CN105116865B - Lng加气站优化控制系统 - Google Patents

Abstract

LNG加气站优化控制系统，采用DCS控制，包括对LNG贮槽、泵池和加液循环和计量进行控制的DCS站控系统，加注机的批控器的控制功能也由DCS完成：1)为保证LNG加液时液相管道内充满液相，控制LNG进行大小循环，大小循环过程中检测高准质量流量计驱动增益信号输出变化，在液相和气相状态时具有不同的增益信号输出，当系统判断管道流动为液相的状态，流过质量流量计的LNG无气体时，显示预冷结束，结束大小循环；2)工艺配置BOG气体的自动集气排气功能，无需预冷过程：在工艺管线上设有LNG集液器和积气器，集液器的液位由DCS控制合适液位；在不加液时LNG液相管道内充满液体，气相通过积气器和LNG贮罐相通，工艺管道因热损所产生的BOG气体将及时通过积气器排入和LNG贮罐相连的气相空间。

Description

LNG加气站优化控制系统

技术领域

本发明属于新能源输送计量领域，具体涉及一种LNG加气站的仪表、阀门的选择及控制系统的优化控制技术。

背景技术

目前LNG子站控制均为注液机或加气机上所用批控器加站控系统。批控器多为西门子S200系统；注液机内阀门(进液阀、回流阀、排气阀)和仪表(质量、压力、温度)直接连接批控器，批控器完成注液机内的测量和控制。站控系统多为西门子S300系统，除注液机相连自控设备外所有的仪表、阀门及站控系统通过电缆连接至站控系统，站控系统完成除注液机控制外站控功能。注液机批控器S200和站控制系统S300通过MODBUS总线进行连接，完成注液机和站控系统的通讯。

存在问题：当注液机的批控器S200发生故障，注液机无法工作。当站控系统S300故障，所有注液机均无法工作。一旦批控器或站控系统发生故障，LNG站均有重大安全隐患，其重要工艺参数如液位、压力、温度无法检测。

目前的工艺均如图1所示，防止质量流量计气液夹带时计量不准。当注液机不具备加液条件时要通过潜液泵运转，LNG进行小循环，以保证LNG液相管道内充满液相；当注液机准备加液时，如下图2所示，预冷注液机预冷，通过潜液泵运转，LNG进行大循环，以保证LNG液相管道内及加液枪真空软管加都充满液相。预冷结束后以压力和温度为判据，预冷结束后提示OK，加液枪头从注液机插枪口取下，插入要加液钢瓶，进行加液。

存在问题：上述工艺方法，LNG加气潜液泵的运转均需电耗，而电耗最终均转化为热，热量的产生将为多产生BOG气体。目前LNG站泵池液位大多没有检测，真空泄漏在线检测也多没有设置。

潜液泵为立式屏蔽离心泵，如在无液状态下运行，几秒泵便会损坏。潜液泵多采用进口，价格较贵，双液位测量是十分必要。

LNG站真空系统的好坏直接影响系统绝热性的好坏，如下图3所示，真空度的减少，将带来系统对外传热系数的大幅提升。真空的泄漏在线检测可实时在线检测系统绝热的好坏。

目前LNG切断阀多采用截止阀，截止阀关闭慢，泄漏量大。采用高性能切断球阀，确保切断快速无泄漏，并且流通量大，压阻小。

BOG气体回收,就是加一个BOG储罐,10至20m3,再加个BOG压缩机,增压后供给管道用户使用；二是放散,在LNG卸车的时候利用一点,LNG储罐补气用一点。BOG压缩机的工作原理是利用连杆推动活塞进行反复运动使气体增压外输。BOG即Boil Off Gas，指在储罐内吸收外界热量后挥发而成的气体。随着储罐内挥发气体的增多，储罐内压力不断上升，为维持储罐压力在允许的范围内，一般需要把BOG压缩再冷凝成液体或压缩后输出。BOG压缩机就是用于压缩BOG的压缩机。一般BOG压缩机采用无油润滑往复式压缩机，压缩机的一级缸体、活塞等必须耐低温，要防止结冰。无油润滑一般采用迷宫密封或特制的活塞环来实现。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明目的是，提供有关LNG控制系统的优化控制技术与装置，一揽子来解决上述问题。

本发明的技术方案是：LNG加气站优化控制系统，对LNG加气站采用DCS控制，包括对LNG贮槽、泵池和加液循环和计量进行控制的DCS站控系统，加注机的批控器的控制功能也由DCS完成，LNG加注控制方法：

1)为保证LNG加液时液相管道内充满液相，控制LNG进行大小循环，大小循环过程中检测高准质量流量计驱动增益信号输出变化，在液相和气相状态时具有不同的增益信号输出，当系统判断管道流动为液相的状态，流过质量流量计的LNG无气体时，显示预冷结束，结束大小循环；

2)工艺配置BOG气体的自动集气排气功能，不需要预冷过程：在工艺管线上设有LNG集液器和积气器，集液器的液位由DCS控制合适液位；在不加液时LNG液相管道内充满液体，气相通过积气器和LNG贮罐相通，工艺管道因热损所产生的BOG气体将及时通过积气器排入和LNG贮罐相连的气相空间。

LNG加注时DCS系统自动关闭集液器下切断阀，打开加液管线上所有切断阀，完成对车辆的加注。

DCS采用冗余冗错配置，大大提高了控制系统的安全性。为节省电缆站控系统机柜可安装于现场，机柜内充氮气正压保护。

二、仪表自控阀门的选用

1)设置贮槽液位、泵池液位双液位检测装置，泵池液位采用雷达液位计在线测量泵池液位，贮槽液位采用差压液位检测装置；液位检测信号接站控系统；

2)贮槽夹层进行真空度在线检测，真空检测采用热偶及冷阴极规相结合的检测装置，热偶及冷限极规安装在抽真空管的LNG贮槽的轴向对称侧；先由热偶检测真空度，当真度小于1Pa时，再启动冷阴极规测量真空。由DCS控制再线检测，确保检测的自动化和安全性。热偶及冷阴极规相结合的检测装置通过切断阀和贮槽真空相连，当真空检测装置更换时，切断阀断开；检测装置更换完成后，仅需对检测部位管线抽真空，真空满足后，切断阀开通，可恢复对真空系统的进行检测。对于贮槽夹层真空度的再线检测也可用超声波测真空的装置对贮槽夹层真空度进行在线检测，因冷阴极测量有电离现象，在贮槽存在LNG气体泄漏的情况下使用冷阴极方法检测有一定危险性，而采用超声波测真空方法更加简单安全。

3)压力、流量、真空度、泄漏在线检测报警联锁及紧急停车，确保装置安全性；

4)采用切断球阀，确保切断快速无泄漏；且具有加长阀杆，阀杆上设有两级填料密封；

5)本发明采用高性能切断球阀，确保切断快速无泄漏，并且流通量大，压阻小。

本发明的有益效果：本发明提供了LNG加气站新型仪表、阀门在加气站的应用及DCS系统优化控制技术，站控系统所有功能全部由DCS控制完成，系统的冗余设计确保装置安全平稳运行；

采用优化控制最大程度减少工艺热损，提高有效时间，降低功耗，延长装置寿命；设置双液位(贮槽液位、泵池液位)、压力、流量、真空度、泄漏在线检测报警联锁及紧急停车，确保装置安全性；采用高性能切断球阀，确保切断快速无泄漏；智能站控管理具有车辆自动识别、安全自动识别和远程中央调控的功能。

附图说明

图1所示当注液机准备加液时小循环的结构示意图；

图2所示当注液机准备加液时大循环的结构示意图；

图3所示采用热偶及冷阴极规相结合，热偶及冷限极规安装在抽真空管的LNG贮槽轴上对称侧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

1、站控系统所有功能全部由DCS控制完成，系统的冗余设计确保装置安全平稳运行；

图1-2中，V1-5为单向阀1-5，GV1-2为气动阀1-2；L、Q(FIQ)分别是液相质量流量计和气相质量流量计；BV为球阀；SV为安全阀；ZV1为截止阀，加液枪头1、回气枪头2、插枪口3、金属软管4；热偶规及冷阴极规5。

目前LNG子站均为注液机或加气机上批控器加站控系统。批控器多为西门子S200系统；注液机内阀门(进液阀、回流阀、排气阀)和仪表(质量、压力、温度)直接连接批控器，批控器完成注液机内的测量和控制。站控系统多为西门子S300系统，除注液机外所有的仪表、阀门及站控系统通过电缆连接至站控系统，站控系统完成除注液机控制外站控功能。注液机S200和S300通过MODBUS总线进行连接，完成注液机和站控系统的通讯。

存在问题：当注液机S200发生故障，注液机无法工作。当站控系统S300故障，所有注液机均无法工作。一旦控制器发生故障，LNG站均有重大安全隐患，其重要工艺参数压力无法检测。

为了解决其问题，站控系统可采用冗余系统西门子S1500，不但其性价好，其电源、网络、控制器及关键IO均可冗余。批控器也可冗余配置或将注液机内仪表阀门直连到批控器。

为解决注液机到控制室的电缆辅设费用，可将批控器安装于现场，批控器机柜可充氮气正压保护。

2、采用优化控制最大程度减少工艺热损，提高有效时间，降低功耗，延长装置寿命；

目前工艺均如下图1所示，注液机不加液时通过潜液泵运转，LNG进行小循环，以保证LNG液相管道内充满液相。

当注液机准备加液时，如下图2所示：预冷注液机预冷，通过潜液泵运转，LNG进行大循环，以保证LNG液相管道内及加液枪真空软管加都充满液相。预冷结束后以压力和温度为判据，预冷结束后提示OK，加液枪头从注液机插枪口取下，插入要加液钢瓶，进行加液。(进液管通过管道依次从截止阀、单向阀、液体质量流量计、气动阀、加液枪，再通过插枪口、第二单向阀至回气管道)。

方法1：最大程度减少泵的不加液运转。前所有的注液机均采用EMERSON的高准质量流量计。

以上过程均为了防止质量流量计气液夹带计量不准。潜液泵的运转均需电耗，而电耗最终均转化为热。本发明解决若不启动泵而解决LNG液相管道气体排出问题，最大成度减少泵的不加液运转。目前所有的注液机均采用EMERSON的高准质量流量计。

其高准质量流量计有如下功能：驱动增益，DRIVE GAIN，能够帮助系统判断气液两相的状态，并通过和站控系统的连接，将驱动增益送入DCS。

当DCS系统检测到流过液相质量流量计的LNG无气体时，可显示预意冷结束，可预冷最短时间。小循环时DCS可根据驱动增益的判断，自适应减少泵的运行。将泵的无用功减到最小。

方法2：、自动集气排气不需预冷过程。控制自动集气排气工艺管线的阀门，并根据集气管线上液位检测，确保集气排气的可靠性。

加液时集气管道下切断阀自动关闭，不加液时潜液泵进液泵关闭，集气管道下切断阀打开，集气管道自动集气并排至贮槽气相空间，当集气管液位下降到下限时，可打开相关阀门给积液管自动补液。

加上质量流量计驱动增益的判断，确保系统运行可靠安全。

设置双液位(贮槽液位、泵池液位)、压力、流量、真空度、泄漏在线检测报警联锁及紧急停车，确保装置安全性；信号接站控系统；

目前LNG站泵池液位大多没有检测，真空泄漏在线检测也多没有设置。

潜液泵为立式屏蔽离心泵，在无液状态下运行，几秒泵便会损坏。潜液泵多采用进口，价格较贵，双液位测量是十分必要。

本发明泵池液位采用高性能液位计雷达可在线测量泵池液位，贮槽液位采用差压液位，双液位检测从而保证潜液泵运行安全。

真空度在线检测，采用热偶及冷阴极规相结合。热偶及冷限极规安装在抽真空管的LNG贮槽轴向对称侧。信号接站控系统；如图所示。在LNG贮槽的轴向对称侧安装热偶及冷限极规，这样可确保测量的安全可靠，并能保证真空壳的真空度，维护更换较为方便。

站控系统先采用热偶检测真空度当真度小于1Pa时，再启动冷阴极测量真空。当传感器发生故障时，先关闭测量管上切断阀，再拆换传感器。传感器更换好后，对测量管进行抽真空，当真空度满足后关闭测量管上切抽真空切断阀。

真空度在线检测，因冷阴极测量有电离现象，在有LNG气体泄漏的情况下，易发生危险。根据声波在不同气体密度下传播速度不同，德帮发明超声波测真空的方法对真空度进行在线检测，方法更加简单安全。信号接站控系统。

采用高性能切断球阀，确保切断快速无泄漏；

目前LNG切断阀多采用截止阀，截止阀关闭慢，泄漏量大。采用高性能切断球阀，确保切断快速无泄漏。低温切断球阀具体要求如下：

①耐低温：阀体材质304、阀芯材质316、阀座材质PCTFE或KEL-F。加长阀杆，两级填料密封

②防火：两级密封，达到API607标准

③防蒸发泄压：安全泄放，要求来料侧半球泄压保护，防止球腔内液体气化造成阀门爆裂。

④LNG系统在常温条件下安装，在低温条件下运行，两者温差很大(～180℃)，由此而来的膨胀及收缩应力，设计时要据此考虑必要的柔性，以便最大应力在允许范围内。

智能站控管理

安全自动识别；

除站控系统对LNG站的安全监控外，通过LNG站监视系统对站内及站周围环境进行图像实时判断，能自动识别发现烟、火、疑似非安全情景，并进行报警。

③远程中央调控；

时实将LNG站的数据通过Internet传送至中央控制室，中央控制室对每个子站进行管理，不仅能及时了解每个站的运行经营状况，对所有子站进行汇总统计，还可以对LNG子站安全状况进行监控，发现问题自动报警。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.LNG加气站优化控制系统，其特征是对LNG加气站采用DCS站控系统控制，包括对LNG贮槽、泵池和加液循环和计量进行控制的DCS站控系统，加注机的批控器的控制功能也由DCS站控系统完成：

1）为保证LNG加液时液相管道内充满液相，控制LNG进行大小循环，大小循环过程中检测高准质量流量计驱动增益信号输出变化，在液相和气相状态时具有不同的增益信号输出，当系统判断管道流动为液相的状态，流过质量流量计的LNG无气体时，显示预冷结束，结束大小循环；

2）工艺配置BOG气体的自动集气排气功能，无需预冷过程：在工艺管线上设有LNG集液器和积气器，集液器的液位由DCS站控系统控制合适液位；在不加液时LNG液相管道内充满液体，气相通过积气器和LNG贮罐相通，工艺管道因热损所产生的BOG气体将及时通过积气器排入和LNG贮罐相连的气相空间；

设置LNG贮槽液位、泵池液位双液位检测装置，泵池液位采用雷达液位计在线测量泵池液位，贮槽液位采用差压液位检测装置；液位检测信号接站控系统；

LNG贮槽夹层进行真空度在线检测，真空检测采用热偶及冷阴极规相结合的检测装置，热偶及冷限极规安装在抽真空管的LNG贮槽的轴向对称侧；先由热偶检测真空度，当真度小于1Pa时，再启动冷阴极规测量真空；由DCS站控系统控制再线检测，确保检测的自动化和安全性；

热偶及冷阴极规相结合的检测装置通过切断阀和贮槽真空相连，当真空检测装置更换时，切断阀断开；检测装置更换完成后，仅需对检测部位管线抽真空，真空满足后，切断阀开通，恢复对真空系统的进行检测；

同时设有超声波测真空的装置对贮槽夹层真空度进行在线检测，在贮槽夹层有LNG气体泄漏的情况下进行安全检测；

LNG加注时DCS站控系统自动关闭集液器下切断阀，打开加液管线上所有切断阀，完成对车辆的加注；DCS站控系统采用冗余冗错配置。

2.根据权利要求1所述的LNG加气站优化控制系统，其特征是采用切断球阀，且具有加长阀杆，阀杆上设有两级填料密封。

3.根据权利要求1所述的LNG加气站优化控制系统，其特征是采用压力、流量、真空度、泄漏在线检测报警联锁及紧急停车，确保装置安全性。

4.根据权利要求1所述的LNG加气站优化控制系统，其特征是批控器冗余配置或将注液机内仪表阀门直连到批控器；将批控器安装于现场，批控器机柜充氮气正压保护。