摘要：在管輸天然氣供應(yīng)不足的情況下，LNG已成為無(wú)法使用管輸天然氣供氣城市的主要?dú)庠椿蜻^(guò)渡氣源，也是許多使用管輸天然氣供氣城市的補(bǔ)充氣源或調(diào)峰氣源。本文介紹了如何實(shí)現(xiàn)LNG氣化站的安全運(yùn)行和管理。

關(guān)鍵詞：液化天然氣（LNG）；氣化站；

“十一五”規(guī)劃期以來(lái)，中國(guó)天然氣儲(chǔ)產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，天然氣管網(wǎng)基本形成，下游市場(chǎng)需求不斷增加，市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)制正在建設(shè)和完善，天然氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

石化工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)天然氣市場(chǎng)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，天然氣消費(fèi)量以每年兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)。2008年我國(guó)天然氣消費(fèi)量807億立方米，是2000年的3倍多。2008年國(guó)內(nèi)天然氣產(chǎn)量為760.82億立方米，比上年增長(zhǎng)12.3%，2009年我國(guó)天然氣消費(fèi)量為874.5億立方米，同比增長(zhǎng)11.5%。供需缺口近50億立方米，我國(guó)成為天然氣凈進(jìn)口國(guó)。

從保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)安全有效發(fā)展、保障民生、促進(jìn)低碳環(huán)?？茖W(xué)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)、進(jìn)一步改善能源結(jié)構(gòu)等基本國(guó)策要求來(lái)看，中央政府將保持持續(xù)促進(jìn)我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)健康、全面、快速發(fā)展的政策。預(yù)計(jì)在未來(lái)的“十二五”規(guī)劃期，以天然氣為主的氣態(tài)能源在我國(guó)一次能源的占比將持續(xù)提升，這一比例在我國(guó)的 “十一五”規(guī)劃中，由期初的2.8%，將提升到期末的5.3%目標(biāo)比例。

LNG(液化天然氣) LNG氣化站憑借其建設(shè)周期短、投資規(guī)模小以及能迅速滿足用氣市場(chǎng)需求的優(yōu)勢(shì)，已逐漸在我國(guó)東南沿海眾多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源緊缺的中小城市建成，成為永久供氣設(shè)施或管輸天然氣到達(dá)前的過(guò)渡供氣設(shè)施。

針對(duì)LNG的低溫深冷和易燃易爆的特性，筆者結(jié)合上海航天能源股份有限公司的SAE-LSMS系統(tǒng)，討論如何能通計(jì)算機(jī)、控制器、儀表、設(shè)備等產(chǎn)品有效地、安全的管理LNG氣化站的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

正常運(yùn)行中，必須將LNG儲(chǔ)罐的操作壓力控制在允許的范圍內(nèi)。華南地區(qū)LNG儲(chǔ)罐的正常工作壓力范圍為0.3～0.7MPa，罐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時(shí)，可利用自增壓氣化器和自增壓閥對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓。增壓上限由自增壓閥的自動(dòng)關(guān)閉壓力確定。

若將常用的自增壓閥更改為氣動(dòng)或電動(dòng)控制閥，則可通過(guò)SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）對(duì)儲(chǔ)罐的操作壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)定，故儲(chǔ)罐的操作壓力可設(shè)定范圍為0.3～0.7MPa。同時(shí)儲(chǔ)罐輸出至中壓管網(wǎng)的壓力也可在0.3～0.7MPa范圍內(nèi)調(diào)整。

儲(chǔ)罐的最高工作壓力由設(shè)置在儲(chǔ)罐低溫氣相管道上的自動(dòng)減壓調(diào)節(jié)閥的定壓值(前壓)限定。當(dāng)儲(chǔ)罐最高工作壓力達(dá)到減壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定開(kāi)啟值時(shí)，減壓閥自動(dòng)開(kāi)啟卸壓，以保護(hù)儲(chǔ)罐安全。為保證增壓閥和減壓閥工作時(shí)互不干擾，增壓閥的關(guān)閉壓力與減壓閥的開(kāi)啟壓力不能重疊，應(yīng)保證0.05MPa以上的壓力差。考慮兩閥的制造精度，合適的壓力差應(yīng)在設(shè)備調(diào)試中確定。

　　LNG在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)由于儲(chǔ)罐的“環(huán)境漏熱”而緩慢蒸發(fā)(日靜態(tài)蒸發(fā)率體積分?jǐn)?shù)≤0.3%)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐的壓力逐步升高，最終危及儲(chǔ)罐安全。為保證儲(chǔ)罐安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)上采用儲(chǔ)罐減壓調(diào)節(jié)閥、壓力報(bào)警手自動(dòng)放散、安全閥起跳三級(jí)安全保護(hù)措施來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)罐的超壓保護(hù)。

其保護(hù)順序?yàn)椋寒?dāng)儲(chǔ)罐壓力上升到減壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定開(kāi)啟值時(shí)，減壓調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開(kāi)泄放氣態(tài)天然氣；當(dāng)減壓調(diào)節(jié)閥失靈，罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升，達(dá)到壓力報(bào)警值時(shí)，壓力報(bào)警，手自動(dòng)放散卸壓；當(dāng)減壓調(diào)節(jié)閥失靈且手自動(dòng)放散未開(kāi)啟時(shí)，安全閥起跳卸壓，保證LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全。對(duì)于最大工作壓力為0.80MPa的LNG儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)壓力為0.84MPa，減壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)定開(kāi)啟壓力為0.76MPa，儲(chǔ)罐報(bào)警壓力為0.78MPa，安全閥開(kāi)啟壓力為0.80MPa，安全閥排放壓力為0.88MPa。

該手自動(dòng)放散閥并入ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車(chē)系統(tǒng)）中進(jìn)行安全控制。

　　LNG在儲(chǔ)存過(guò)程中可能出現(xiàn)分層而引起翻滾，致使LNG大量蒸發(fā)導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力迅速升高而超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，如果不能及時(shí)放散卸壓，將嚴(yán)重危及儲(chǔ)罐的安全。

通過(guò)SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)可對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的LNG，采取定期倒罐的方式防止其因靜止而分層。

現(xiàn)在LNG氣化站中多使用LNG卸車(chē)泵和LNG增壓泵，增壓烴泵有總管式增壓和單元式增壓之分?？傮w來(lái)講對(duì)于LNG烴泵的控制基本雷同，控制流程包括預(yù)冷——排氣——增壓回流——增壓，對(duì)于LNG增壓的控制，如何防止LNG在烴泵內(nèi)過(guò)熱氣化，如何避免大量回流導(dǎo)致大量氣化潛熱帶至LNG儲(chǔ)罐，如何匹配烴泵的輸液量和下游管網(wǎng)對(duì)LNG需求，均是SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）控制的重點(diǎn)，圖1烴泵控制工藝流程。

 

☆通過(guò)設(shè)置在安全管理系統(tǒng)內(nèi)的ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車(chē)系統(tǒng)），可實(shí)現(xiàn)：

■LNG儲(chǔ)罐高、低液位緊急切斷。在每臺(tái)LNG儲(chǔ)罐的進(jìn)液管和出液管上均裝配氣動(dòng)緊急切斷閥，在緊急情況下，可在卸車(chē)臺(tái)、儲(chǔ)罐區(qū)、控制室緊急切斷進(jìn)出液管路。在進(jìn)液管緊急切斷閥的進(jìn)出口管路和出液管緊急切斷閥的出口管路上分別安裝管道安全閥，用于緊急切斷閥關(guān)閉后管道泄壓。

■氣化器后溫度超限報(bào)警，聯(lián)鎖關(guān)斷氣化器進(jìn)液管。重點(diǎn)是對(duì)氣化器出口氣體溫度進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警和聯(lián)鎖。正常操作時(shí)，當(dāng)達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)氣化器的氣體出口溫度比環(huán)境溫度低10℃，進(jìn)行主備氣化器切換。當(dāng)氣化器結(jié)霜過(guò)多或發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)溫度檢測(cè)超限報(bào)警、聯(lián)鎖關(guān)斷氣化器進(jìn)液管實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化器的控制。

■出站閥后壓力高出設(shè)定報(bào)警壓力時(shí)聲光報(bào)警。緊急情況時(shí)，可遠(yuǎn)程關(guān)閉出站電動(dòng)閥。

☆通過(guò)設(shè)置在安全管理系統(tǒng)內(nèi)的FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災(zāi)和氣體報(bào)警系統(tǒng)），可實(shí)現(xiàn)：

■在LNG工藝裝置區(qū)設(shè)天然氣泄漏濃度探測(cè)器，當(dāng)天然氣其泄露濃度超越報(bào)警限值時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并可在控制室迅速關(guān)閉進(jìn)、出站電動(dòng)閥，進(jìn)出液低溫閥，并可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況開(kāi)啟消防水噴淋閥以及泡沫閥發(fā)生器。

■在LNG灌區(qū)設(shè)置低溫檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)LNG泄露時(shí)，可啟動(dòng)泡沫發(fā)生器，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)出液低溫閥。

■在LNG工藝區(qū)設(shè)置紅紫外火焰檢測(cè)，一旦觸發(fā)，及時(shí)啟動(dòng)泡沫發(fā)生器和消防水噴淋系統(tǒng)，以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)低溫儲(chǔ)罐和重要工藝設(shè)備。

    因LNG氣化站的低溫深冷、易燃易爆的特性，通過(guò)視頻監(jiān)控、電子圍欄、電子巡更等輔助設(shè)備，協(xié)助操作管理人員監(jiān)控LNG場(chǎng)站的人、設(shè)備也是非常的重要。

SAE-LSMS系統(tǒng)是上海航天能源股份有限公司結(jié)合多年的LNG氣化站自控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，定制開(kāi)發(fā)的LNG氣化站生產(chǎn)管理及安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了如下功能：

☆數(shù)據(jù)采集功能

采集和處理LNG站內(nèi)各監(jiān)測(cè)儀表的數(shù)據(jù)，如：LNG儲(chǔ)罐的壓力、液位、大氣溫度、進(jìn)出口切斷閥的閥位、氣化器前后壓力、溫度、氣體流量等，通過(guò)LSMS系統(tǒng)（LNG Safety Management System   LNG安全管理系統(tǒng)）對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可隨時(shí)查詢LNG站各設(shè)備運(yùn)行的情況，并形成管理報(bào)表；

☆故障及異常報(bào)警和報(bào)警處理功能

當(dāng)LNG站設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，LSMS系統(tǒng)（LNG Safety Management System   LNG安全管理系統(tǒng)）會(huì)及時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷異常情況，并將報(bào)警信息迅速反饋到調(diào)度控制中心，通知調(diào)度人員到現(xiàn)場(chǎng)處理或者連鎖LSMS的ESD系統(tǒng)(Emergency Shutdown System 緊急停車(chē)系統(tǒng))。LSMS的報(bào)警信號(hào)有：

■儲(chǔ)罐壓力超限報(bào)警；

■泄漏報(bào)警；

■空溫汽化器出口低溫報(bào)警；

■儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)報(bào)警；

■儀表風(fēng)系統(tǒng)報(bào)警；

當(dāng)發(fā)生火情、危險(xiǎn)氣體的泄漏及LNG的泄漏，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施如隔離生產(chǎn)設(shè)備，啟動(dòng)消防泵、閥，開(kāi)啟泡沫或消防噴淋裝置。

SAE-LSMS系統(tǒng)根據(jù)功用可以劃分為三大系統(tǒng)：

☆SCS系統(tǒng)(Station Control System 站控系統(tǒng)):其主要完成正常生產(chǎn)過(guò)程控制；

☆SIS系統(tǒng)(Safety Instrument System 安全儀表系統(tǒng)): 其主要包含FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災(zāi)和氣體報(bào)警系統(tǒng)）和ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車(chē)系統(tǒng)）；

☆SPS系統(tǒng)（Security & Protection System 安全防范系統(tǒng)）：其主要視頻監(jiān)控、電子圍欄、電子巡更等子系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2：SAE-LSMS安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

SCS系統(tǒng)主要由儀表檢測(cè)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控兩部分系統(tǒng)組成，完成所在LNG貯存氣化站的數(shù)據(jù)采集、連鎖保護(hù)、切斷控制、流量計(jì)量等任務(wù)。其功能如下：

☆對(duì)LNG貯存氣化站的工藝變量、設(shè)備狀態(tài)及其它過(guò)程變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理；

☆儲(chǔ)罐氣體存量計(jì)算；

☆流量計(jì)算及數(shù)據(jù)歸檔；

☆顯示本站的工藝流程圖，數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖、棒狀圖等；

☆工藝變量的越限或故障報(bào)警、打印。

SCS系統(tǒng)由中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)、工業(yè)觸摸屏、可編程控制器PLC組成工業(yè)控制系統(tǒng)。如果中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)故障，工業(yè)觸摸屏和PLC依然能獨(dú)立和穩(wěn)定工作。各工藝過(guò)程參數(shù)采用就地顯示和控制室顯示，通過(guò)中央控制臺(tái)可監(jiān)視、控制整個(gè)氣化站運(yùn)行的全過(guò)程，并可計(jì)算所需的技術(shù)參數(shù)，繪制所需的曲線、圖形、完成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表及事故報(bào)警記錄的打印?？刂葡到y(tǒng)底層硬件采用PLC?？刂葡到y(tǒng)硬件主要由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、鎧裝屏蔽阻燃電纜、現(xiàn)場(chǎng)防爆采集控制柜、中控PLC、工業(yè)觸摸屏、上位工控機(jī)組成，圖3為L(zhǎng)NG氣化站SCS系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面。

FGS系統(tǒng)屬于SIS系統(tǒng)(Safety Instrument System 安全儀表系統(tǒng))的一部分，其核心是具有SIL3認(rèn)證的三重冗余控制器。主要由儀表檢測(cè)及上位監(jiān)控兩部分系統(tǒng)組成，完成所在LNG貯存氣化站的監(jiān)測(cè)泄露，火災(zāi)報(bào)警，與現(xiàn)場(chǎng)消防設(shè)備聯(lián)動(dòng)等任務(wù)。其功能如下：

☆采集并顯示可燃?xì)怏w及火災(zāi)探測(cè)器的工作狀態(tài)；

☆檢測(cè)LNG泄漏，可燃?xì)怏w泄漏及火警并以聲光形式對(duì)探測(cè)到的異常狀態(tài)報(bào)警；

☆采集并顯示消防設(shè)備及輔助設(shè)施的工作狀態(tài)；

☆執(zhí)行緊急切斷邏輯，顯示緊急切斷報(bào)警信號(hào)；

☆消防設(shè)備的聯(lián)動(dòng)；

☆向ESD系統(tǒng)（Emergency Shutdown System 緊急停車(chē)系統(tǒng)）輸出緊急停車(chē)信號(hào)。

圖4為L(zhǎng)NG氣化站FGS系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面，其由中控室上位監(jiān)視系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)報(bào)警按鈕、聲光報(bào)警器等組成。當(dāng)探測(cè)設(shè)備產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)后，為確保生產(chǎn)過(guò)程安全穩(wěn)定以及事故工況的應(yīng)急處理，上位監(jiān)視系統(tǒng)上立即彈出報(bào)警區(qū)域畫(huà)面。當(dāng)這個(gè)區(qū)域中發(fā)生的緊急情況（火災(zāi)等）經(jīng)操作員確認(rèn)后，F(xiàn)GS系統(tǒng)便關(guān)閉該區(qū)域相關(guān)的工藝閥門(mén)和設(shè)備。

FGS系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，可以和SCS系統(tǒng)(Station Control System 站控系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

ESD系統(tǒng)屬于SIS系統(tǒng)(Safety Instrument System 安全儀表系統(tǒng))的一個(gè)子系統(tǒng)，主要是為了確?，F(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備能夠根據(jù)工藝需要進(jìn)行工作，其功能如下：

☆接收SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）和FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災(zāi)和氣體報(bào)警系統(tǒng)）的報(bào)警信號(hào)；

☆對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行分析和表決來(lái)確定出現(xiàn)緊急情況時(shí)需要關(guān)停的設(shè)備；

☆現(xiàn)場(chǎng)設(shè)ESD手動(dòng)按鈕，緊急情況時(shí)可手動(dòng)觸發(fā)ESD系統(tǒng)；

☆根據(jù)工藝要求，將現(xiàn)場(chǎng)某些設(shè)備聯(lián)鎖，當(dāng)不能達(dá)到工藝要求時(shí)，觸發(fā)ESD系統(tǒng)，關(guān)斷工藝設(shè)備。

ESD系統(tǒng)由中控室上位監(jiān)視系統(tǒng)、可編程控制器PLC（SIL3及以上安全等級(jí)認(rèn)證）、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)ESD按鈕等組成。需要說(shuō)明的是聯(lián)鎖觸發(fā)條件必須經(jīng)人工確認(rèn)并復(fù)位后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常狀態(tài)以保證生產(chǎn)的安全（如LNG儲(chǔ)罐進(jìn)出液切斷閥）。

緊急關(guān)停的復(fù)位，ESD提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，可以和SCS系統(tǒng)（Station Control System 站控系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。一般會(huì)設(shè)計(jì)ESD系統(tǒng)和FGS系統(tǒng)（Fire and Gas System 火災(zāi)和氣體報(bào)警系統(tǒng)）共用其核心控制器。

SPS系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控、電子圍欄、電子巡更等子系統(tǒng)，通過(guò)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可對(duì)主要設(shè)備和人進(jìn)行監(jiān)視和錄像，同時(shí)出現(xiàn)事故后可及時(shí)分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。電子圍欄系統(tǒng)誤報(bào)率非常低，且可以主動(dòng)防御，性能優(yōu)于紅外對(duì)射式周界報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)然考慮到公安部門(mén)審批因素，也可以采用以報(bào)警為主的張力圍欄系統(tǒng)。電子巡更系統(tǒng)主要考慮到對(duì)核心設(shè)備的巡檢需要，以確認(rèn)關(guān)鍵設(shè)備在指定時(shí)間內(nèi)必須被巡查到。

SPS系統(tǒng)作為生產(chǎn)管理的輔助系統(tǒng)，對(duì)安全生產(chǎn)起到了不可或缺的作用。

SAE-LSMS系統(tǒng)已成功在國(guó)內(nèi)應(yīng)用多年，2005年深圳美視電廠總管式增壓40kfg，氣化量48,000NM³/H，2007年深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)梅林LNG應(yīng)急調(diào)峰站單元式增壓20kfg，氣化量小時(shí)40,000NM³/H，2008年南京港華兩個(gè)2500立方LNG子母罐氣化站均已應(yīng)用該系統(tǒng)。均取得了較好的效果。圖5為廣東潮州子母罐式LNG氣化站SCS系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面。

 

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