浸沒(méi)燃燒式氣化器控制方案優(yōu)化

程云東

（中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）接收站氣化外輸設(shè)備有開(kāi)架式氣化器（Open Rack Vaporizer，ORV）和浸沒(méi)燃燒式氣化器（Submerged Combustion Vaporizer，SCV）兩種。ORV是使用海水作為熱源，LNG在管束內(nèi)流動(dòng)，外面用海水沖刷，LNG吸熱氣化成天然氣后外輸。冬季海水溫度降低，無(wú)法氣化滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的ORV，ORV只能降低負(fù)荷運(yùn)行，無(wú)法滿(mǎn)足外輸指標(biāo)，這時(shí)開(kāi)啟SCV作為補(bǔ)充，保證外輸指標(biāo)完成。

德國(guó)林德公司生產(chǎn)的SCV是目前國(guó)際市場(chǎng)上LNG接收站廣泛使用的兩種主力產(chǎn)品之一，使用中頻繁發(fā)生聯(lián)鎖停車(chē)事件。非計(jì)劃停工次數(shù)的增多，既影響公司的指標(biāo)完成，又影響下游用戶(hù)使用。通過(guò)對(duì)事件的分析，發(fā)現(xiàn)多處控制方案設(shè)計(jì)不合理，對(duì)不合理的地方進(jìn)行了優(yōu)化改造，保障接收站的平穩(wěn)外輸。

1 SCV工作原理

SCV工作原理如圖1所示，來(lái)自風(fēng)機(jī)的助燃空氣按照不同負(fù)荷下的控制比例注入燃燒器，與天然氣混合燃燒，燃燒產(chǎn)物的排放會(huì)形成含有多個(gè)小氣泡的雙相發(fā)泡混合液。雙相混合液濃度的下降形成上升作用，可導(dǎo)致混合液上升。LNG由浸沒(méi)于水浴槽換熱管排下部進(jìn)入，其管排表面可通過(guò)氣/水混合物的高速運(yùn)動(dòng)得到有效沖洗，氣/水混合物的高速運(yùn)動(dòng)造成水浴槽內(nèi)水流湍動(dòng)，此時(shí)換熱管內(nèi)LNG與水實(shí)現(xiàn)充分換熱，達(dá)到加熱、氣化的效果，輸出到外輸總管。燃燒器中的燃燒產(chǎn)物在與氣/水氣泡分散后，通過(guò)煙囪排放至大氣中。

圖1 SCV 工作原理

2 原控制方案及優(yōu)化方案

2.1 風(fēng)機(jī)可燃?xì)鈾z測(cè)

風(fēng)機(jī)空氣入口過(guò)濾器前安裝了1臺(tái)可燃?xì)鈾z測(cè)器AT-01，檢測(cè)進(jìn)風(fēng)機(jī)的空氣中可燃?xì)夂浚y(cè)量值為0，當(dāng)檢測(cè)到空氣中存在可燃?xì)獠⑦_(dá)到設(shè)定的高高報(bào)警值10 LEL（高報(bào)警5 LEL、高高報(bào)警10 LEL）時(shí)，聯(lián)鎖停止SCV運(yùn)行，避免爆炸風(fēng)險(xiǎn)。廠(chǎng)商隨設(shè)備自帶的可燃?xì)鈾z測(cè)器是英國(guó)科爾康（CROWCON）公司的紅外線(xiàn)檢測(cè)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可燃?xì)鈾z測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這種檢測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中光學(xué)鏡面非常容易積累灰塵，使檢測(cè)數(shù)值突變到聯(lián)鎖值，導(dǎo)致SCV聯(lián)鎖停車(chē)。這種誤動(dòng)作發(fā)生得比較頻繁，平均2～3次/月，尤其空氣質(zhì)量較差的地區(qū)或接收站周邊有形成灰塵的廠(chǎng)礦，處理方法是定期擦拭鏡面灰塵，如半月擦拭1次。SCV停用時(shí)擦拭簡(jiǎn)單，用干凈的抹布擦去鏡面灰塵即可；一旦SCV運(yùn)行，擦拭鏡面同樣會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)值突變引起聯(lián)鎖，只能先屏蔽聯(lián)鎖再擦拭，而頻繁進(jìn)入PLC邏輯中屏蔽信號(hào)同樣會(huì)容易產(chǎn)生人為失誤造成聯(lián)鎖停機(jī)，不方便實(shí)施。

優(yōu)化方案：①原紅外線(xiàn)檢測(cè)器輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)至PLC，將其拆除，更換成1塊常用的催化燃燒式檢測(cè)器；②在風(fēng)機(jī)空氣入口過(guò)濾器前增加1臺(tái)可燃?xì)鈾z測(cè)器，2臺(tái)檢測(cè)器采用二取二聯(lián)鎖方式，即只有2塊儀表同時(shí)高高報(bào)警才啟動(dòng)聯(lián)鎖，可有效避免儀表檢測(cè)錯(cuò)誤導(dǎo)致設(shè)備聯(lián)鎖。將這種紅外線(xiàn)檢測(cè)器的不適用性及單臺(tái)儀表誤動(dòng)作率高兩個(gè)問(wèn)題反饋給了SCV生產(chǎn)商，生產(chǎn)商接納了建議，在后面的產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)更換成了2塊催化燃燒式可燃?xì)鈾z測(cè)器，并采用二取二聯(lián)鎖邏輯。

2.2 煙囪可燃?xì)鈾z測(cè)

煙囪內(nèi)有2塊可燃?xì)鈾z測(cè)器AT-02和AT-03，檢測(cè)煙囪可燃?xì)夂渴欠癯瑯?biāo)，高高報(bào)警時(shí)聯(lián)鎖停車(chē)，采用二取一聯(lián)鎖方式。SCV投用后這2塊表頻繁出現(xiàn)高高報(bào)警聯(lián)鎖停車(chē)，拆開(kāi)儀表檢查，表內(nèi)充滿(mǎn)水珠，是高溫?zé)煔鈳ё叩乃魵鈱?dǎo)致儀表進(jìn)水故障，顯示高高報(bào)警。

優(yōu)化方案：拆除這2塊儀表。由于SCV設(shè)計(jì)中有效地調(diào)整了燃燒率，所以煙道里可燃?xì)夂繕O低，同時(shí)還有水蒸汽，因此不會(huì)存在煙道內(nèi)可燃?xì)膺^(guò)多及爆炸風(fēng)險(xiǎn)，不需要測(cè)量?jī)x表。

2.3 水浴溫度檢測(cè)

檢測(cè)水浴溫度有2塊溫度變送器TT-01和TT-02，正常水溫控制在20～30 ℃內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)的溫度達(dá)到高高報(bào)警值55 ℃（高報(bào)警40 ℃）時(shí)聯(lián)鎖停車(chē)，采用二取一聯(lián)鎖方式，即2塊溫度變送器中任意1塊顯示溫度高高報(bào)警就聯(lián)鎖。在使用中不可避免會(huì)發(fā)生儀表檢測(cè)單元或變送單元故障，這就會(huì)導(dǎo)致顯示高高報(bào)警，發(fā)生聯(lián)鎖停車(chē)，這種情況降低了儀表的容錯(cuò)性。

優(yōu)化方案：在PLC里將2塊溫度儀表邏輯修改成二取二的方式，增大儀表容錯(cuò)性能，但同時(shí)水浴溫度超高的風(fēng)險(xiǎn)也加大。由于天然氣出口也有2塊檢測(cè)天然氣溫度的儀表，溫度高高報(bào)警同樣會(huì)聯(lián)鎖停車(chē)，所以這里儀表聯(lián)鎖邏輯采用二取二完全適用。

2.4 天然氣出口溫度檢測(cè)

天然氣（Natural Gas，NG）出口溫度有2塊溫度變送器，分別為T(mén)T-03和TT-04，檢測(cè)并控制NG出口溫度。當(dāng)檢測(cè)的溫度達(dá)到設(shè)定的高高報(bào)警值55 ℃（高報(bào)警40 ℃）時(shí)聯(lián)鎖停車(chē)，這個(gè)聯(lián)鎖采用的是二取一方式，儀表容錯(cuò)性差，誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)高。

優(yōu)化方案：將2塊溫度儀表邏輯中設(shè)置成二取二，增大儀表容錯(cuò)性能，由于水浴溫度的控制使得天然氣不可能達(dá)到55 ℃，所以不會(huì)增加安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 煙囪內(nèi)溫度檢測(cè)

煙囪內(nèi)有2塊溫度變送器TT-05和TT-06，當(dāng)檢測(cè)的溫度達(dá)到設(shè)定的高高報(bào)警值55 ℃（高報(bào)警40 ℃）時(shí)聯(lián)鎖停車(chē)，采用二取一聯(lián)鎖方式，儀表容錯(cuò)性差，誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)高。

優(yōu)化方案：將2塊溫度儀表邏輯中設(shè)置成二取二，增大儀表容錯(cuò)性能，由于水浴溫度的控制使得煙氣不可能達(dá)到55 ℃，所以不會(huì)增加安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 水浴液位檢測(cè)

水浴液位有2塊液位變送器LT-01和LT-02，使用非接觸式的雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量，安裝在水面上水浴槽的扣板上。當(dāng)檢測(cè)的液位達(dá)到設(shè)定的高高或低低報(bào)警值（低低報(bào)警2000 mm、低報(bào)警2100 mm、高報(bào)警2600 mm、高高報(bào)警2650 mm）時(shí)聯(lián)鎖停車(chē)，即液位不能過(guò)高也不能過(guò)低，過(guò)高容易溢流，過(guò)低無(wú)法使得LNG排管完全浸沒(méi)在水中。使用中由于水汽的蒸發(fā)使得液位逐漸降低，需要適時(shí)補(bǔ)水。使用雷達(dá)液位計(jì)的好處是測(cè)量部件不接觸介質(zhì)水，并且安裝簡(jiǎn)便，壞處是由于水汽的蒸發(fā)導(dǎo)致測(cè)量面經(jīng)常有凝結(jié)水滴，造成測(cè)量值高高跳變導(dǎo)致停車(chē)，同時(shí)水浴的水流湍動(dòng)使得液面波動(dòng)很大，并且時(shí)常有蕩起來(lái)的水被液位計(jì)檢測(cè)成高高液位導(dǎo)致聯(lián)鎖停車(chē)，采用二取一聯(lián)鎖方式。

優(yōu)化方案：①將2塊液位儀表邏輯中設(shè)置成二取二，增大儀表容錯(cuò)性能，由于液位的實(shí)際變化很緩慢，不可能在沒(méi)有發(fā)出高（低）報(bào)警時(shí)直接達(dá)到高高（低低）液位，同時(shí)日常的現(xiàn)場(chǎng)檢查也能看到真實(shí)的液面，因此修改后的方案不存在危險(xiǎn)性；②2塊液位儀表安裝距離僅有20 cm，水波動(dòng)的某個(gè)波峰很容易被2塊液位儀表同時(shí)檢測(cè)到，造成2塊儀表同時(shí)顯示高高報(bào)警導(dǎo)致聯(lián)鎖停車(chē)，將其中1塊儀表移位，使得2塊表分開(kāi)一定距離。

3 控制方案優(yōu)化后效果評(píng)價(jià)

控制方案優(yōu)化后進(jìn)行了2個(gè)冬季（約6個(gè)月）SCV外輸?shù)挠^(guān)察，生產(chǎn)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有再發(fā)生因儀表誤動(dòng)作導(dǎo)致的非計(jì)劃停工，滿(mǎn)足了生產(chǎn)方面平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。

4 結(jié)論

針對(duì)原控制方案中只重點(diǎn)考慮設(shè)備安全，缺乏儀表容錯(cuò)性的情況，以及儀表使用不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，分析論證了方案優(yōu)化的好處并開(kāi)展了由生產(chǎn)、安全、維修人員參加的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估會(huì)，在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)可接受的情況下對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)定期對(duì)儀表進(jìn)行校驗(yàn)，保證儀表指示正確。進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)2個(gè)冬季運(yùn)行周期的運(yùn)行考察后，證明優(yōu)化方案效果極佳，有力地保障了外輸?shù)钠椒€(wěn)，對(duì)同類(lèi)SCV控制方案的優(yōu)化具有借鑒意義。