超大型液化石油氣船再液化裝置控制設計

楊 森，范 璠，張明耀

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

再液化裝置是超大型液化石油氣船（Very Large Gas Carrier, VLGC）全冷式運輸的核心部件，其基本理念是抽取液貨罐中的蒸氣（蒸氣既可在液貨吸收周圍環境的熱量時產生，也可能在裝載閃發氣體和置換氣體時產生），將其壓縮、冷凝至液態并輸送至液貨罐中。

若液貨罐不停地吸收熱量，再液化裝置能以相同的速率帶走液貨罐中的熱量（這是抽取蒸氣返回冷凝液體的一種效果），則液貨罐中的溫度和壓力會保持在一個恒定的范圍內。若再液化裝置帶走熱量的速率比吸收的快，則液貨罐中液貨的溫度和壓力會下降，即液貨會冷卻；反之，若再液化裝置帶走熱量的速率比吸收的慢，則罐中液貨的溫度和壓力會升高。因此，當VLGC運輸液貨時，液貨的壓力和溫度會通過再液化裝置來維持[1-2]。

目前國內再液化裝置生產廠家的技術水平參差不齊。對此，本文結合國外的石油氣壓縮再液化冷卻系統工藝流程，對其再液化裝置的控制功能進行分析，為后續再液化裝置的控制設計提供參考。

1 再液化裝置的組成和工作模式

VLGC上配備的再液化裝置通常屬于直接循環式，該裝置可分為單級壓縮制冷、多級壓縮制冷和復疊式制冷等3種[1-3]。VLGC裝載的液貨在正常大氣壓下的飽和溫度最低約為-52℃，故貨物蒸氣的液化可通過多級壓縮制冷的方式實現。多級壓縮制冷的再液化裝置一般由蒸氣抽吸分離器、壓縮機、冷凝器、冷卻器和集液器等部件組成。有時為在不增加能耗的前提下提升單臺再液化裝置的制冷效果，可考慮配置多個冷卻器和集液器，并利用閥門的通斷，形成不同的管路制冷循環，從而達到節能增效的目的。再液化裝置的基本硬件組成和工作原理見圖1[4]，其中：經濟器和排氣冷卻器均起冷卻器作用；冷凝集液器和排氣分離器均起集液器的作用。根據實際的應用需求，可對這些部件和部件間的管路連接進行設置，例如設置壓縮機的壓縮級數、經濟器和排氣冷卻器的工作模式、冷凝集液器和排氣分離器的出口閥控等。這些設置有不同的組合方式，使得再液化裝置整體上呈現出高效制冷、貨物冷凝強制回罐和貨物冷凝凈化等3種工作模式，每種模式又對應多種工藝流程。再液化裝置在不同模式下典型的工藝流程見圖2～圖4[4]。

圖1 再液化裝置的基本硬件組成和工作原理

圖2 再液化裝置在三級壓縮高效制冷模式下典型的工藝流程

圖3 再液化裝置在三級壓縮貨物冷凝強制回罐模式下典型的工藝流程

圖4 再液化裝置在三級壓縮貨物冷凝凈化模式下典型的工藝流程

在貨物控制站內的貨控臺上設立人機交互界面（Human Machine Interface, HMI），實現對再液化裝置的監控，例如有設備狀態及報警顯示、系統參數設定和工作模式選擇（見表1）等，其中一些重要的控制必須由授權人員通過安全訪問系統實現。

表1 工作模式的選擇

2 再液化裝置的工藝流程控制

對再液化裝置的控制既包括對各組件及其輔助設備的控制，又包括對不同組件間關聯的控制，二者有機結合，形成一個完整的工藝流程控制系統，監測目標物質的溫度、壓力、液位和流量等并做出合理的響應動作，使再液化裝置能安全、穩定、高效地運行。

2.1 蒸氣抽吸分離器

當貨罐中的液體維持在飽和沸點溫度時，再液化壓縮機組會抽取貨罐中的蒸氣，此前管路會經過一個氣液分離器，分離蒸氣中夾帶的液滴，防止液體進入壓縮機組。這些分離出來的液體會聚集到分離器底部的接液槽內，其中配有一個液位開關，當檢測到液位過高時，會觸發報警并使對應的壓縮機停止運行。因此，需定期排放蒸氣抽吸分離器中的液體，利用就地按鈕站或 HMI操控液壓驅動閥實施手動排放，或在HMI上設置自動模式進行排放（如表1所示）。在自動排放模式下，液壓驅動閥會根據預先設定的時序圖[5]（見圖5）動作，蒸氣抽吸分離器（見圖6）的出口隔離閥V-1關閉、壓力閥V-2開啟，從壓縮機或經濟器處引入壓力，經短暫延時之后排放閥V-3開啟，這時從分離器中排出的液體被壓送到冷凝液回路中，接著V-1開啟，V-2和V-3都關閉，周而復始，依次循環。

圖5 蒸氣抽吸分離器和經濟器的自動排放時序圖

圖6 蒸氣抽吸分離器和經濟器的排放流程

2.2 壓縮機

再液化壓縮機組先將抽吸分離器排出的低壓、低溫蒸氣一級壓縮至中間狀態，再將其二級或三級壓縮至卸放狀態，使其成為高壓熱氣。

壓縮機一級/二級/三級出口蒸氣溫度過高會導致對應的壓縮機自動脫扣，為避免這種情況出現，需對抽吸的蒸氣進行閃蒸冷卻，在抽吸分離器蒸氣管路上游適當位置處設置冷凝液噴射點。該噴射點一般由噴嘴、手動控制閥和液壓驅動閥組成，其中：噴嘴用來噴淋冷凝液給蒸氣降溫；手動控制閥用來調節噴射冷凝液的流量；液壓驅動閥用來控制噴射冷凝液管路的通斷。此外，就地配置一個液壓驅動閥手動操控按鈕站，只有當壓縮機運行并按下打開按鈕之后，液壓驅動閥才會開啟，一旦壓縮機停止運作，該液壓驅動閥將自動關閉。

再液化裝置一般采用往復雙作用式無油潤滑迷宮型壓縮機，具有三級壓縮能力，其軸承通過內置的軸帶齒輪油泵潤滑，其氣缸頭和十字頭導軌通過淡水/乙二醇混合液封閉式循環系統加熱或冷卻維持在一定的溫度范圍內。

淡水/乙二醇混合液封閉式循環系統主要由輸送泵、存儲柜、冷卻單元和溫控閥等設備組成，其中：輸送泵和存儲柜安裝在再液化壓縮機組電動機室內；冷卻單元和溫控閥安裝在再液化壓縮機組室內。淡水/乙二醇輸送泵為離心式，通常配置2套，互為備用，由單速電動機直接驅動。淡水/乙二醇存儲柜內置浸沒式電加熱器、溫度傳感器和液位開關，借助貨控臺內的可編程邏輯控制器自動控制電加熱器的開關，使柜內液體的溫度保持在要求的范圍內，若柜內液位過低，電加熱器將自動關閉，同時輸送泵將停止運作。冷卻單元采用板式換熱器，冷媒是海水，用于冷卻循環管路中的淡水/乙二醇。存儲柜中的淡水/乙二醇被泵運出來之后分為2路，一路經海水冷卻，另一路未經冷卻，通過同一個溫控閥匯合之后流向壓縮機；該溫控閥根據設定的溫度（由壓縮機廠家推薦）調節從冷卻單元中出來的淡水/乙二醇流量，從而控制進入壓縮機的淡水/乙二醇的溫度；最后，淡水/乙二醇從壓縮機出來并返回存儲柜，形成循環。

在啟動壓縮機之前必須先使淡水/乙二醇混合液循環系統運作起來，對壓縮機進行預熱，使其達到壓縮機廠家推薦的溫度。若淡水/乙二醇系統壓力低或流量低，壓縮機將無法啟動。在壓縮機運行過程中，若檢測到其滑油壓差過低，會觸發報警并自動停機；當壓縮機處于停止狀態或剛啟動的30s以內，該報警及脫扣動作會被抑制。此外，為保護壓縮機，當壓縮機處的淡水/乙二醇混合液出口流量過低或溫度過高、吸口壓力過高或過低、二級/三級出口壓力過高、吸口與一級出口的壓力差（一級壓差）過高、一級出口與二級出口的壓力差（二級壓差）過高、二級出口與三級出口的壓力差（三級壓差）過高時，也會引發對應壓縮機自動脫扣。

為滿足不同工況，單臺壓縮機的作業容量可由其本體上的手動閥調節，常規有50%檔和100%檔可供選擇，操控該手動閥將觸發壓縮機對應吸口閥卸荷機構動作。當壓縮比需求處于中等水平時，可考慮先將壓縮機的二級氣缸與三級氣缸并聯，再將該并聯機構與一級氣缸串聯，從而形成二級壓縮；當壓縮比需求更高時，可考慮將壓縮機的一級氣缸、二級氣缸和三級氣缸全部串聯，形成三級壓縮。

2.3 冷凝器

蒸氣經壓縮機壓縮到一定壓力之后形成的高壓熱氣將進入冷凝器冷卻，其熱量被冷凝器另一側的海水帶走，從而冷凝至液態。

冷凝器通常采用全焊接板式或板殼式換熱器，以海水為冷媒，由此需為再液化壓縮機組室內的海水供給管安裝一套自清反沖海水濾器，濾除海水中的雜質；同時，需在再液化壓縮機組電動機室內安裝一套原位清洗（CIP）單元，對換熱器的海水側進行清潔。自清反沖海水濾器使用一段時間之后會積聚一定的雜質，需利用就地按鈕站或 HMI操控液壓驅動的分流閥V-5和沖洗閥V-6對其進行反向沖洗，按下就地按鈕將實施1個周期的沖洗；通過HMI可實現定期自動沖洗（工作模式選擇如表 1所示），此時分流閥 V-5和沖洗閥V-6會按預先設定的控制邏輯和時序圖[5]（見圖7）動作。該清洗過程對海水供給無影響。

圖7 冷凝器海水自清反沖濾器的自動沖洗時序圖

2.4 冷卻器

若壓縮機出口蒸氣溫度較低，使用冷凝器即可滿足冷卻需求，此時可不用冷卻器，否則需在壓縮機一級氣缸與二級氣缸之間串聯冷卻器（如圖2中的經濟器）來加大制冷量，直接冷卻壓縮機級間的蒸氣溫度，同時作為冷凝液返回液貨罐前的輔助冷卻。若要繼續增加制冷量，可再串聯一個冷卻器（如圖2中的排氣冷卻器），一方面可對即將返回液貨罐的冷凝液進行蒸發冷卻，另一方面可使冷凝集液器中出來的排氣流冷凝，降低再循環蒸氣的溫度，并使其中一定比例的易揮發組分冷凝。

冷卻器一般采用低溫碳鋼殼管結構的換熱器，冷媒是注入的貨物冷凝液，有時為在系統啟動階段提升效率，可通過液貨裝注管路預先注入液體貨物。由于采用的液貨冷卻方式為蒸發冷卻，一部分冷媒吸收熱量之后會先變成蒸氣，再進入壓縮機的二級吸口，為防止這些蒸氣混入液滴，應內置除霧器，例如聚結型除霧網墊。

冷卻器中的冷媒液位采用PID閉環控制方式進行自動調節，由貨控臺內的可編程邏輯控制器、冷媒液位傳感器、冷媒實際液位和冷卻器冷媒進口的液位控制膨脹閥形成一個控制環路。根據冷媒液位的狀態控制冷卻器冷媒進口閥的開度（0%～100%）：當檢測的液位高于設定點時，關小閥門；當檢測的液位低于設定點時，開大閥門。若該控制環路出現故障，冷卻器冷媒進口閥應全部關閉。另外，可利用HMI調整冷卻器的設定點，或從自動操作模式切換至手動操作模式，手動控制閥門的開度（如表1所示）；獲授權的操作人員還可通過安全訪問系統修改控制環路的比例增益、積分時間和微分時間等參數。

冷卻器中的冷媒液位過高會導致對應壓縮機自動脫扣，故需定期手動或自動將這些冷媒排放到冷凝液回路中，如圖6中的經濟器冷媒排放閥V-4，為防止經濟器排放的冷媒回流到蒸氣抽吸分離器的接液槽內，當V-2和V-3都打開時，應關閉V-4，其自動排放時序如圖5所示。

2.5 集液器

集液器罐體通常采用不銹鋼結構，收集、分離來自冷凝器的冷凝液和不可凝氣，并對其液位和氣壓實施PID閉環控制，引導流向（工作模式選擇如表1所示）。根據集液器中冷凝液液位和不可凝氣壓力的狀態控制各自出口閥的開度：當檢測的液位和壓力高于設定點時，開大閥門；當檢測的液位和壓力低于設定點時，關小閥門。這些控制環路一旦發生故障，冷凝液出口閥應全部打開，不可凝氣出口閥應全部關閉。當壓縮機運行一段時間（如超過15s）之后，對應冷凝集液器的液位控制將自動進入PID閉環控制模式，僅當壓縮機停止運行之后才可對其進行手動操控。另外，為避免誤報警，冷凝集液器中的液位需高于報警整定值且經過一段延時（比如超過15s）之后才會觸發報警。

從液貨罐出來的蒸氣經過再液化裝置的整套工藝流程之后形成的冷凝液進入再液化裝置的冷凝液出口管，最終返回液貨罐。需注意的是，當該處的冷凝液出口壓力過高時，對應的壓縮機將自動脫扣。

3 VLGC上石油氣貨物的液化循環

85000m3VLGC采用全冷式運輸方式，也稱常壓低溫型運輸方式，即在正常大氣壓下利用再液化裝置將液化石油氣保持在沸騰狀態，存儲在4個不耐壓的國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）獨立式A型棱形液貨罐內。VLGC上石油氣貨物的液化循環在液貨罐、再液化裝置及其連接管路之間形成，屬于開式的熱力循環。當液貨罐內貨物蒸氣的壓力超過最大允許調定值（MARVS）時（船舶停靠港口狀態下超過4.5×104Pa(G)，船舶航行狀態下超過3.5×104Pa(G)，會觸發安全卸壓閥（SRV）以釋放壓力。

85000m3VLGC上1～4號液貨罐的表面面積分別為4358.4m2、4762.2m2、4762.2m2和4647.8m2，每個液貨罐的表面都包覆著120mm厚的聚氨酯泡沫隔熱絕緣層，其導熱系數為0.023W/(m·K)，總傳熱系數為0.22W/(m2·K)。假設環境空氣溫度為45℃，液貨罐所在船艙內的溫度為40.5℃，2號液貨罐和4號液貨罐內裝載的是商業丙烷（液態下含有8mol%乙烷），該貨品在正常大氣壓下的飽和溫度為-51.7℃，其液化循環由單臺再液化裝置維持。由這些條件可知，2號液貨罐和4號液貨罐共吸收外部熱量約190872J/s，故單臺再液化裝置的制冷量需大于190872J/s，若考慮加放20%的裕度，則再液化裝置的制冷量應不小于229047J/s。

利用Aspen HYSYS和Aspen plus等軟件可對上述條件下商業丙烷（液態下含有8mol%乙烷）的液化循環進行模擬仿真分析。假設再液化裝置處于貨物冷凝強制回罐模式，從2號液貨罐和4號液貨罐中抽取貨物蒸氣，蒸氣組分為丙烷（摩爾分數約為0.62）和乙烷（摩爾分數約為0.38），在正常大氣壓下蒸氣的溫度為-25℃。經過再液化壓縮機一級壓縮之后，蒸氣的壓力為3.662×105Pa(A)，溫度為49.97℃，質量流量為2532kg/h；經過二級壓縮之后，蒸氣的壓力為9.021×105Pa(A)，溫度為64.35℃，質量流量為5632kg/h；經過三級壓縮之后，蒸氣的壓力為2.4MPa(A)，溫度為116.5℃，質量流量為5632kg/h，成為高壓熱氣。接著，高壓熱氣進入冷凝器，與溫度為36℃、流量為150m3/h的開式循環海水進行熱交換，形成溫度為42℃的冷凝液和排氣流，并從冷凝集液器出來，通過不同路徑流向不同的冷卻器，其質量流量分別為4424kg/h和1203kg/h。隨后，一部分冷凝液流向排氣冷卻器和經濟器各自的冷媒罐（質量流量分別為2225kg/h和875kg/h），用于補充冷卻器不斷消耗的冷媒；另一部分冷凝液（質量流量為1324kg/h）通過經濟器（冷媒溫度為-21.11℃，質量流量為473.1kg/h）進行蒸發冷卻，溫度降至-7.12℃之后返回液貨罐。同時，排氣流通過排氣冷卻器（冷媒溫度為-21.11℃，質量流量為1203kg/h）進行蒸發冷卻，形成溫度為-7.12℃的冷凝液，經由排氣分離器返回液貨罐。

4 結 語

本文結合當前VLGC采用的再液化裝置，基于其工作原理和作業需求，分析了該裝置的內部組成、工作模式和工藝流程，從運作可靠性和系統安全性等角度闡述了其功能控制的設計要點，可供國內該領域設計相關裝置時參考。