浸没燃烧式气化器工艺及控制技术.docx

浸没燃烧式气化器工艺及控制技术石东东（海洋石油工程股份有限公司.天津300451）［摘 要］介绍了浸没燃烧式气化葛的工艺原理及技利系虻felk 研完了气化器后功.运行、停机工艺控制方法，重点讨论 了蛤出天然气3；废控制模型、性技白动挫制方法，燃烧器诊理条蛇.本文研咒的，化工艺及箕技制技术可实现迅观白动控 引，对波化天然的入殳的波动遥麻能力强.相反遂度快，馆出天然气的湛度技科计度扃，为大型气化器的国产化积系了 设计经验.［关谜洞J浅没燃垸式气化E；液化夭然气；，化工艺；控制技术；燃烷舍理天然气（NG〉主要成分是甲烷（CHQ , 它燃烧生成二氧化碳和水，是-•种洁洁高效的 能源优先使用天然气能源可以优化能源消费 结构，改善大气环境，因此，近年来天然气产 业在世界范围内得到了迅猛发展液化天然气 （LNG）便于存储和运输,随若大然气产业的发 展，与LNG相关的液化工厂、NG调峰站、LNG接 收站等迅速发展起来:LNG气化器是天然气产业链重要的生产设备 之一，承担者将液态LNG汽化成气态NG的吸要 功能，常用的LNG气化器包括没没燃烧式气化器 （SCV）、开架式气化器（ORV）和中间介质式 气化器（IFV）。

SCV要损性棹一定里的NG,运 行成本相对较高.但它结构紧漆.节省空间，传 热效率高，不受环境湛度影响，广泛应用在NG调 峰站或冬季环境温度较低的LNG接收站LNG气 化器的生产一直被国外公司垄断，因此研究SCV 相关技术具有十分重要的意义I LNG汽化原理和SCV的组成LNG的沸点是・16L5C, 7化器的原理是通过 吸收热源的热能将・162C的液态LNG汽化成5C左 右的NG,其中热源可以是空气或海水，也可以是 燃料SCV属于燃料加热型的气化器，它将约为 产Ml.5%的NG作为燃料气燃烧后与原料LNG进行 热交换⑴，将LNG汽化成NG,作为产品输出到外 输管道SCV是一种工艺设备，由鼓K机、燃烧翳、 热风管道、混凝土水梧、LNG汽化管路、电气控 制设备等主要部分组成，从功能上可以将SCV分 为三部分，即热能传递系统、LNG汽化系统和电 气及工艺控制系统热能传递系统的作用是输送燃料到燃烧器， 并将燃料燃烧后的热能传导到LNG” LNG汽化系 统的作用是将原料LNG输送到SCV,吸收热能传 递系统产生的热能汽化成NG后输送到外输管路，工艺控制系统的主要作用是将工业控制技 术与现场阀、传感器等各种器件组成一个架数据 采集、实时监控、命令执行为一体的工艺控制系 统，满足各种工艺过程控制要求及安全要求。

电 气系统为风机、加热器、电动阀等耗能设备提供 电能”2 SCV汽化工艺简析SCV生产工艺过程可以分为热能传递回路和 LNG汽化回路两个工艺回路之间界线明显,没 有物料交换，只有能量传导” LNG汽化网路是一 个物理过程，瓶能传递回路是一个化学过程，佯 随有少量俶氧化物排放到水槽内汽化回路为主工艺回路，它负责将原料LNG 汽化成产品NG汽化回路是一个封闭回路，LNG 在盘管中汽化-整个回路内的LNG和NG不离开 管道，不直接与外接交换热量汽化回路主要由 LNG输入管线、换热盘管、NG外输管线和阀门仪 表等组成，另外还有与工厂放空、排液、火炬系 统连接的辅助管路热能传递回路作用是热源的形成和传导.它 是辅助工艺叵1路，但它是SCV生产工艺的核心.作者简介：石东东（1979-）,男，河南人，顼士区死t・工程 师.主畏从事海洋油气及液化天姚气（ING）工程管建及相关设密 研究工作，热能传递过程为NG-热气热水癖管一LNG 如图I所示，SCV从NG外输管网中获取NG作为燃 料输送到燃烧褓，大功率鼓风机将高压空气同时 输送到燃烧器NG与空气在燃烧罄中混合后点 燃,NG充分燃烧后将周闱空气加热.热气在风 压的作用下，吹入热风管道”热恤管道的末端固 定在水槽底部，热风管道设置许多小孔与水梧内 的水连通.热气在压力下从小孔吹入水槽形成水 珠和热空气的混合物“烟气”，烟气与水槽内的 水充分接触传热后携带很少的热能浮出水面形成“废气”从烟肉中排出。

细小的天然气盘管固定 在水糟中间，热水在烟气的投动F,充分与盘管 接触，将热能传递给盘管，进而传递到NG, LNG 吸收热量汽化成NG此种“浸没燃烧”形式的传 热方式的传热效率较高，也正是SCV广泛应用的 土要原因Z-o注水系鼓风崩燃料气仃（ZD 土图1 SLJ1艺简图3工艺控制系统组成及启停控制SCV电气及控制系统主要由电机控制中心 （MCC）、不间断电系统（UPS）、远程控制柜 （CP）、现场控制盘（LP）、分布式控制系统 （DCS）、安全仪表系统（SIS）、现场仪器仪表 以及执行设备等组成其中MCC和UPS为电气部 分为SCV提供电力保障.其它部分为SCV工艺控 制系统.按工艺阶段划分，SCV工艺控制系统包括自 动启动模块、送行控制模块、停机模块.按照控 制对象分，SCV工艺控制系统包括NG输出温度控 制系统、燃烧器管理系统（BMS）等3.1白动启动控制逻辑及安全控制措施SCV启动过程包括安全自检、预吹扫、点燃 引燃火焰等工艺控制程序.如图2所示，选择自动 启动后，系统首先进行安全自检，之后启动鼓风 机.同时燃烧室火焰探刑器打开为避免燃烧室 残存易燃易摞气体，在点火前对燃烧宋进行空气 预吹扫。

预吹扫结束后打开引燃燃料阀.点燃引 燃火焰，同时启动冷却水泵.引燃火焰燃烧20s, NaOH注入环路启动，主燃料阀打开，引燃火焰 点燃主火焰，引燃燃料阀关闭，自动启动流程结 束安全自检包括水槽水位检查.风道庆力检 查、燃气泄漏检查、主燃料阀是否闭合等.为避 免主火焰点燃后未经水浴直接喷射，水糟内需安 装低水位和超低限水位传感器为使燃烧炉内热 fit及时排出，助燃风机风道安装风压传感器”启 动过程中，若超低限水位传感器或风道风压传感 器触发报警.安全自检程序终止并报警，图2 SCV自动启动流程图3.2运行过程监控及调节控制SCV启动后正常近行过程中，控制系统需要 借助芥种传感器实时监测系统状态,同时根据相 关变量的变化，启动相应的调整控制程序，使系 统回到正常状态需要监洌的安全信息包括水槽液位、水槽水 温、废7温度、冷却水温、风机和电机轴温、环 境温度、仪表气压力、风机和电机轴承振动值、燃料气流地、水槽泵流最、冷却泵流最、水槽水 pH此等.需要监测的工艺参数有燃料庄力、风道 压力、NG出口压力和温度等SCV系统运行过程中主要涉及NGI1I 口温度闭 环控制系统和燃烧滞管理系统（BSM） •另外需 要实时监测废气温度，根据输入燃料缺计算焦效 率。

需要对水槽水pH值进行监测，当水槽水成酸 性时开启NaOH投放阀.将pH值控制在6"之间， 完成pH值闭环控制3.3停机控制程序SCV涉及到高压用电、高温燃烧、高温低•温 流体、可燃气体等多种安全隐患源LNG汽化系 统的停机不仅仅是简单关闭阀门、断掉电源，需 要在确保安全的前提下，按程序按步骤控制各个 执行器件逐一关闭控制系统在收到停机指令后，热能传述回 路首先动作控制系统按程序控制燃料供给管道 的主燃料截止阀逐级戒小供气量，直到阀门完全 关闭后主火焰熄灭，排放阀打开主火焰熄灭10 分钟后，鼓风机逐级做少供风域为保证烟气管 道内热量完全持出，通过烟囱处温度传感器监测 烟、出口温度达到设定值后，鼓风机才能完全停 机.最后关闭注水泵和冷却水系对于汽化回路，首先通过水混传格器监测水 精水温，当水槽水温下降到设定值后，关闭LNG 进口阀门.再通过NG出口温度传感器监测NG出 口温度，当出口温度下降到设定值时，关闭NG输 出阀最后打开NG放空阀，将残留NG排入工厂 排放系统4 SCV关键工艺控制过程设计4.1输出NG温度控制SCV生产的址终产品是5C左右的NG,外输 NG的温度是否秘定在允许范困之内直接影响NG 外输系统的安全和稳定，因此控制输出NG温度是 SCV工艺控制系统的主要任务之一。

影响输出NG温度的直接因素包括LNG输入压 力、LNG输入流里和水浴温度LNG输入压力和 流量不是一成不变.其值由SCV上游工艺决定 水浴温度的影响因素包括水浴液位、燃科气的压 力流量、助燃空气输入应以及其与燃料代之何的 比例关系，输出NG温度的控制采用串级闭环控制（见图 3）其中.输出NG温度为主要控制对象，水浴 温度为辅助控制对象，输入LNG流量和压力为干 扰变量，燃料7流量、助燃空气流量、空气与燃 料的混合比例等为操作变烟气温度作为辅助 的参考变量⑶•当干扰变量输入LNG压力流量发生变化后. 引起主控对象NG温度发生相应的变化•控制系统 根据主控对象的变化般形成辅控对象水浴湛度的 给定值，给定值与实际值比较后通过控制燃料气 流场、助燃空气流放使水浴温度达到需求值，通 过水浴温度得调节将输出NG温度调整到许可范围 内,从而实现出级闭环控制过程混介燃料 LNG 输入址扰动 输入fit扰动图3娘出W汨度申级闭环控制系统图4.2远程自动控制SCV本地控制系统（LCP〉与工厂级分布式控 制系统（DCS）系统、安全仪表系统（SIS）系统 组成远程自动控制系统果.实现远程状态监控、 远程启停系统、安全操作等功能.LCP通过通讯网络实时向DCS报送重要的系统 运行状态数据.以便于远程监控系统运行状态. 当系统出现故障报警，安全隐患或紧急关断事件 时，LCP实时将这些信息报送给SIS, SIS根据预设 州序启动相应的应急措施.通过网络传遂命令信号，DCS可以远程启停 SCV系统.避免现场启停带来的人员安全隐患。

当SCV系统之外的工厂工艺系统出现安全事件 时，DCS也可以根据安全事件级别紧急远程关断 SCV系统SCV启停过程中需要LNG输送系统配合开启 或美断LNG注入，需要借助DCS间接控制SCV外 部的LNG输送系统配合相应的动作“4.3燃烧器管理系统(BMS)SCV控制系统内部设有BMS子系统，实现 对燃烧器全面控制，它主要包含燃烧咎控制系统

这种控制方式简单，但是控制滞后，适合 LNG输入址稳定.NG输出温度稳定的工况对于 输入LNGlft波动较大的工况，这种控制方式NG输 出温度波动较大，对外输系统的安全及稳定性影 响较大如上文所述,本文研究的NG温度控制系 统将简单的闭环控制改进为串级闭环控制，以NG 输出温度为主控对象，对于LNG输入量的波动响 应速度快、适应能力强,对NG输出温度控制精度 高SCV应用场所多为大型液化工厂、接收站. 调峰站，届于涉及多种页大危险源场所，单机本 地操作控制的SCV满足不了安金需求.本文研究 的汽化系统与工厂DCS、SIS站合，能够实现远程 监控、报警关断、启动停机等操作控制6结束语对于LNG气化器领域.国内厂家主要生产空 温式等小型气化褓，ORV、SCV、。