜液泵 , 完全浸没在 L NG储罐 内 , 当满足一定条件时才 允许启动, 此条件包括出口阀开度 、 储罐液位 、 泵井 出口阀开度等, 这些均在 DC S内实现 。泵的联锁 停机包括储罐液位 、 穿线管压力、 出 口流量等, 此逻 辑在 S I S内实现 , 并且在 D C S内可以实现联锁的 投入和切除。为 了保护低压泵 , 在 D C S内设置 了 重启限制, 防止泵的频繁启动, 见表 1 所列。 表 1 低压泵重启 限制条件 液工 况 一 兰 1 / m 第 1 次 第 2次 第 3 次 第 4次 第 5 次 3 . 3 B OG处理部分 由于不可避免的管线漏冷和储罐进热会造成 L NG气化 , 因而产生 B OG。对 于 B OG 的处理 , L NG接收站采用两种工艺 B OG压缩工艺 ; B 0G 再冷凝工艺 。前 者是将 B O G压缩 到外输压力后 直接送至输气管网; 后者是将 B O G压缩到某一压 力 , 然后与来 自储罐 的 L NG 在再冷凝器 中混合。 由于 I . NG加压后处于过冷状态 , 可使蒸发气再冷 凝 , 冷凝后的 L NG经高压输出泵加压后外输。前 者需 消耗大量 压缩功率 , 而后者 可利用 L NG 冷 量, 减少压缩功率的消耗 , 节省能量 , 比前者更先进 合理 J 。该项 目 L NG接收站采用的是 B OG再冷 凝工艺。 当试车或零外输期间, 由于高压泵及其后续 的 气化设备不能正常开启, 无法提供足够的过冷 L NG和 B O G换热 , 导致再冷凝器无法正常使用, 所 以产生的 B OG只能通过火炬燃烧 , 所以外输量 的大小是决定 B O G处理量的重要因素。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 石油化工自动化 第 4 8 卷 3 . 3 . 1 罐压控制 B O G的量决定储罐的压力 , 一般罐 表压控制 在 1 5 k P a以上。由于几个储罐 的气相空间相通 , 将几个罐的罐压通过 D C S处理取最大值 , 当罐压 升高/ 降低时 , 通过 D C S增加/ 减少 B OG压缩机的 台数和负荷来达到降低罐压的 目的。由于接收站 建在海边 , 气象条件对储罐 的影响很大 , 当台风来 临时, 由于大气压的降低, 会造成罐内压力升高3 ~ 4 k P a , 这时 同样需要增大压缩机负荷来控制罐压 。 当储罐压力大于一定值时, 通过放空阀和安全阀来 确保储罐的安全。 3 . 3 . 2 B O G压 缩机 B O G压 缩 机 采 用 阶 跃 控 制 时 , 只有 2 5 , 5 0 , 7 5 , 1 0 0 四个工作状态。机组本体的启动 允许由 自带的可编程逻辑控制器 P L C控制 ; 外 围 设备的启动允许 由 D C S控制 ; 机组本体的跳车 由 自带的 P L C控制 , 如本 体的振动 、 温度 、 压力等参 数 . 夕 围的跳车 由 S I S控制 J , 如仪表风压力、 压缩 机入 口缓 冲罐液位 、 公共跳 车等 ; 负荷 的增减 由 D C S控制。 3 . 3 . 3 再冷凝器控制 再冷凝器是控制的重点, 即作为再冷凝的主要 设备 , 又作为高压泵前缓冲罐使用 , 如 图 3所示 。 再冷凝器控制主要有 以下几个方面 图 3 再 冷凝 器控制 a NG和 L NG的 配 比。B OG压 缩机 来 的 NG经温 压补 偿 F X1 后得 到 NG 的实 际质 量 流量, 并计算得出所需 L N G的质量流量, 作为 低压总管 的 L NG回路 F I C的设定值 , 形成 比值 控制 。 b 再冷凝器液位控制 。当液位过高时, 通过 L I C控制 NG总管的 NG质量流量, 将再冷凝器 的 液位控制在一个正常的范围内。正常时, L I C控制 器的输出使 L C V阀门全关。 3 . 4 高压气化部分 高压气化部分 由高压泵和气 化器组成。气化 器包括两种 用海水作为热量交换 的开架式气化 器 O R V ; 用燃料气加热水浴 , 再通过水和 L NG 换热的浸没燃烧式气化器 S C V L 6 j 。 3 . 4 . 1 高压泵 高压泵是潜液泵, 将来 自再冷凝器的 L N G加压 到一定压力后送至气化器。当满足一定条件时, 高压 泵允许启动, 此条件包括出口阀开度 、 泵井液位, 这些 均在 D C S内实现。泵的联锁停机包括泵井液位、 穿 线管压力、 出 口流量等, 此逻辑在 S I S内实现, 并且 在 DC S内可 以实现联锁 的投入和切除。同样 , 在 I T F S内对高压泵进行重启限制保护泵的本体安全。 3 . 4 . 2 ORV OR V是最常用 的 L NG气化设备 , 以海水 为 热介质 , 海水以薄膜状 自上喷淋而下 , L NG 自下而 上气化为 NG, 两者进行热交换 。其体积庞大而且 需要配置海水系统 , 投资高, 占地面积大 , 但运行成 本低廉 。该项 目采用 4台海水泵 3用 1备 为 OR V提供足够 的海水 , 对海水 的要求 海水 中不 含金属 Hg 抖和 C u 离子 , 温度高于 5℃, 含沙量 小于 1 4 8 mg / L __ 8 J 。因此, 必须保证海水 的质量 , 不 允许有杂质 , 否则会堵塞 OR V 的海水喷淋管 , 对 0 RV造成损害。为控制海水质量 , 在海水泵前设 置拦污栅、 旋转滤 网来处理海水 中的大颗粒浮游 物 , 防止其堵塞海水泵管道。另有电解加氯装置产 生的次氯酸盐被连续定量加入海水系统 , 以防止海 水中各种海洋有机物淤塞海水取水 口和海水过滤 设备 , 避免设备受损 J 。 在 O RV入口安装 1个控制阀和 1个切断 阀, 在 OR V启动前切断阀和控制 阀必须全关 。0 RV 启动时, 先开切断阀, 控制阀必须全关 , 此逻辑限制 在 D CS上实现, 在电磁阀开到位后 , 缓慢调节控制 阀以满足工艺需求。图 4为 OR V人 口 L NG质量 流量的控制 , 而 P I C的串级很难投入 , 原因是如何 将外输管网压力的设定合理分配到几个使用 中的 气化器 , 这点还需要在后期运行 中慢慢地摸索。 r ⋯ ⋯ ⋯ 一 I ; F CV 图 4 OR V 控制 一 .. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 孙晓尘等.液化天然气接收站中的自动控制 3 . 4 . 3 S V S C V是将燃料产生的气体以气泡的形式直接通 过水中, 将作为传热介质的水加热, L N G与水进行热 交换 。由于燃烧用气 储罐的蒸发气 B 0 G 的成本较 高, 因而使用率相对较低。S C V通过燃烧 B O G来获 取热量 , 升温较快 , 可以应对紧急状况的发生 。 3 . 5 外输部分 加压气化后的天然气经过 2 0 k m的外输管线 至如东分输站, 然后并入西气东输管 网, 为江苏省 和西气东输调峰供气。如东分输站主要包括 N G 过滤和 NG计量两道 工艺流程 。NG计 量共 有 4 个计 量 撬 , 使 用 超 声 波 流 量 计 和 流 量计 算 机。 I . N G的结算方式和其他物质结算方式不同, 它是 以热值作为结算标准 , 所 以需要流量计算机和气相 色谱分析仪将流量换算为热值。 如东分输站和中央控制室相距 2 O k m, 而且 中 央控制室使用的是 F o x b o r o的 D C S , 如东分输站 使用 的 Ho n e y we l l DC S , 在两种控 制系统 间使用 Mo d b u s 通信方式的可行性不高。因此 , 选用 OP C Ob j e c t L i n k i n g a n d E mb e d i n g OL E f o r P r o c e s s C o n t r o 1 通信的方式 , 中央控制室作为 OP C主站 , 如东分输站作为 OP C从站 , 两者通过光缆连接 , 现 场实施过程 中效果较好 , 并且 由于开放 了 OP C权 限 , 还能够通 过中央控制室 去控 制如东分输 站 的 设备 。 4 结束语 目前 , 江苏 L NG接 收站 运行平稳 , 各项指标 达到设计要求 。随着运行时间的增加 , L NG接收 站必将会总结出一套适合 自身的控制、 操作方 案 , 提高接收站的 自动化控制水平, 使得接收站 的控制水平更上一个 台阶, 为更多 的下游用户提 供更清洁绿色的能源 。 参 考文献 [1 ] 顾 安 忠. 液化 天 然气 技 术 E M] . 北 京 机 械 工业 出版社 , 2 0 0 3 . [ 2 ] 中国石油唐山液化天然气项目经理部. 液化天然气 L N G 接收站重要 设备材料手 册[ M] . 北京 石 油工业 出版 社 , 2 0 0 7 . [ 3 ] 王遇东. 天然气处理原理与工艺[ M] . 北京 中国石化出版 社 , 2 0 1 1 . [ 4 ] 王红, 白改玲, 李艳辉, 等. L N G接收站流程模拟计算[ J ] . 天 然气工业 , 2 0 0 7 , 2 7 1 1 1 0 8 1 0 9 . [ 5 ] 尹清党. B O G压缩机在 L N G接收站的应用E J ] . 压缩机技 术 , 2 0 0 9 O 6 3 5 3 9 . [ 6 ] 杜光能. L N G终端接收站工艺及设备 [ J ] . 天然气工业, 1 99 9, 1 9 0 5 8 2 86 . 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