陳茂峰(國家管網(wǎng)集團深圳天然氣有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

再冷凝工藝是指LNG儲罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG通過壓縮機加壓后進入再冷凝器，與從低壓泵輸出的過冷LNG直接接觸換熱后被冷凝，再由高壓泵加壓輸送至氣化器內(nèi)氣化后外輸?shù)腖NG接收站運行工藝。LNG與BOG在再冷凝器中直接接觸混合傳熱傳質(zhì)，其利用加壓后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG經(jīng)低壓泵增壓后，過冷的LNG與BOG接觸，將BOG冷凝為LNG。再冷凝器在LNG接收站外輸工藝流程中屬于關(guān)鍵設(shè)備，它的平穩(wěn)運行對保證LNG接收站工藝的平穩(wěn)運行來說至關(guān)重要。本文對再冷凝器自動運行的優(yōu)化措施進行探討，該優(yōu)化的成功調(diào)試和運行實現(xiàn)了LNG接收站工藝操作自動化，提高了工藝運行的穩(wěn)定性與LNG接收站的工藝運行安全性，可為國內(nèi)已建、在建LNG接收站的數(shù)字化、智慧化轉(zhuǎn)型、設(shè)計提供了運行和設(shè)計思路及自動控制技術(shù)基礎(chǔ)。

1 深圳LNG再冷凝系統(tǒng)概況

目前，國內(nèi)極少LNG接收站的再冷凝器實現(xiàn)了設(shè)計的自動控制功能，達到自動運行。再冷凝器作為接收站工藝平穩(wěn)控制的核心，也稱為接收站的“心臟”，它的自動運行可以極大的減少操作員的操作強度，提高整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下面以深圳LNG接收站為例，探究如何對壓力及液位的自動參數(shù)進行調(diào)節(jié)，最終達到符合各種工況的自動運行。再冷凝工藝是指LNG儲罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG通過壓縮機加壓后進入再冷凝器，與從低壓泵輸出的過冷LNG直接接觸換熱后被冷凝，再由高壓泵加壓輸送至氣化器內(nèi)氣化后外輸?shù)腖NG 接收站運行工藝。LNG與BOG在再冷凝器中直接接觸混合傳熱傳質(zhì)，其利用加壓后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG經(jīng)低壓泵增壓后，過冷的LNG 與BOG 接觸，將BOG冷凝為LNG。深圳LNG接收站再冷凝器工藝流程示意圖如圖1所示[1]。

圖1 深圳LNG再冷凝器工藝流程圖

深圳LNG再冷凝采用的是BOG與LNG逆流吸收，LNG在填料函上進入，然后BOG壓縮機的BOG由填料函下方進入，達到吸收效果。整體采用的是壓力、液位分開控制，壓力控制是由頂部PCV11203進行控制，液位由底部LCV11200A/B進行控制。

(1)壓力控制。當再冷凝器壓力升高，高于700 kPa時，操作員開大PCV11203開度，使LNG進入的更多，吸收更多的BOG，使再冷凝器壓力降低，反之則關(guān)小PCV11203達到升高壓力的效果，使壓力維持在700 kPa左右。

(2)液位控制。當再冷凝器液位升高，高于設(shè)定值5 000 mm時，操作員關(guān)小LCV11201A/B開度，使LNG流過LCV的更少，再冷凝器液位被高壓泵吸收更多，使再冷凝器液位降低，反之則關(guān)小LCV11200A/B達到提升液位的效果，使液位維持在5 000 mm左右。

但是，手動控制時，壓力及液位就會變化很快，操作員需要一直操作。尤其是啟動生產(chǎn)線的時候，需要操作的控制點更多，需要手動控制的閥門多達8以上，操作員的誤操作率很高，存在跳車風險。為了減少操作員的操作強度及誤操作可能性，必須將再冷凝器投自動，投自動也會提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及安全性[2]。

2 深圳LNG再冷凝器控制系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 PID的作用概述

P產(chǎn)生響應(yīng)速度和力度，過小響應(yīng)慢，過大會產(chǎn)生振蕩，是I和D的基礎(chǔ)。通俗來講，P越大，當工藝值PV與設(shè)定值SP偏差時，閥門變化也就越大。I是積分值，值越小，作用也就越強，I在有系統(tǒng)誤差和外力作用時消除偏差、提高精度，同時也會增加響應(yīng)速度，產(chǎn)生過沖，會產(chǎn)生振蕩。D是微分值，具有可以預(yù)見PV值未來超調(diào)的作用，D值越大，作用越強。D抑制過沖和振蕩，過小系統(tǒng)會過沖，過大會減慢響應(yīng)速度。D的另外一個作用是抵抗外界的突發(fā)干擾，阻止系統(tǒng)的突變。調(diào)節(jié)閥門自動控制采取的為PID控制，比例、積分及微分控制。PID采取湊試法。值得注意的是，該PID調(diào)節(jié)的DCS系統(tǒng)為霍尼韋爾的PKS410系統(tǒng)，PID算法為EQA算法。

2.2 完成PIC-11203的自動模式運行PID初整定

按據(jù)對策方案，啟動一條生產(chǎn)線進行滿負荷調(diào)試，LNG低壓泵、高壓泵、ORV均已滿負荷正常運行，BOG低壓壓縮機75%負荷運行。再冷凝器手動調(diào)節(jié)控制PT11203為700 kPa, LT11201液位為5 000 mm。低壓外輸總管壓力PI-11953始終保證壓力在 1 000 kPa左右。假設(shè)P=0.5，I=0.02，D=0。PIC11203投自動，700 kPa。根據(jù)研究結(jié)果可知前期壓力調(diào)平穩(wěn)后，投為自動，基本能夠自動調(diào)節(jié)平穩(wěn)，但是后面當30 s時，低壓壓縮機提升負荷時，自動調(diào)節(jié)非常久才能調(diào)節(jié)回來，不滿足要求。需要繼續(xù)加大P值。假設(shè)P=1，I=0.02，D=0時，根據(jù)研究結(jié)果可知與第一次比較，BOG低壓壓縮機提升負荷時，壓力升高后，自動調(diào)節(jié)波動一周期調(diào)節(jié)回來，基本滿足要求。但壓力仍升高至725 kPa才回調(diào)，升高的較高。并且回調(diào)后又出現(xiàn)超調(diào)，下降至688 kPa。總體來看，實施效果為已基本達到了可以在無壓縮機負荷調(diào)節(jié)情況自動穩(wěn)定運行，且壓縮機負荷調(diào)節(jié)后，也能在自動模式下回調(diào)成功，時間較長[3]。

2.3 完成PIC-11203的自動模式運行PID精準整定

按據(jù)對策方案，依然先啟動一條生產(chǎn)線滿負荷，LNG低壓泵、高壓泵、ORV均已滿負荷正常運行，BOG低壓壓縮機75%負荷運行。再冷凝器手動調(diào)節(jié)為PT11203為700 kPa，液位為5 000 mm。當加入D值，設(shè)置P=1，I=0.02，D=9。以增加調(diào)節(jié)的預(yù)見性。根據(jù)研究結(jié)果可知，較上一次的曲線，BOG低壓壓縮機提升負荷時，壓力升高后，自動調(diào)節(jié)波動至僅713 kPa便調(diào)節(jié)回來，并且回調(diào)后沒有超調(diào)，僅降低至698 kPa。已完全滿足控制要求。且此時PT11953波動也不大。至此，壓力自動控制PID調(diào)試已完成。通常情況下，D微分僅對操作有延遲效果的參數(shù)才明顯有效，對溫度、壓力這類屬于操作反應(yīng)快的參數(shù)，一般不設(shè)置D微分；但是，再冷凝器的壓力參數(shù)有一定的特殊性，它的壓力是需要根據(jù)液化工藝進行調(diào)控，操作PCV閥是并不能馬上將再冷凝器壓力改變，有一定的延遲，故需要加上微分D。從整體來看，實施效果為完全達到PIC-11203在BOG低壓壓縮機負荷調(diào)整工況下的自動調(diào)節(jié)且平穩(wěn)運行。對上下游工藝工況及再冷凝器壓力、液位均沒有過度的波動[4]。

2.4 完成LIC11201分程控制LCV11200A/B設(shè)置

依據(jù)對策方案，因LCV11200A/B為雙閥，LCV11200A閥門管徑為DN300，LCV11200B閥門管徑為DN100，兩個閥門的開關(guān)控制均以LT11201為控制信號，自動控制設(shè)計原理是LCV11200B先開啟100%后，才啟動開啟LCV11200A其為分程迭層控制。由于兩個閥門管徑不一致，如果設(shè)置LIC11201的OP值0～50%控制LCV11200B，50%～100%控制LCV11200A，則會導(dǎo)致LIC在LCV11200A開啟后，控制失衡。要克服這個問題，必須將分程的設(shè)定點進行一定的設(shè)置，使LCV11200A與LCV11200B分別動作控制時，LIC11201的PID參數(shù)控制都能適應(yīng)。經(jīng)過多次嘗試，終于找到分程迭層的合適控制點。當LIC11201的 OP值在-6%～20% 時，LCV11200B閥對應(yīng)0～100%開度；而LIC11201的OP值在20%～100%時，LCV11200A閥對應(yīng)0～100%開度，實現(xiàn)LIC11201對 LCV11200A/B閥進行自動分程迭層控制。LCV11200A與LCV11200B速度比為1.25∶3.846。具體如圖2所示[5]。

圖2 兩種開度曲線對比

根據(jù)實施效果可知，通過觀察LI-11201的液位計，驗證LCV11200A及LCV11200B的速度比。LCV11200A關(guān)閉1%時，若要保持LI-11201穩(wěn)定不變，則LCV11200B需要開大3%左右。這就說明了LCV11200A與LCV11200B的速度比1.25∶3.846接近1∶3這個比例是合理的。也就能保證在LIC11201投為自動運行時，一套PID控制參數(shù)能夠分程迭層控制這兩個LCV閥。

2.5 完成LIC-11201的自動控制模式運行PID精準整定

依據(jù)對策方案，結(jié)合前面1、2、3的實施步驟，整定出LIC11201的PID參數(shù)。這里不做贅述。LIC11201的PID 值：P=0.2，I=0.05，D=65。設(shè)定值在正常生產(chǎn)工藝工況下控制在4 000～5 000 mm。根據(jù)實施效果可知，通過生產(chǎn)線運行LIC-11201投為自動，LI-11201能夠在生產(chǎn)線啟停時，達到自動控制效果，并且波動不超過100 mm。

3 深圳LNG再冷凝系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

調(diào)節(jié)完成PID參數(shù)設(shè)置后，將要進行不同數(shù)量的生產(chǎn)線實測，深圳進行了全負荷測試，由一條生產(chǎn)線加量至六條生產(chǎn)線，并收集數(shù)據(jù)，整理分析。2條生產(chǎn)線運行監(jiān)測曲線如圖3所示(再冷凝器液位設(shè)定：5 000 mm，壓力設(shè)定：700 kPa)，由此可以看出再冷凝器液位和壓力運行時趨于穩(wěn)定，期間微調(diào)節(jié)外輸量時也未見波動[6]。

圖3 2條生產(chǎn)線運行監(jiān)測曲線

4 結(jié)語

通過生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)分析，再冷凝器在1條氣化生產(chǎn)線至設(shè)計最大負荷量6條工況下，已實現(xiàn)其液位、壓力的自動控制運行。達到在調(diào)節(jié)BOG低壓壓縮機負荷、啟停機，加減生產(chǎn)外輸量負荷及啟停生產(chǎn)線時，再冷凝器的PI-11203控制精度在10 kPa內(nèi)，LI-11201控制精度在100 mm內(nèi)，其自動控制精度及工況運行的平穩(wěn)性高于第一家已投用自動運行的接收站，生產(chǎn)運行中已幾乎不用操作員進行干預(yù)。通過此次研究取得以下成果：(1)實現(xiàn)LNG接收站工藝操作自動化，提高工藝運行的穩(wěn)定性。再冷凝器是LNG接收站運行控制的中心點，它的運行穩(wěn)定直接關(guān)系到整個接收站工藝的穩(wěn)定運行。其液位及壓力自動運行后，工藝參數(shù)趨于穩(wěn)定，啟停生產(chǎn)線時，能夠很快速的自動調(diào)節(jié)穩(wěn)定，極大提高了LNG接收站的運行穩(wěn)定性和操作效率。(2)提高LNG接收站的工藝運行安全性。根據(jù)LNG接收站保護層級分析可知，過程控制及基本過程控制系統(tǒng)在“洋蔥”模型保護層內(nèi)部級別，當工藝發(fā)生異常工況時，再冷凝器具備最初始最先調(diào)整的響應(yīng)，當響應(yīng)及時穩(wěn)定時，可減少工藝的跳車率，避免工藝運行往更外部的保護層發(fā)展。(3)為LNG接收站再冷凝器自動運行提供范例。深圳LNG接收站再冷凝器的自動運行成功應(yīng)用，為其他接收站的再冷凝器自動運行提供了很好的參考范例，將會有越來越多的接收站能夠?qū)⒃倮淠魍稙樽詣印?4)為國內(nèi)已建、在建LNG接收站的數(shù)字化、智慧化轉(zhuǎn)型、設(shè)計及將來設(shè)計一鍵啟動運行模式提供了運行和設(shè)計思路及自動控制技術(shù)基礎(chǔ)。減少DCS操作員的操作強度、提升了操作的可靠性，有效降低誤操作的可能性。