LNG加氣站儀表風系統的壓空緩沖罐容積計算

范仲輝，邱國洪

(張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215600)

1 概 述

壓空緩沖罐在化工、醫藥和機械加工等行業廣泛使用，其作用是降低空氣系統的壓力波動，保證系統平穩、連續供氣[1]。LNG加氣站儀表風系統的壓空緩沖罐設置在空壓機下游，用以存儲氣源，為整站儀表風系統提供穩定氣源。考慮空壓機因故障而停止運行的風險，為確保LNG加氣站仍能安全可靠地運行一段時間，滿足這段時間內整站儀表風系統用氣量，壓空緩沖罐選擇合適的容積顯得尤為重要。

關于壓空緩沖罐容積計算，國內學者已經介紹了一些方法。王紹宇[1]在其示例一中介紹的氣體緩沖罐計算方法，對于常溫、低壓的壓空系統，可以用理想氣體狀態方程PV=nRT描述氣體的體積、壓力的變化。具體計算公式為：

V=P0×S×τ/(P1-P2)

式中：P0為標準大氣壓，Pa；P1為供氣起始壓力(絕壓)，Pa；P2為供氣重點壓力(絕壓)，Pa；τ 為緩沖罐供氣時間，min；S 為供氣流量，Nm3/min。

李洪深[2]介紹的氣體緩沖罐容積確定方法為，當系統壓力波動時，緩沖罐向用戶供氣，緩沖罐內空氣的質量減少、壓力降低，在緩沖時間0 至τ0內，為保證壓縮機在界區進出口壓力情況下供氣流量S 不波動，緩沖罐容積V 計算公式為[3]：

V=P0×S×τ0/(P1-P2)

式中：P0為標準大氣壓，Pa；P1為界區入口壓力(絕壓)，Pa；P2為界區出口壓力(絕壓)，Pa；τ0為緩沖時間，min；S為波動段內壓縮機供氣量，Nm3/min。壓縮機的排氣到達用戶緩沖罐是一個變壓力、變流量的動態過程，對于連續恒壓供氣生產裝置，緩沖時間除了和自動執行機構的響應及動作時間有關外，還和壓縮機到緩沖罐的管線距離有關。

周江沛[4]介紹的儀表空氣緩沖罐容積計算方法，所需參數有，標準狀態下氣源裝置設計容積(m3/h)，維持時間，正常操作壓力，最低輸出壓力，大氣壓力。

以上介紹的一些方法，所需參數有，標準大氣壓，界區入口壓力(絕壓)，界區出口壓力(絕壓)，緩沖時間，供氣量(Nm3/min)。以上算法均涉及供氣流量這一參數。

本文以出口歐洲的LNG加氣站成套設備的儀表風系統為例，介紹了一種壓空緩沖罐容積計算方法，未涉及供氣流量這一參數。歐洲客戶要求，空壓機因故障停止運行后，儲氣設備需滿足4小時(維持時間)內整站儀表風系統正常運行的用氣量。據《石油化工儀表供氣設計規范》(SH/T3020-2013)[5]規定， 在沒有特殊要求的情況下，維持最低輸出壓力供氣時間在15～30 min。相比而言，本項目中歐洲客戶提出的要求更加嚴苛。

2 用 途

LNG加氣站包含LNG儲罐撬，泵撬，加氣機，卸車撬，增壓汽化器，整站控制系統等部件，各撬上設置有緊急切斷閥。LNG加氣站正常運行下有待機模式，降壓模式，加液模式，循環模式，卸車模式，調飽和模式。整站控制系統通過控制是否為緊急切斷閥的氣動執行機構是否輸送壓縮空氣，來控制緊急切斷閥的開關，以實現介質LNG在整站工藝管路中按各模式功能要求的進行傳輸。加氣機上加液槍與客戶氣瓶連接時，極易在槍口冷凝結霜，這次需要用到加氣機上的吹掃槍進行清理，整站控制系統根據加氣機上設置的吹掃按鈕發出的開始吹掃命令，為吹掃槍輸送壓縮空氣。

所以，LNG加氣站儀表風系統中，壓縮空氣用途分為兩個方面，為整站內緊急切斷閥的氣動執行機構開啟動作提供氣源，為加氣機上吹掃槍提供氣源。

3 流程圖

出口歐洲的LNG加氣站成套設備的儀表風系統，其主要部件，及其流程圖，見圖1。

1-空壓機；2，3，5，6-過濾器；4-干燥機；7-壓力變送器； 8-露點檢測儀；9-空氣緩沖罐；10，14-壓力表；11，13-安全閥； 12-降壓調壓閥；15-開關閥；16，17，18-其他用氣設備圖1 儀表風系統流程圖Fig.1 Instrument air system process instrument diagram

4 計算條件

空壓機本身自帶儲罐容積200 L，見圖2。

圖2 自帶儲氣瓶的空壓機Fig.2 Air compressor with air storage tank on itself

壓空緩沖罐壓力上升到10 barg時(壓力變送器檢測到壓力大于等于10 barg時)，空壓機停止運行。

壓空緩沖罐壓力下降到6 barg時(壓力變送器檢測到壓力小于等于6 barg時)，空壓機開始運行，開始為儲氣設備(壓空緩沖罐和空壓機自帶儲罐)充氣。

空壓機因故障停止運行后，儲氣設備需滿足4 h(維持時間)內整站儀表風系統正常運行的用氣量。

氣源壓力設定為5 barg，即壓空緩沖罐下游的降壓調壓閥出口壓力為5 barg。

5 用氣量分析，計算及假設

5.1 緊急切斷閥氣動執行機構用氣量

如表1所示，為LNG加氣站中LNG儲罐撬，泵橇，卸車撬，加氣機上各緊急切斷閥的位號、口徑規格，及其氣動執行機構容積，LNG加氣站各運行模式，及其各模式下各緊急切斷閥的開關狀態。

緊急切斷閥的氣動執行機構開啟時，需要輸送壓縮空氣以為氣動執行機構充氣。關閉時氣動執行機構排氣，不需要輸送壓縮空氣。

待機模式為初始狀態，此時用氣量為0。黃色標記的是從待機模式分別切換到后續各模式下，需要開啟動作消耗用氣的緊急切斷閥。

維持時間4 h內，假設如下：

每位客戶加液前，客戶氣瓶需要回氣降壓的概率為10%；加液模式的時間為10 min，即從客戶提起加液槍，到駛離LNG加氣站；兩次加液之間間隔時間為0 min，故每小時最多有6位客戶加液；LNG加氣站白天工作12 h，即白天持續有客戶加液。晚上待機12 h，即晚上沒有客戶加液。

表1 各模式下各緊急切斷閥開關狀態Table 1 Actuated Valves’ open/close status under each mode

續表1

如表2所示，第一行為根據表1得出的從待機模式分別切換到后續各模式，緊急切斷閥開啟的用氣量。第二行為根據以上假設，在維持時間4 h內內各模式切換次數。第三行為維持時間4 h內，各模式的用氣量，用第一行數據乘以第二行數據。

表2 4 h內各模式的用氣量Table 2 Air consumption of each mode during 4 h

客戶加液時，整個過程為回氣降壓、加液，此時用氣量為：

69.384+383.16=452.544 L≈453 L

給LNG儲罐撬充液時，整個過程為卸車、調飽和，此時用氣量為：

17.84+35.03=52.87 L

整站定期冷卻時，整個過程為循環，此時用氣量為320.04 L。

比較以上數據得出，維持時間4 h內緊急切斷閥氣動執行機構最大用氣量的情況是客戶加液，為453 L。

5.2 加氣機上吹掃槍用氣量

假設每次加液過程中吹掃槍吹掃總時間為11 s。由表2得，維持時間4 h內，加液模式最多切換12次。維持時間4 h內吹掃總時間為：

12×11/3600=0.04 h

氣源壓力與大氣壓的壓差大于2 barg，假設此時流量3 m3/h。維持時間4 h內吹掃槍的用氣量為：

(3×0.04)×1000=120 L

比較5.1與5.2的結果，維持時間4 h內，整站儀表風最大用氣量情況是客戶加液，為453 L。

6 容積計算

空壓機停止運行，空壓機自帶儲罐壓力從10 barg下降到 6 barg，根據理想氣體狀態方程PV=nRT，釋放出的空氣量為：

200×(10-6)/6=134 L

當壓空緩沖罐與空壓機自帶儲罐壓力相同時，壓空緩沖罐的容積為：

(453+120-134)×6/(10-6)=658.5 L

故設置659 L的壓空緩沖罐能滿足要求。

7 結 論

考慮空壓機因故障而停止運行的風險，壓空緩沖罐需能保證維持時間4 h內LNG加氣站儀表風系統正常運行的用氣量，因此壓空緩沖罐容積計算十分重要。本文從壓空緩沖罐供氣用途角度出發，分析計算了整站中各緊急切斷閥氣動執行機構在各模式下開啟動作的用氣量，和加氣機上吹掃槍的用氣量，進而得出壓空緩沖罐所需容積。通過本文介紹的算法確定容積的壓空緩沖罐，已應用到出口歐洲的LNG加氣站成套設備項目中，經過實踐驗證，可滿足使用要求。

本文介紹的算法，與國內學者已經介紹的算法，不同之處在于本文算法不涉及供氣流量這一參數。本文算法中有不少根據項目實際情況進行假設的條件參數，若其他項目需參考本算法，亦可根據項目實際情況，對假設的條件參數進行相應調整。