孫曉塵，田海星，崔海櫻

（1.北京康吉森過程控制技術(shù)有限公司，北京100012；2.上海阿自倍爾控制儀表有限公司，上海201108）

1 液化天然氣（LNG）及LNG接收站

以甲烷（CH4）為主要成分的天然氣除掉水分、氧化硫、二氧化碳等雜質(zhì)后，當(dāng)在常壓下冷卻至約－160℃時(shí)，由氣態(tài)變成液態(tài)，同時(shí)其體積也會(huì)變?yōu)樵瓉淼?／600，稱為液化天然氣LNG（Liquefied Natural Gas）［1］。LNG儲(chǔ)藏和運(yùn)輸都容易，作為清潔燃料，有利于保護(hù)環(huán)境，減少城市污染，特別滿足現(xiàn)在提出的綠色能源概念。LNG行業(yè)正以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業(yè)之一。

LNG接收站（LNG Terminal），是指儲(chǔ)存液化天然氣并向外輸送天然氣的裝置，包括LNG碼頭、儲(chǔ)罐區(qū)、加壓氣化區(qū)、外輸幾個(gè)部分。江蘇LNG接收站項(xiàng)目，一期規(guī)模為處理LNG 3.5Mt／a，可供氣4.8×109m3／a；二期規(guī)模將增至處理LNG 6.5Mt／a，供氣8.7×109m3／a。遠(yuǎn)期接卸能力將達(dá)10Mt／a，主要接收來自卡塔爾等國家的LNG資源，通過外輸管道與冀寧聯(lián)絡(luò)線和西氣東輸一線聯(lián)網(wǎng)，為江蘇省和西氣東輸調(diào)峰供氣。

2 控制系統(tǒng)簡介

江蘇LNG接收站項(xiàng)目使用I／A Series分散控制系統(tǒng)。I／A采用Mesh網(wǎng)絡(luò)，通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3u／802.1w，傳輸速率100M／1Gbit／s，傳輸介質(zhì)為光纜，傳輸距離2km（多模光纜）、10km（單模光纜）、100km（單模光纜加中繼器）。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有線形、環(huán)形、星形和倒掛樹形，最多可掛1 920個(gè)站／節(jié)點(diǎn)。

該LNG系統(tǒng)采用星形結(jié)構(gòu)，好處在于任一節(jié)點(diǎn)斷開僅對(duì)該節(jié)點(diǎn)有影響，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的設(shè)備沒有任何影響。整個(gè)系統(tǒng)包括4個(gè)控制室，主要設(shè)備包含4臺(tái)工程師站、8臺(tái)操作員站、6對(duì)FCP270控制器。整套系統(tǒng)監(jiān)控LNG的接收、儲(chǔ)存、氣化、外輸?shù)裙に嚵鞒?，如圖1所示。

每個(gè)區(qū)域的工作站都設(shè)置了相應(yīng)的控制權(quán)限。中央控制室的工作站可以控制所有區(qū)域；碼頭控制室內(nèi)工作站只能監(jiān)視，不能進(jìn)行任何操作；槽車控制室內(nèi)工作站只能控制槽車區(qū)域的設(shè)備，對(duì)主工藝區(qū)只能監(jiān)視，不能進(jìn)行操作。

圖1 江蘇LNG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

整個(gè)系統(tǒng)由工藝區(qū)域的根交換機(jī)、碼頭／槽車區(qū)域的邊際交換機(jī)構(gòu)成，它們之間通過1Gbit／s的Uplink口構(gòu)成星形結(jié)構(gòu)；在各個(gè)控制室中的每個(gè)站通過100Mbit／s的通信速率和交換機(jī)相連接；各控制器下掛的I／O卡件通過2Mbit／s的通信速率連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 江蘇LNG DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

3 流程及控制

3.1 接收卸料部分

該項(xiàng)目碼頭由一座工作平臺(tái)（45m×23m），4個(gè)靠船墩（14m×16m），6個(gè)系纜墩（13m×14m）以及人行橋組成。碼頭結(jié)構(gòu)為墩臺(tái)式，全長430m，可接卸LNG船型規(guī)格為（1.45～2.67）×105m3。

3.1.1 卸料臂

碼頭工作平臺(tái)設(shè)置了3個(gè)卸料臂（L－1101A／B／C）來接收LNG，并且設(shè)置了1個(gè)氣相返回臂（L－1102）返回BOG（Boil Off Gas）。設(shè)置氣相返回臂的目的是當(dāng)卸下LNG時(shí)，船艙內(nèi)因液位下降形成負(fù)壓，為保持船艙壓力平衡，岸上返回BOG，使得船艙保持微正壓的狀態(tài)。當(dāng)BOG返回壓力不足時(shí)，開啟回流鼓風(fēng)機(jī)來增加回流量，以滿足船艙壓力需求。

卸船初期，船上開啟噴淋泵，每個(gè)卸料臂流量小于100m3／h，用于預(yù)冷卸料臂和其他設(shè)備，防止急速冷卻對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響，冷卻時(shí)間不少于10min；冷卻完畢后，開始全速卸料，卸料流量1.2×104m3／h。當(dāng)船艙內(nèi)LNG液位較低時(shí)，減緩卸料泵的卸料體積流量，所以卸料泵的卸船體積流量是一條由低到高然后平穩(wěn)，最后降低的曲線。由于在卸料期間會(huì)產(chǎn)生大量的BOG氣體，所以要盡量縮短卸料時(shí)間，減少BOG量，獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

卸料臂／氣相返回臂由液壓驅(qū)動(dòng)，主要是通過現(xiàn)場遙控器及按鈕操作，使之和船上卸船管線順利對(duì)接。

卸料臂／氣相返回臂設(shè)置兩級(jí)緊急停車系統(tǒng)ESD（Emergency Shutdown Device），當(dāng)ESD1觸發(fā)時(shí)，關(guān)閉卸料臂上的雙球閥，卸料管線所有閥門全關(guān)、船上卸料泵停止；ESD2觸發(fā)時(shí)，除了滿足ESD1的觸發(fā)條件，還將觸發(fā)動(dòng)力耦合器（PERC），雙球閥卡鉗打開，脫開卸料臂前端接頭，緊急時(shí)使船岸分離。每次船到港時(shí)都會(huì)分別在岸上及船上進(jìn)行ESD測試，然后再開始卸料，以確保發(fā)生緊急情況時(shí)，能夠在船上和岸上都觸發(fā)ESD，保證卸料時(shí)的安全。

3.1.2 棧橋溫度監(jiān)控

該項(xiàng)目LNG的棧橋長為1.97km，棧橋上設(shè)置了多個(gè)溫度檢測點(diǎn)，用來觀察棧橋管線的溫度，此設(shè)計(jì)對(duì)第一艘船的卸船預(yù)冷管線至關(guān)重要。管線必須逐段按照一定的溫度梯度來預(yù)冷，預(yù)冷的速度過快會(huì)對(duì)管線產(chǎn)生影響，影響其使用壽命。由于棧橋較長，如果每個(gè)電阻溫度探測器RTD（Resistance Temperature Detector）的溫度信號(hào)都由電纜傳輸，則會(huì)因信號(hào)電纜過長對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。為解決此問題，該項(xiàng)目使用MTL多路溫度變送器，它由MTL831B和MTL838B兩個(gè)模塊組成。

MTL831B（變送器模塊）接收現(xiàn)場的RTD信號(hào)，并且轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的總線信號(hào)，每個(gè)MTL831B最多可接收15個(gè)RTD或16個(gè)TC信號(hào)。MTL838B（接收模塊）接收MTL831B傳輸過來的信號(hào)，在其內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且輸出Modbus信號(hào)給DCS。每個(gè)MTL838B最多可以帶2個(gè)MTL831B，MTL831B和MTL838B之間最長距離可以達(dá)到2km。

在現(xiàn)場使用過程中，由于LNG接收站建設(shè)在海邊，潮氣較大，因而放置MTL838B的接線箱必須要有很好的防潮能力和防腐蝕能力。

3.2 儲(chǔ)存部分

該項(xiàng)目已投用2個(gè)儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)罐的罐容為1.6×105m3，設(shè)計(jì)壽命為50a，設(shè)計(jì)表壓為－0.5～29kPa，設(shè)計(jì)溫度為－170～60℃。3號(hào)罐在建，預(yù)計(jì)2012年中期竣工使用。

3.2.1 LNG儲(chǔ)罐

儲(chǔ)罐是用于儲(chǔ)存LNG的設(shè)備，因?yàn)楣迌?nèi)是－160℃以下的LNG，所以對(duì)儲(chǔ)罐的要求不同于普通儲(chǔ)罐。常規(guī)的LNG儲(chǔ)罐分為地上儲(chǔ)罐和地下儲(chǔ)罐，相比于地上儲(chǔ)罐，地下儲(chǔ)罐具有更高的安全性，但是其施工周期較長、投資較高［2］。

該項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐為地上儲(chǔ)罐，采用全容式混凝土穹頂結(jié)構(gòu)，設(shè)置了內(nèi)、外兩個(gè)罐，外罐為混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐為9%Ni鋼，內(nèi)外罐之間填充了保溫材料，并且設(shè)置多處溫度檢測，如：環(huán)隙泄漏監(jiān)測、內(nèi)罐底部冷卻檢測、罐吊頂冷卻檢測和熱角保護(hù)監(jiān)測。

儲(chǔ)罐配置了儲(chǔ)罐管理系統(tǒng)TMS（Tank Manager System），可以對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液位、溫度、密度進(jìn)行監(jiān)測。主要包括2臺(tái)伺服液位計(jì)、1臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)以及1臺(tái)LTD。伺服液位計(jì)不僅參與儲(chǔ)罐低液位報(bào)警相關(guān)聯(lián)鎖，保護(hù)低壓泵，而且與雷達(dá)液位計(jì)共同參與儲(chǔ)罐高液位的聯(lián)鎖，起到保護(hù)儲(chǔ)罐的作用。

罐內(nèi)溫度監(jiān)測儀表有兩種：一種可以測試固定液位下LNG的溫度，此溫度計(jì)在第一次卸料預(yù)冷儲(chǔ)罐時(shí)用于觀察溫度變化，控制預(yù)冷速度。另一種是LTD，它可以測試任何液位下的溫度和密度，作為TMS的核心部件，LTD可以自動(dòng)周期性地對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。由于LNG是混合液體，不同船運(yùn)輸?shù)腖NG密度和組分不同，長時(shí)間靜止后使得重組分下沉，輕組分上浮，產(chǎn)生分層，劇烈時(shí)產(chǎn)生翻滾。當(dāng)翻滾時(shí)，LNG的體積會(huì)瞬間膨脹600倍，罐內(nèi)壓力急劇上升，會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐產(chǎn)生劇烈破壞。所以當(dāng)LNG發(fā)生分層時(shí)，就應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG進(jìn)行處理，使得LNG密度平衡。

3.2.2 低壓泵

每個(gè)儲(chǔ)罐安裝3臺(tái)低壓泵，低壓泵為潛液泵，完全浸沒在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)［3］，當(dāng)滿足一定條件時(shí)才允許啟動(dòng)，此條件包括出口閥開度、儲(chǔ)罐液位、泵井出口閥開度等，這些均在DCS內(nèi)實(shí)現(xiàn)。泵的聯(lián)鎖停機(jī)包括儲(chǔ)罐液位、穿線管壓力、出口流量等，此邏輯在SIS內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且在DCS內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的投入和切除。為了保護(hù)低壓泵，在DCS內(nèi)設(shè)置了重啟限制，防止泵的頻繁啟動(dòng)，見表1所列。

表1 低壓泵重啟限制條件

3.3 BOG處理部分

由于不可避免的管線漏冷和儲(chǔ)罐進(jìn)熱會(huì)造成LNG氣化，因而產(chǎn)生BOG。對(duì)于BOG的處理，LNG接收站采用兩種工藝：BOG壓縮工藝；BOG再冷凝工藝。前者是將BOG壓縮到外輸壓力后直接送至輸氣管網(wǎng)；后者是將BOG壓縮到某一壓力，然后與來自儲(chǔ)罐的LNG在再冷凝器中混合。由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，可使蒸發(fā)氣再冷凝，冷凝后的LNG經(jīng)高壓輸出泵加壓后外輸。前者需消耗大量壓縮功率，而后者可利用LNG冷量，減少壓縮功率的消耗，節(jié)省能量，比前者更先進(jìn)合理［4］。該項(xiàng)目LNG接收站采用的是BOG再冷凝工藝。

當(dāng)試車或零外輸期間，由于高壓泵及其后續(xù)的氣化設(shè)備不能正常開啟，無法提供足夠的過冷LNG和BOG換熱，導(dǎo)致再冷凝器無法正常使用，所以產(chǎn)生的BOG只能通過火炬燃燒，所以外輸量的大小是決定BOG處理量的重要因素。

3.3.1 罐壓控制

BOG的量決定儲(chǔ)罐的壓力，一般罐表壓控制在15kPa以上。由于幾個(gè)儲(chǔ)罐的氣相空間相通，將幾個(gè)罐的罐壓通過DCS處理取最大值，當(dāng)罐壓升高／降低時(shí)，通過DCS增加／減少BOG壓縮機(jī)的臺(tái)數(shù)和負(fù)荷來達(dá)到降低罐壓的目的。由于接收站建在海邊，氣象條件對(duì)儲(chǔ)罐的影響很大，當(dāng)臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)，由于大氣壓的降低，會(huì)造成罐內(nèi)壓力升高3～4kPa，這時(shí)同樣需要增大壓縮機(jī)負(fù)荷來控制罐壓。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力大于一定值時(shí)，通過放空閥和安全閥來確保儲(chǔ)罐的安全。

3.3.2 BOG壓縮機(jī)

BOG壓縮機(jī)采用階躍控制時(shí)，只有25%，50%，75%，100%四個(gè)工作狀態(tài)。機(jī)組本體的啟動(dòng)允許由自帶的可編程邏輯控制器PLC控制；外圍設(shè)備的啟動(dòng)允許由DCS控制；機(jī)組本體的跳車由自帶的PLC控制，如本體的振動(dòng)、溫度、壓力等參數(shù)；外圍的跳車由SIS控制［5］，如儀表風(fēng)壓力、壓縮機(jī)入口緩沖罐液位、公共跳車等；負(fù)荷的增減由DCS控制。

3.3.3 再冷凝器控制

再冷凝器是控制的重點(diǎn)，即作為再冷凝的主要設(shè)備，又作為高壓泵前緩沖罐使用，如圖3所示。再冷凝器控制主要有以下幾個(gè)方面：

圖3 再冷凝器控制

a）NG和LNG的配比。BOG壓縮機(jī)來的NG經(jīng)溫壓補(bǔ)償（FX1）后得到NG的實(shí)際質(zhì)量流量，并計(jì)算得出所需LNG的質(zhì)量流量，作為低壓總管的LNG回路FIC的設(shè)定值，形成比值控制。

b）再冷凝器液位控制。當(dāng)液位過高時(shí)，通過LIC控制NG總管的NG質(zhì)量流量，將再冷凝器的液位控制在一個(gè)正常的范圍內(nèi)。正常時(shí)，LIC控制器的輸出使LCV閥門全關(guān)。

3.4 高壓氣化部分

高壓氣化部分由高壓泵和氣化器組成。氣化器包括兩種：用海水作為熱量交換的開架式氣化器（ORV）；用燃料氣加熱水浴，再通過水和LNG換熱的浸沒燃燒式氣化器（SCV）［6］。

3.4.1 高壓泵

高壓泵是潛液泵，將來自再冷凝器的LNG加壓到一定壓力后送至氣化器。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，高壓泵允許啟動(dòng)，此條件包括出口閥開度、泵井液位，這些均在DCS內(nèi)實(shí)現(xiàn)。泵的聯(lián)鎖停機(jī)包括泵井液位、穿線管壓力、出口流量等，此邏輯在SIS內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且在DCS內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的投入和切除。同樣，在DCS內(nèi)對(duì)高壓泵進(jìn)行重啟限制保護(hù)泵的本體安全。

3.4.2 ORV

ORV是最常用的LNG氣化設(shè)備，以海水為熱介質(zhì)，海水以薄膜狀自上噴淋而下，LNG自下而上氣化為NG，兩者進(jìn)行熱交換。其體積龐大而且需要配置海水系統(tǒng)，投資高，占地面積大，但運(yùn)行成本低廉［7］。該項(xiàng)目采用4臺(tái)海水泵（3用1備）為ORV提供足夠的海水，對(duì)海水的要求：海水中不含金屬Hg2＋和Cu2＋離子，溫度高于5℃，含沙量小于148mg／L［8］。因此，必須保證海水的質(zhì)量，不允許有雜質(zhì)，否則會(huì)堵塞ORV的海水噴淋管，對(duì)ORV造成損害。為控制海水質(zhì)量，在海水泵前設(shè)置攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)來處理海水中的大顆粒浮游物，防止其堵塞海水泵管道。另有電解加氯裝置產(chǎn)生的次氯酸鹽被連續(xù)定量加入海水系統(tǒng)，以防止海水中各種海洋有機(jī)物淤塞海水取水口和海水過濾設(shè)備，避免設(shè)備受損［9］。

在ORV入口安裝1個(gè)控制閥和1個(gè)切斷閥，在ORV啟動(dòng)前切斷閥和控制閥必須全關(guān)。ORV啟動(dòng)時(shí)，先開切斷閥，控制閥必須全關(guān)，此邏輯限制在DCS上實(shí)現(xiàn)，在電磁閥開到位后，緩慢調(diào)節(jié)控制閥以滿足工藝需求。圖4為ORV入口LNG質(zhì)量流量的控制，而PIC的串級(jí)很難投入，原因是如何將外輸管網(wǎng)壓力的設(shè)定合理分配到幾個(gè)使用中的氣化器，這點(diǎn)還需要在后期運(yùn)行中慢慢地摸索。

圖4 ORV控制

3.4.3 SCV

SCV是將燃料產(chǎn)生的氣體以氣泡的形式直接通過水中，將作為傳熱介質(zhì)的水加熱，LNG與水進(jìn)行熱交換。由于燃燒用氣（儲(chǔ)罐的蒸發(fā)氣BOG）的成本較高，因而使用率相對(duì)較低。SCV通過燃燒BOG來獲取熱量，升溫較快，可以應(yīng)對(duì)緊急狀況的發(fā)生。

3.5 外輸部分

加壓氣化后的天然氣經(jīng)過20km的外輸管線至如東分輸站，然后并入西氣東輸管網(wǎng)，為江蘇省和西氣東輸調(diào)峰供氣。如東分輸站主要包括NG過濾和NG計(jì)量兩道工藝流程。NG計(jì)量共有4個(gè)計(jì)量撬，使用超聲波流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)。LNG的結(jié)算方式和其他物質(zhì)結(jié)算方式不同，它是以熱值作為結(jié)算標(biāo)準(zhǔn)，所以需要流量計(jì)算機(jī)和氣相色譜分析儀將流量換算為熱值。

如東分輸站和中央控制室相距20km，而且中央控制室使用的是Foxboro的DCS，如東分輸站使用的Honeywell DCS，在兩種控制系統(tǒng)間使用Modbus通信方式的可行性不高。因此，選用OPC（Object Linking and Embeding（OLE）for Process Control）通信的方式，中央控制室作為OPC主站，如東分輸站作為OPC從站，兩者通過光纜連接，現(xiàn)場實(shí)施過程中效果較好，并且由于開放了OPC權(quán)限，還能夠通過中央控制室去控制如東分輸站的設(shè)備。

4 結(jié)束語

目前，江蘇LNG接收站運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，LNG接收站必將會(huì)總結(jié)出一套適合自身的控制、操作方案，提高接收站的自動(dòng)化控制水平，使得接收站的控制水平更上一個(gè)臺(tái)階，為更多的下游用戶提供更清潔綠色的能源。

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