再冷凝器自動運行優化探究

陳茂峰(國家管網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儲罐內產生的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氣化后外輸的LNG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，其利用加壓后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG經低壓泵增壓后，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鍵設備，它的平穩運行對保證LNG接收站工藝的平穩運行來說至關重要。本文對再冷凝器自動運行的優化措施進行探討，該優化的成功調試和運行實現了LNG接收站工藝操作自動化，提高了工藝運行的穩定性與LNG接收站的工藝運行安全性，可為國內已建、在建LNG接收站的數字化、智慧化轉型、設計提供了運行和設計思路及自動控制技術基礎。

1 深圳LNG再冷凝系統概況

目前，國內極少LNG接收站的再冷凝器實現了設計的自動控制功能，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，提高整個工藝系統的穩定性。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進行調節，最終達到符合各種工況的自動運行。再冷凝工藝是指LNG儲罐內產生的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氣化后外輸的LNG 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，其利用加壓后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG經低壓泵增壓后，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，高于設定值5 000 mm時，操作員關小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運行的穩定性及安全性[2]。

2 深圳LNG再冷凝器控制系統優化

2.1 PID的作用概述

P產生響應速度和力度，過小響應慢，過大會產生振蕩，是I和D的基礎。通俗來講，P越大，當工藝值PV與設定值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在有系統誤差和外力作用時消除偏差、提高精度，同時也會增加響應速度，產生過沖，會產生振蕩。D是微分值，具有可以預見PV值未來超調的作用，D值越大，作用越強。D抑制過沖和振蕩，過小系統會過沖，過大會減慢響應速度。D的另外一個作用是抵抗外界的突發干擾，阻止系統的突變。調節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調節的DCS系統為霍尼韋爾的PKS410系統，PID算法為EQA算法。

2.2 完成PIC-11203的自動模式運行PID初整定

按據對策方案，啟動一條生產線進行滿負荷調試，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。再冷凝器手動調節控制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P=0.5，I=0.02，D=0。PIC11203投自動，700 kPa。根據研究結果可知前期壓力調平穩后，投為自動，基本能夠自動調節平穩，但是后面當30 s時，低壓壓縮機提升負荷時，自動調節非常久才能調節回來，不滿足要求。需要繼續加大P值。假設P=1，I=0.02，D=0時，根據研究結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，自動調節波動一周期調節回來，基本滿足要求。但壓力仍升高至725 kPa才回調，升高的較高。并且回調后又出現超調，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節情況自動穩定運行，且壓縮機負荷調節后，也能在自動模式下回調成功，時間較長[3]。

2.3 完成PIC-11203的自動模式運行PID精準整定

按據對策方案，依然先啟動一條生產線滿負荷，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。再冷凝器手動調節為PT11203為700 kPa，液位為5 000 mm。當加入D值，設置P=1，I=0.02，D=9。以增加調節的預見性。根據研究結果可知，較上一次的曲線，BOG低壓壓縮機提升負荷時，壓力升高后，自動調節波動至僅713 kPa便調節回來，并且回調后沒有超調，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調試已完成。通常情況下，D微分僅對操作有延遲效果的參數才明顯有效，對溫度、壓力這類屬于操作反應快的參數，一般不設置D微分；但是，再冷凝器的壓力參數有一定的特殊性，它的壓力是需要根據液化工藝進行調控，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低壓壓縮機負荷調整工況下的自動調節且平穩運行。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設置

依據對策方案，因LCV11200A/B為雙閥，LCV11200A閥門管徑為DN300，LCV11200B閥門管徑為DN100，兩個閥門的開關控制均以LT11201為控制信號，自動控制設計原理是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，如果設置LIC11201的OP值0～50%控制LCV11200B，50%～100%控制LCV11200A，則會導致LIC在LCV11200A開啟后，控制失衡。要克服這個問題，必須將分程的設定點進行一定的設置，使LCV11200A與LCV11200B分別動作控制時，LIC11201的PID參數控制都能適應。經過多次嘗試，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0～100%開度；而LIC11201的OP值在20%～100%時，LCV11200A閥對應0～100%開度，實現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關閉1%時，若要保持LI-11201穩定不變，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

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

3 深圳LNG再冷凝系統優化結果

調節完成PID參數設置后，將要進行不同數量的生產線實測，深圳進行了全負荷測試，由一條生產線加量至六條生產線，并收集數據，整理分析。2條生產線運行監測曲線如圖3所示(再冷凝器液位設定：5 000 mm，壓力設定：700 kPa)，由此可以看出再冷凝器液位和壓力運行時趨于穩定，期間微調節外輸量時也未見波動[6]。

圖3 2條生產線運行監測曲線

4 結語

通過生產運行數據分析，再冷凝器在1條氣化生產線至設計最大負荷量6條工況下，已實現其液位、壓力的自動控制運行。達到在調節BOG低壓壓縮機負荷、啟停機，加減生產外輸量負荷及啟停生產線時，再冷凝器的PI-11203控制精度在10 kPa內，LI-11201控制精度在100 mm內，其自動控制精度及工況運行的平穩性高于第一家已投用自動運行的接收站，生產運行中已幾乎不用操作員進行干預。通過此次研究取得以下成果：(1)實現LNG接收站工藝操作自動化，提高工藝運行的穩定性。再冷凝器是LNG接收站運行控制的中心點，它的運行穩定直接關系到整個接收站工藝的穩定運行。其液位及壓力自動運行后，工藝參數趨于穩定，啟停生產線時，能夠很快速的自動調節穩定，極大提高了LNG接收站的運行穩定性和操作效率。(2)提高LNG接收站的工藝運行安全性。根據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在“洋蔥”模型保護層內部級別，當工藝發生異常工況時，再冷凝器具備最初始最先調整的響應，當響應及時穩定時，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將再冷凝器投為自動。(4)為國內已建、在建LNG接收站的數字化、智慧化轉型、設計及將來設計一鍵啟動運行模式提供了運行和設計思路及自動控制技術基礎。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。