FSRU再气化模块再冷凝系统控制方案研究.pdf
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1、第 卷第期 年 月中 国 海 上 油 气 中 国 海 洋 石 油 集 团 有 限 公 司“三 新 三 化”项 目“模 块 化 再 气 化 装 置 工 程 化 应 用(编 号:)”部 分 研 究 成 果。第 一 作 者 简 介:彭 延 建,男,高 级 工 程 师,年 毕 业 于 上 海 交 通 大 学 港 口、海 岸 及 近 海 工 程 专 业,获 硕 士 学 位,主 要 从 事 液 化 天 然 气 储 运工 作。地 址:北 京 市 朝 阳 区 太 阳 宫 南 街号 院(邮 编:)。:。文 章 编 号:?()?:?引 用:彭 延 建,张 超,梁 海 瑞,等 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统
2、 控 制 方 案 研 究中 国 海 上 油 气,():,():犉 犛 犚 犝再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 控 制 方 案 研 究彭 延 建张超梁 海 瑞安 东 雨(中 海 石 油 气 电 集 团 有 限 责 任 公 司北 京 )摘要再 气 化 模 块 作 为 液 化 天 然 气 浮 式 储 存 与 再 气 化 装 置()中 的 核 心 装 备,再 冷 凝 系 统 的 控 制 对整 个 再 气 化 模 块 的 稳 定 运 行 至 关 重 要。结 合 传 统 陆 上 液 化 天 然 气()接 收 站 和 船 再 冷 凝 器 工 艺流 程 和 控 制 方 案,提 出 了 适 用 于 再 气
3、 化 模 块 再 冷 凝 系 统 的 新 型 压 力 控 制 方 案 和 液 位 控 制 方 案,采 用 模 拟 分 析 了种 控 制 方 案 在 (闪 蒸 气)变 化 工 况 下 的 稳 定 时 间 及 再 冷 凝 器 液 位、压 力 等 参 数 超 调 量。结果 表 明:种 控 制 方 案 均 能 实 现 再 冷 凝 系 统 的 平 稳 运 行,新 型 液 位 控 制 方 案 再 冷 凝 器 液 位 及 顶 部 压 力 超 调 量小,但 达 到 平 稳 控 制 的 时 间 较 长,适 用 于 外 输 量 波 动 较 大 的 调 峰 型 再 气 化 模 块;新 型 压 力 控 制 方 案 的
4、 控 制 超调 量 较 大、稳 定 速 度 较 快,适 用 于 稳 定 外 输 的 基 荷 型 再 气 化 模 块。本 研 究 为 后 续 模 块 化、集 约 化 程 度 较 高 的再 气 化 装 备 研 发 设 计 提 供 了 参 考。关 键 词液 化 天 然 气 浮 式 储 存 装 置;再 气 化 模 块;再 冷 凝 系 统;控 制 方 案;调 峰 型;基 荷 型中 图 分 类 号:文 献 标 识 码:犛狋狌 犱 狔 狅 狀 犮 狅 狀 狋狉 狅犾 狊犮 犺 犲 犿 犲 犳狅 狉 狉犲犮 狅 狀 犱 犲 狀 狊犪狋犻狅 狀 狊狔狊狋犲 犿 狅犳 犉 犛 犚 犝 狉犲 犵 犪狊犻犳犻犮 犪狋
5、犻狅 狀 犿 狅 犱 狌犾犲 (犆 犺 犻 狀 犪 犖 犪 狋犻 狅 狀 犪 犾 犗 犳 犳 狊 犺 狅 狉 犲 犗 犻犾 犌 犪 狊 牔 犘 狅 狑 犲 狉 犌 狉 狅 狌 狆,犅 犲犻 犼犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊狋狉 犪 犮狋:(),(),犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊:();中 国 海 上 油 气 年 月 在 天 然 气 多 数 应 用 场 景 中,须 将 液 化 天 然 气()再 气 化 成 气 态 的 天 然 气。陆 上 接 收站 高 压 外 输 系 统 和 液 化 天 然 气 浮 式 储 存 与 再 气 化 装置()的 再 气 化 系 统 相 比,虽 在 名 称
6、、工 艺 流程、设 备 类 型 以 及 具 体 配 置 上 存 在 差 异,但 两 者 的 核心 功 能 均 为 实 现 再 气 化。相 对 于 陆 上 接 收 站,集 约 度 较 高,在 工 期、投 资 规 模、灵 活性 等 方 面 具 备 一 定 优 势,适 用 于 陆 上 接 收 站建 设 期 的 临 时 供 气 或 陆 域、海 域 条 件 不 允 许 时 的 替代 供 气。在 正 常 操 作 工 况 下,接 收 站 或 都会 在 低 压 下 产 生 蒸 发 气()。为 最 大 限 度 减少 气 体 损 失 和 环 境 排 放,产 生 的 往 往 需 要 进行 处 理 以 避 免 火 炬
7、 燃 烧 或 排 空。相 较 再 液 化 工 艺和 高 压 压 缩 外 输 工 艺,再 冷 凝 器 冷 凝 工 艺 由于 更 加 经 济 高 效,往 往 被 陆 上 接 收 站 优 先 采用 。然 而 由 于 传 统 陆 上 填 料 塔 式 再 冷 凝 器 质 量大 且 成 本 高,限 制 了 其 在 海 上 的 应 用。因 此,船 舶 多 采 用 再 气 化 模 块 作 为 的 处 理 设 备。上 的 再 气 化 模 块 包 括 再 冷 凝 与 气 化 外 输 两 项 工 艺,其 功 能 与 传 统 陆 上 气 化 外 输 工艺 相 同,但 结 构 更 为 紧 凑,占 地 面 积 更 小。因
8、 此,再气 化 模 块 的 工 艺 优 化 研 究 成 为 当 前 研 究 的热 点。公 司 研 制 了 更 小、更 轻 的 静 态 混 合 式 再 冷 凝 器,成 为 船 上 应 用 的 理 想 选 择,从 年 开 始 在 上 进 行 应 用。研究 了 对 于 的 最 优 处 理 方 案,确 定了 产 生 量 最 大 的 工 况,以 及 再 气 化 模 块 中 再 冷 凝 工 作 的 处 理 方 法。再 冷 凝 工 艺 作 为 再 气 化 模 块 的 核 心 工 艺之 一,其 再 冷 凝 系 统 控 制 方 案 设 计 是 整 个 再 气 化 模块 设 计 的 重 点 与 难 点。虽 然 传
9、 统 陆 上 接 收 站再 冷 凝 器 控 制 已 相 对 成 熟,但 主 要 操 作 方 式 还 是 将 直 接 引 入 再 冷 凝 器 中 与 混 合,其 处理 能 力 受 高 压 泵 入 口 温 度、压 力 条 件 的 限 制 。此 外,在 多 数 传 统 接 收 站 的 实 际 操 作 中,再 冷凝 器 由 于 外 输 波 动 大、(比 例、积 分 和 微 分 控 制)参 数 设 置 不 合 理 等 因 素 难 以 实 现 自 动 控 制 回 路 的 投用。再 气 化 模 块 与 接 收 站 再 冷 凝 器 相 比,其外 输 工 况 包 括 航 行、调 峰 外 输、基 荷 外 输 等,
10、工 艺 流程 更 为 复 杂,自 动 控 制 难 度 也 更 高。为 实 现 再 气 化 模 块 在 新 型 工 艺 流 程 下 的 自 动 控 制,需 进 一步 对 再 气 化 模 块 的 控 制 方 案 开 展 深 入 研 究。国 内 拟 在 某 接 收 站 建 造 再 气 化 模 块 试 验装 置 作 为 船 应 用 基 础,本 文 针 对 该 陆 上 接 收 站 再 气 化 模 块 的 再 冷 凝 系 统 控 制 方 案 开 展 研究,对 比 液 位 控 制 和 新 型 压 力 控 制种 控 制 方 案 的控 制 性 能 差 异,从 而 为 不 同 外 输 需 求 的 再 气 化 模
11、块控 制 方 案 的 选 择 提 供 参 考。再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 工 艺 流 程 与建 模 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 工 艺 流 程基 于 某 接 收 站 的 实 际 环 境 条 件,其 再 气 化模 块 采 用 开 式 循 环 工 艺。低 压 首 先 通 过 再 冷凝 器,在 再 冷 凝 器 中 将 经 冷 却 器 冷 却 后 的 进 一 步 冷 凝;低 压 通 过 再 冷 凝 器 后 进 入 高 压 泵加 压,加 压 后 的 与 在 冷 却 器 中 换 热,进 入 主 气 化 器 与 中 间 介 质 换 热 气 化,气 化 后 的 天 然 气进 一 步 与
12、 海 水 补 温 后 进 行 气 化 外 输(图)。图 某犔 犖 犌接 收 站 再 气 化 模 块 工 艺 流 程犉 犻犵 犘 狉 狅 犮 犲狊狊 犳犾狅 狑 狅 犳 犪 犔 犖 犌 狋犲 狉 犿 犻 狀 犪犾狊 狉 犲 犵 犪 狊犻犳犻犮 犪 狋犻狅 狀 犿 狅 犱 狌 犾犲第 卷第期彭 延 建 等:犉 犛 犚 犝再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 控 制 方 案 研 究 与 传 统 接 收 站 中 直 接 通 入 再 冷 凝器 冷 却 流 程 不 同,该 接 收 站 再 气 化 模 块 中,首 先 进 入 再 气 化 模 块 的 冷 却 器 进 行 冷 却,后 进 入 再 冷 凝 器
13、降 温 液 化。由 于 冷 却 器 对 的 一 级 冷 却 作 用,该 再 气 化 模 块 喷淋 比 值 与 接 收 站 再 冷 凝 器 相 比 显 著 降 低。再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 工 艺 建 模再 冷 凝 系 统 主 要 设 备 包 括 再 冷 凝 器(包 括 再 冷凝 器 上 部 和 再 冷 凝 器 下 部 ,均 为 立 式圆 筒 罐)、高 压 泵()和 冷 却 器(,型式 为 印 刷 电 路 板 式),阀 门 主 要 有 喷 淋 控 制 阀()、再 冷 凝 器 旁 路 调 节 阀()、高压 补 气 阀()和 管 线 阀(),再 冷 凝 器 超 压 泄 放 通 过 泄
14、放 阀 控 制。系 统 主 要 设 备参 数 及 阀 门犆 狏值 见 表 。采 用 软 件 对再 冷 凝 系 统 的 控 制 方 案 进 行 动 态 模 拟 分 析。表 犅 犗 犌冷 却 器 设 备 参 数犜 犪 犫 犾犲 犈 狇 狌 犻 狆 犿 犲 狀 狋 狆 犪 狉 犪 犿 犲狋犲 狉狊 狅 犳 犅 犗 犌 犮 狅 狅犾犲 狉参 数数 值容 积 总 热 传 热 系 数犝 犃()额 定 流 量()(管 侧)、(壳 侧)设 计 压 降 (管 侧)、(壳 侧)压 流 系 数犽 ()(管 侧)、(壳 侧)表 再 冷 凝 器 设 备 参 数犜 犪 犫 犾犲 犈 狇 狌 犻 狆 犿 犲 狀 狋 狆 犪
15、 狉 犪 犿 犲狋犲 狉狊 狅 犳 狉 犲 犮 狅 狀 犱 犲 狀 狊犲 狉参 数数 值容 积 直 径 高 度(上 半 段)、(下 半 段)初 始 液 位、表 再 气 化 模 块 阀 门犆 狏值犜 犪 犫 犾犲 犆 狏狏 犪犾狌 犲狊 狅 犳 狉 犲 犵 犪 狊犻犳犻犮 犪 狋犻狅 狀 犿 狅 犱 狌 犾犲阀 门犆 狏再 冷 凝 器 入 口 调 节 阀 再 冷 凝 器 旁 路 调 节 阀 入 口 流 量 调 节 阀 再 冷 凝 器 高 压 补 气 调 节 阀 注:阀 门 额 定 流 量 系 数犆 狏值 采 用 气 体 尺 寸 计 算 法 计 算。连 接 各 阀 门 与 设 备,得 到 与 实
16、际 过 程 对 应 的 模型 映 射(图),输 入 系 统 的 边 界 条 件 及 各 流 股 组 分(表),选 择 物 性 方 法 为 。在 再 气化 模 块 再 冷 凝 系 统 中,流 股 来 自 上 游 储 罐 低 压 泵,流 股 来 自 上 游 压 缩 机 出口,两 者 流 量 加 和 为 ;流 股 来 自 气 化 外输 的 补 气。图 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 工 艺 流 程 模 型犉 犻犵 犘 狉 狅 犮 犲狊狊 犳犾狅 狑 犿 狅 犱 犲犾 狅 犳 狉 犲 犵 犪 狊犻犳犻犮 犪 狋犻狅 狀 犿 狅 犱 狌 犾犲 犻 狀 狉 犲 犮 狅 狀 犱 犲 狀 狊 犪 狋犻
17、狅 狀 狊 狔 狊狋犲 犿 在 模 型 进 入 稳 态 运 行 后,设 定 模 型 动 态 压 力 边界 条 件(表),将 稳 态 模 型 转 化 为 动 态 模 型。在 动态 模 型 中,所 有 阀 门 均 采 用 压 流 关 系 进 行 动 态 规定,与 再 冷 凝 器 控 制 相 对 独 立 的 高 压 泵 ,采用 给 定 扬 程 为 、泵 效 率 的 动 态 规 定,冷 却 器 动 态 规 定 为犝 犃值 和 压 流 系 数犽(数 值参 考 表),再 冷 凝 器 忽 略 进 料 压 力 差,考 虑 静 压 头贡 献。流 股 初 始 条 件 参 考 表,高 压 泵 初 始 条 件 设置
18、为 开,再 冷 凝 器 初 始 持 液 量 上 半 段 为,下 半 段 为 。中 国 海 上 油 气 年 月表 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 边 界 流 股 初 始 条 件犜 犪 犫 犾犲 犐 狀 犻狋犻犪犾 犮 狅 狀 犱 犻狋犻狅 狀 狊 犳 狅 狉 犫 狅 狌 狀 犱 犪 狉 狔 犳犾狅 狑 狅 犳 狉 犲 犵 犪 狊犻犳犻犮 犪 狋犻狅 狀 犿 狅 犱 狌 犾犲 犻 狀 狉 犲 犮 狅 狀 犱 犲 狀 狊 犪 狋犻狅 狀 狊 狔 狊狋犲 犿参 数不 同 流 股 数 值 气 相 分 率温 度 压 力 质 量 流 量()甲 烷 乙 烷 丙 烷正 丁 烷正 戊 烷氮 气 注:为 摩
19、 尔 百 分 数。表 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 流 股 动 态 压 力 边 界 条 件犜 犪 犫 犾犲 犛 狋狉 犲 犪 犿 犫 狅 狌 狀 犱 犪 狉 狔 犮 狅 狀 犱犻狋犻狅 狀 狊 狅 犳 犱 狔 狀 犪 犿 犻犮 狆 狉 犲狊狊 狌 狉 犲 犳 狅 狉狉 犲 犵 犪 狊犻犳犻犮 犪 狋犻狅 狀 犿 狅 犱 狌 犾犲 犻 狀 狉 犲 犮 狅 狀 犱 犲 狀 狊 犪 狋犻狅 狀 狊 狔 狊狋犲 犿流 股压 力 设 定 值 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 控 制 方 案 研 究再 冷 凝 器 实 质 上 是 一 个 物 料 发 生 相 变 的 系 统,维 持 其 运
20、行 状 态 的 平 稳 需 同 时 达 到 物 料 和 能 量 的 双平 衡。能 量 平 衡 要 求 控 制 气 液 相 入 口 的 比 率,物 料平 衡 要 求 做 到 再 冷 凝 器 出 入 口 的 物 料 平 衡。目前 传 统 接 收 站 已 有 的 再 冷 凝 器 控 制 方 案 主 要有 液 位 控 制 方 案 和 压 力 控 制 方 案 两 种。前 者 为 反 馈控 制,利 用 流 量 和 再 冷 凝 器 液 位 控 制 气 液 进入 比 率 达 到 能 量 平 衡,以 及 利 用 再 冷 凝 器 底 部 出 口压 力 调 节 再 冷 凝 器 旁 路 调 节 阀 达 到 物 料 平
21、 衡;后 者为 前 馈 控 制,利 用 再 冷 凝 器 顶 部 气 相 压 力 控 制 再 冷凝 器 入 口 流 量 匹 配 流 量,实 现 能 量 平衡,并 利 用 再 冷 凝 器 液 位 控 制 再 冷 凝 器 旁 路 调 节 阀达 到 物 料 平 衡。两 种 控 制 方 案 在 控 制 逻 辑 上 均能 实 现 再 冷 凝 器 的 平 稳 可 靠 运 行。然 而,由 于 再 气化 模 块 再 冷 凝 系 统 中 冷 却 器 的 引 入,系 统 复杂 程 度 增 加,传 统 的 控 制 方 案 无 法 实 现 对 流量 及 温 度 的 稳 定 控 制,为 此 开 发 新 型 控 制 方 案
22、,通 过控 制 再 冷 凝 系 统 的 各 个 关 键 参 数,实 现 工 况 变 化 下的 外 输 稳 定,保 障 再 气 化 模 块 的 平 稳 运 行。新 型 液 位 控 制 方 案典 型 接 收 站 的 液 位 控 制 方 案 包 含个 控制 回 路。喷 淋 流 量:由 再 冷 凝 器 顶 部 压 力 控制 回 路 控 制;压 缩 机 开 度:由 再 冷 凝 器 液 位控 制 回 路 控 制;再 冷 凝 器 液 位:由 再 冷 凝 器 旁 路 阀控 制;高 压 泵 入 口 饱 和 蒸 气 压 差 值:通 过 低 选 器 在压 差 值 过 小 时 控 制 压 缩 机 开 度,确 保 控
23、制 方案 的 安 全 性。考 虑 再 冷 凝 系 统 工 艺 流 程 和 控 制 要 求,为 再 冷凝 系 统 添 加 再 冷 凝 器 顶 部 压 力 控 制 回 路、液 位 控 制回 路 和 冷 却 器 出 口 温 度 与 再 冷 凝 器 出 口 饱 和蒸 汽 压 差 低 选 控 制 回 路,得 到 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系统 新 型 液 位 控 制 方 案(图)。考 虑 喷 淋 流 量仍 由 再 冷 凝 器 顶 部 压 力 控 制,为 了 控 制 入 口流 量 稳 定,选 用 冷 却 器 出 口 温 度 控 制 进 入 再冷 凝 器 的 流 量,确 保 再 冷 凝 系 统 实 现
24、 能 量 平衡;同 时 当 高 压 泵 入 口 压 力 与 饱 和 蒸 气 压 差 值 过 小时,为 防 止 气 蚀 应 由 饱 和 蒸 气 压 差 值 控 制 流量;物 料 平 衡 可 选 择 再 冷 凝 器 底 部 液 位 控 制 或 压 力控 制,由 于 再 冷 凝 器 压 力 信 号 已 用 于 控 制 流量,因 此,物 料 平 衡 由 再 冷 凝 器 的 液 位 控 制 实 现。基 于 已 确 定 的 再 冷 凝 系 统 控 制 策 略,需 要 对 控制 器 的 控 制 方 式 进 行 选 择 和 对 控 制 参 数 进 行 整 定。控 制 方 式 主 要 有 比 例 控 制()、比
25、 例 积 分 控 制()和 比 例 积 分 微 分 控 制()种。一 般 来 说,接 收 站 的 控 制 回 路 比 较 简 单,采 用 比 例 积 分 控 制 即可。本 控 制 系 统 基 于 临 界 比 例 度 法 和 经 验 试 凑 法,利 用 软 件 动 态 模 拟 功 能,综 合 整 定 了 再 气化 模 块 再 冷 凝 系 统 各 类 控 制 参 数(表)。第 卷第期彭 延 建 等:犉 犛 犚 犝再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 控 制 方 案 研 究 图 再 气 化 模 块 再 冷 凝 系 统 新 型 液 位 控 制 方 案犉 犻犵 犖 犲 狑 犾犻 狇 狌 犻 犱犾犲 狏
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- FSRU 气化 模块 冷凝 系统 控制 方案 研究
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