天然气终端透平膨胀压缩机制冷控制模式研究

2016-11-01王景贵郜明军于彦恒

新技术新工艺 2016年9期

关键词：框图原理图压缩机

王景贵，范　赞，郜明军，于彦恒

(1.中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518067；2.昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明 650051)

天然气终端透平膨胀压缩机制冷控制模式研究

王景贵1，范赞2，郜明军1，于彦恒1

(1.中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518067；2.昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明 650051)

透平膨胀压缩机是空气分离设备、天然气液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键设备，该设备运行的好坏是天然气液化制冷系统能否稳定运行的核心保障。对膨胀压缩机制冷控制模式的几种方案进行了研究，深入比较了各方案的优缺点，并根据天然气处理厂轻烃回收实际工况，确定了合理的控制方案。

透平膨胀压缩机；J-T阀；可调喷嘴；DCS系统；DHX直接热交换

透平膨胀压缩机是天然气处理终端天然气液化的核心设备[1]，其主要用来生产冷量造成低温。利用生产出来的冷量，可以在天然气轻烃回收过程中降低天然气的温度，达到干气与液烃产品分离的目的，冷凝更多乙烷、丙烷和丁烷等组分，生成更多的液化气[2]。由于膨胀压缩机属于高精设备，运行条件比较苛刻，所以需要在保证设备安全平稳运转的前提下充分利用压缩机允许的工作区，让机组工作在工艺要求的压力和流量变化范围内，达到制冷控制系统性能可靠、操作简便和自动化程度高的目的。同时，利用天然气在通过膨胀机过程中的内能降低对外输出功，可以对外输的天然气进行压缩或带动透平发电机发电。在满足外输干气质量要求的前提下，最大程度提高天然气处理终端的经济效益。

1　制冷单元工艺

制冷单元工艺流程图如图所示。经天然气终端脱水后的天然气进入冷箱，与重接触塔和低温分离器的液换热后进入低温分离器，分离出来的气相进入膨胀压缩机的膨胀端，而液相进入分馏单元。重接触塔的气相经冷箱换热后进入膨胀压缩机的增压端，经增压后进入干气外输压缩机单元[3]。

图1　制冷单元工艺流程示意图

制冷单元P&I控制原理图如图2所示。膨胀机制冷单元主要是针对膨胀机入口压力、气量(调节膨胀比)的自动调节实现液态烃高效回收。膨胀比越大，焓降越大，产生的冷量也越大，轻烃回收效率也就越高；但是，如果为了提高膨胀机的入口压力，增大膨胀比，而将喷咀关得过小，会使膨胀机远离其设计工况，膨胀机的效率大幅度下降，反而会减少膨胀机的产冷量，而使轻烃的产量下降。同样，维持机组适当的转速会提高膨胀机效率，并且会延长主机寿命，提高机组的使用效率。机组转速调节主要是依靠调节喷嘴开度以改变机组的膨胀比及效率，特别是当装置的处理量增大时，由于膨胀机的总功率增大，膨胀机要吸收这些功率，就会使转速升高，甚至超过允许的转速，这时就需要开大增压机旁通阀，增加增压机的回流气量，也就是增加增压机的制动功率，从而使膨胀机的转速下降[4]。所以膨胀压缩机在工况下的操作调节应将制冷、低温分离和液烃分馏等单元在整个工艺流程中统一考虑，从而达到比较合理的膨胀比，且充分利用膨胀机产生的制冷量，以取得尽可能低的制冷温度。

图2　制冷单元P&I控制原理图

2　控制方案研究

根据天然气终端的工艺条件、设备性能和生产作业实际需求，设计了如下3个方案。

1)方案a。方案a控制原理图如图3所示，原理框图如图4所示。

图3　方案a控制原理图

图4　方案a原理框图

图3中PT-1481(压力变送器)回路只简单作为膨胀机进口压力值的监控。膨胀机天然气进口流量信号FT-1371(流量变送器)与外输干气压缩机进口压力信号PT-2102/3进入DCS系统。当选择以流量信号FT-1371为控制点时，FT-1371经DCS系统运算，输出信号到膨胀机PLC，通过PLC对可调喷嘴进行调节，而PT-2102/3通过DCS系统对PV-1481(J-T阀)进行调节；当选择以压力信号PT-2102/3为控制点时，PT-2102/3经DCS系统运算，输出信号到膨胀机PLC，通过PLC对可调喷嘴进行调节，而FT-1371通过DCS系统对PV-1481(J-T阀)进行调节。

2)方案b。方案b控制原理图如图5所示，原理框图如图6所示。

图5　方案b控制原理图

图6　方案b原理框图

图5中脱水单元来的天然气流量信号FT-1371与膨胀端入口压力信号PT-1481进入DCS系统后做综合选择运算。根据实际生产情况手动选择其一后，与外输干气压缩机入口压力信号PT-2102/3经DCS系统作比较运算，比较运算后，选择其较大的信号实现对PV-1481(J-T阀)和膨胀压缩机的分程控制，即信号在0～50%时，调节膨胀机的可调喷嘴开度；信号在50%～100%时，对PV-1481(J-T阀)进行调节。

3)方案c。方案c控制原理图如图7所示，原理框图如图8所示。

图7　方案c控制原理图

图8　方案c原理框图

图7中不起动膨胀压缩机时，以PT-2012/3为控制点，经DCS系统对PV-1481(J-T阀)进行调节，PT-2012/3设定值为3.8 MPa。在起动膨胀压缩机的情况下，以FT-1371流量信号为控制点时，当PT-2012/3达到设定值(3.8 MPa)后，FT-1371经DCS系统输出一路信号调节可调喷嘴，另一路信号控制PV-1481(J-T阀)，实施联合调节控制；而以PT-2102/3压力信号为控制点时，经DCS系统输出一路信号调节可调喷嘴，压力设定值为3.8 MPa，另一路信号控制PV-1481(J-T阀)，压力设定值为3.45 MPa，实施定值输出控制。

采用上述3个方案都可以实现对膨胀压缩机的操作控制。具体分析每个方案，特点如下。

1)方案a通过膨胀压缩机现场控制盘PLC进行控制，因而应在DCS系统和PLC上分别进行组态。相对DCS而言，对进口设备的PLC进行重新组态技术上有难度，同时DCS系统与现场PLC之间是通过Modbus协议进行通信，如果用来进行组态控制，会给控制系统和生产操作带来安全隐患，存在系统兼容和可靠性问题。

2)方案b为了保证天然气尽可能地通过膨胀压缩机进行处理，实现机组最大使用和产出效率，对PV-1481(J-T阀)和膨胀端可调喷嘴IGV采取分程控制。但当进气量波动较大时，且在不能保证膨胀压缩机全天候满负荷运转的情况下，选择分程控制会影响到机组和其他系统的正常平稳运行。

3)方案c为天然气终端根据现场实际工况和膨胀压缩机性能，并综合考虑各个方面，选择的最佳控制方式。其组态结构合理，控制简单，操作量小，可靠性高，能够在现有工况下，发挥设备性能，产生大冷量，提高产量。而在天然气量波动大或者膨胀压缩机不能满负荷运转的情况下，能够实现平稳切换操作，使其他单元系统能够平稳运行，特别在膨胀压缩机出现故障或运行不稳定时，能够使整个生产系统安全运行，不至于波动太大。同时，通过备用的硬线连接DCS系统和现场PLC，可以大大降低误操作带来的隐患。一旦未来工况达到设计条件后，还能够在DCS系统上很容易地进行控制系统的重新组态，达到无扰动的自动切换操作，提高了自动控制程度。

3　结语

经过近1年的实际运行，透平膨胀压缩机机组不仅能够满足低负荷生产控制要求，使J-T运行模式和膨胀机运行模式的切换平稳，设备高速运行安全可靠，同时也满足了膨胀机+DHX(直接热交换)轻烃回收创新工艺的生产要求，充分利用了天然气压力能，降低了能耗，达到了能量合理匹配，使丙烷回收率由常规工艺的95%提高到99%以上，比传统工艺节约能耗15%，且没有出现任何系统问题和操作问题，保证了天然气终端生产系统安全、可靠、稳定地运行，产生了良好的经济效益和环境效益。

[1] 王志清.透平压缩机的调节运行与振动[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2] 江楚标.透平膨胀机发展动态[J]. 深冷技术，2001,14(5):23-24.

[3] 王艳红.透平压缩机组的自动化控制[J].北京工业职业技术学院学报，2007，6(4):7-10.

[4] 王晓放，申岩，王子模，等.通用化透平压缩机运行性能高速在线评估系统设计[J].大连理工大学学报，2005,45(1)：36-38.

责任编辑郑练

Research on Refrigeration Control Mode based on Expansion Turbine Compressor of Gas Terminal

WANG Jinggui1, FAN Zan2, GAO Mingjun1, YU Yanheng1

(1.CNOOC Deepwater Development Co.,Ltd., Zhuhai 519050, China; 2.Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

Expansion turbine compressor is the critical devise to gain cooling capacity of some equipment such as air separation plant, liquefaction of natural gas separation plant and cryogenic grinding equipment. Whether the device is good in running that is the core of liquefied natural gas refrigeration system guaranteeing the stable operation. Describe several programs with expansion refrigeration compressor control mode, propose in-depth comparison of the advantage and disadvantage of each program, and according to gas processing plants hydrocarbon recovery actual working conditions, choose the reasonable control scheme.

expansion turbine compressor, J-T valve, adjustable nozzle, DCS system, DHX direct heat exchange