超大型液化石油气船再液化装置控制设计

2019-11-13张明耀

船舶与海洋工程 2019年5期

杨森，范璠，张明耀

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引言

再液化装置是超大型液化石油气船（Very Large Gas Carrier, VLGC）全冷式运输的核心部件，其基本理念是抽取液货罐中的蒸气（蒸气既可在液货吸收周围环境的热量时产生，也可能在装载闪发气体和置换气体时产生），将其压缩、冷凝至液态并输送至液货罐中。

若液货罐不停地吸收热量，再液化装置能以相同的速率带走液货罐中的热量（这是抽取蒸气返回冷凝液体的一种效果），则液货罐中的温度和压力会保持在一个恒定的范围内。若再液化装置带走热量的速率比吸收的快，则液货罐中液货的温度和压力会下降，即液货会冷却；反之，若再液化装置带走热量的速率比吸收的慢，则罐中液货的温度和压力会升高。因此，当VLGC运输液货时，液货的压力和温度会通过再液化装置来维持[1-2]。

目前国内再液化装置生产厂家的技术水平参差不齐。对此，本文结合国外的石油气压缩再液化冷却系统工艺流程，对其再液化装置的控制功能进行分析，为后续再液化装置的控制设计提供参考。

1 再液化装置的组成和工作模式

VLGC上配备的再液化装置通常属于直接循环式，该装置可分为单级压缩制冷、多级压缩制冷和复叠式制冷等3种[1-3]。VLGC装载的液货在正常大气压下的饱和温度最低约为-52℃，故货物蒸气的液化可通过多级压缩制冷的方式实现。多级压缩制冷的再液化装置一般由蒸气抽吸分离器、压缩机、冷凝器、冷却器和集液器等部件组成。有时为在不增加能耗的前提下提升单台再液化装置的制冷效果，可考虑配置多个冷却器和集液器，并利用阀门的通断，形成不同的管路制冷循环，从而达到节能增效的目的。再液化装置的基本硬件组成和工作原理见图1[4]，其中：经济器和排气冷却器均起冷却器作用；冷凝集液器和排气分离器均起集液器的作用。根据实际的应用需求，可对这些部件和部件间的管路连接进行设置，例如设置压缩机的压缩级数、经济器和排气冷却器的工作模式、冷凝集液器和排气分离器的出口阀控等。这些设置有不同的组合方式，使得再液化装置整体上呈现出高效制冷、货物冷凝强制回罐和货物冷凝净化等3种工作模式，每种模式又对应多种工艺流程。再液化装置在不同模式下典型的工艺流程见图2～图4[4]。

图1 再液化装置的基本硬件组成和工作原理

图2 再液化装置在三级压缩高效制冷模式下典型的工艺流程

图3 再液化装置在三级压缩货物冷凝强制回罐模式下典型的工艺流程

图4 再液化装置在三级压缩货物冷凝净化模式下典型的工艺流程

在货物控制站内的货控台上设立人机交互界面（Human Machine Interface, HMI），实现对再液化装置的监控，例如有设备状态及报警显示、系统参数设定和工作模式选择（见表1）等，其中一些重要的控制必须由授权人员通过安全访问系统实现。

表1 工作模式的选择

2 再液化装置的工艺流程控制

对再液化装置的控制既包括对各组件及其辅助设备的控制，又包括对不同组件间关联的控制，二者有机结合，形成一个完整的工艺流程控制系统，监测目标物质的温度、压力、液位和流量等并做出合理的响应动作，使再液化装置能安全、稳定、高效地运行。

2.1 蒸气抽吸分离器

当货罐中的液体维持在饱和沸点温度时，再液化压缩机组会抽取货罐中的蒸气，此前管路会经过一个气液分离器，分离蒸气中夹带的液滴，防止液体进入压缩机组。这些分离出来的液体会聚集到分离器底部的接液槽内，其中配有一个液位开关，当检测到液位过高时，会触发报警并使对应的压缩机停止运行。因此，需定期排放蒸气抽吸分离器中的液体，利用就地按钮站或 HMI操控液压驱动阀实施手动排放，或在HMI上设置自动模式进行排放（如表1所示）。在自动排放模式下，液压驱动阀会根据预先设定的时序图[5]（见图5）动作，蒸气抽吸分离器（见图6）的出口隔离阀V-1关闭、压力阀V-2开启，从压缩机或经济器处引入压力，经短暂延时之后排放阀V-3开启，这时从分离器中排出的液体被压送到冷凝液回路中，接着V-1开启，V-2和V-3都关闭，周而复始，依次循环。

图5 蒸气抽吸分离器和经济器的自动排放时序图

图6 蒸气抽吸分离器和经济器的排放流程

2.2 压缩机

再液化压缩机组先将抽吸分离器排出的低压、低温蒸气一级压缩至中间状态，再将其二级或三级压缩至卸放状态，使其成为高压热气。

压缩机一级/二级/三级出口蒸气温度过高会导致对应的压缩机自动脱扣，为避免这种情况出现，需对抽吸的蒸气进行闪蒸冷却，在抽吸分离器蒸气管路上游适当位置处设置冷凝液喷射点。该喷射点一般由喷嘴、手动控制阀和液压驱动阀组成，其中：喷嘴用来喷淋冷凝液给蒸气降温；手动控制阀用来调节喷射冷凝液的流量；液压驱动阀用来控制喷射冷凝液管路的通断。此外，就地配置一个液压驱动阀手动操控按钮站，只有当压缩机运行并按下打开按钮之后，液压驱动阀才会开启，一旦压缩机停止运作，该液压驱动阀将自动关闭。

再液化装置一般采用往复双作用式无油润滑迷宫型压缩机，具有三级压缩能力，其轴承通过内置的轴带齿轮油泵润滑，其气缸头和十字头导轨通过淡水/乙二醇混合液封闭式循环系统加热或冷却维持在一定的温度范围内。

淡水/乙二醇混合液封闭式循环系统主要由输送泵、存储柜、冷却单元和温控阀等设备组成，其中：输送泵和存储柜安装在再液化压缩机组电动机室内；冷却单元和温控阀安装在再液化压缩机组室内。淡水/乙二醇输送泵为离心式，通常配置2套，互为备用，由单速电动机直接驱动。淡水/乙二醇存储柜内置浸没式电加热器、温度传感器和液位开关，借助货控台内的可编程逻辑控制器自动控制电加热器的开关，使柜内液体的温度保持在要求的范围内，若柜内液位过低，电加热器将自动关闭，同时输送泵将停止运作。冷却单元采用板式换热器，冷媒是海水，用于冷却循环管路中的淡水/乙二醇。存储柜中的淡水/乙二醇被泵运出来之后分为2路，一路经海水冷却，另一路未经冷却，通过同一个温控阀汇合之后流向压缩机；该温控阀根据设定的温度（由压缩机厂家推荐）调节从冷却单元中出来的淡水/乙二醇流量，从而控制进入压缩机的淡水/乙二醇的温度；最后，淡水/乙二醇从压缩机出来并返回存储柜，形成循环。

在启动压缩机之前必须先使淡水/乙二醇混合液循环系统运作起来，对压缩机进行预热，使其达到压缩机厂家推荐的温度。若淡水/乙二醇系统压力低或流量低，压缩机将无法启动。在压缩机运行过程中，若检测到其滑油压差过低，会触发报警并自动停机；当压缩机处于停止状态或刚启动的30s以内，该报警及脱扣动作会被抑制。此外，为保护压缩机，当压缩机处的淡水/乙二醇混合液出口流量过低或温度过高、吸口压力过高或过低、二级/三级出口压力过高、吸口与一级出口的压力差（一级压差）过高、一级出口与二级出口的压力差（二级压差）过高、二级出口与三级出口的压力差（三级压差）过高时，也会引发对应压缩机自动脱扣。

为满足不同工况，单台压缩机的作业容量可由其本体上的手动阀调节，常规有50%档和100%档可供选择，操控该手动阀将触发压缩机对应吸口阀卸荷机构动作。当压缩比需求处于中等水平时，可考虑先将压缩机的二级气缸与三级气缸并联，再将该并联机构与一级气缸串联，从而形成二级压缩；当压缩比需求更高时，可考虑将压缩机的一级气缸、二级气缸和三级气缸全部串联，形成三级压缩。

2.3 冷凝器

蒸气经压缩机压缩到一定压力之后形成的高压热气将进入冷凝器冷却，其热量被冷凝器另一侧的海水带走，从而冷凝至液态。

冷凝器通常采用全焊接板式或板壳式换热器，以海水为冷媒，由此需为再液化压缩机组室内的海水供给管安装一套自清反冲海水滤器，滤除海水中的杂质；同时，需在再液化压缩机组电动机室内安装一套原位清洗（CIP）单元，对换热器的海水侧进行清洁。自清反冲海水滤器使用一段时间之后会积聚一定的杂质，需利用就地按钮站或 HMI操控液压驱动的分流阀V-5和冲洗阀V-6对其进行反向冲洗，按下就地按钮将实施1个周期的冲洗；通过HMI可实现定期自动冲洗（工作模式选择如表 1所示），此时分流阀 V-5和冲洗阀V-6会按预先设定的控制逻辑和时序图[5]（见图7）动作。该清洗过程对海水供给无影响。

图7 冷凝器海水自清反冲滤器的自动冲洗时序图

2.4 冷却器

若压缩机出口蒸气温度较低，使用冷凝器即可满足冷却需求，此时可不用冷却器，否则需在压缩机一级气缸与二级气缸之间串联冷却器（如图2中的经济器）来加大制冷量，直接冷却压缩机级间的蒸气温度，同时作为冷凝液返回液货罐前的辅助冷却。若要继续增加制冷量，可再串联一个冷却器（如图2中的排气冷却器），一方面可对即将返回液货罐的冷凝液进行蒸发冷却，另一方面可使冷凝集液器中出来的排气流冷凝，降低再循环蒸气的温度，并使其中一定比例的易挥发组分冷凝。

冷却器一般采用低温碳钢壳管结构的换热器，冷媒是注入的货物冷凝液，有时为在系统启动阶段提升效率，可通过液货装注管路预先注入液体货物。由于采用的液货冷却方式为蒸发冷却，一部分冷媒吸收热量之后会先变成蒸气，再进入压缩机的二级吸口，为防止这些蒸气混入液滴，应内置除雾器，例如聚结型除雾网垫。

冷却器中的冷媒液位采用PID闭环控制方式进行自动调节，由货控台内的可编程逻辑控制器、冷媒液位传感器、冷媒实际液位和冷却器冷媒进口的液位控制膨胀阀形成一个控制环路。根据冷媒液位的状态控制冷却器冷媒进口阀的开度（0%～100%）：当检测的液位高于设定点时，关小阀门；当检测的液位低于设定点时，开大阀门。若该控制环路出现故障，冷却器冷媒进口阀应全部关闭。另外，可利用HMI调整冷却器的设定点，或从自动操作模式切换至手动操作模式，手动控制阀门的开度（如表1所示）；获授权的操作人员还可通过安全访问系统修改控制环路的比例增益、积分时间和微分时间等参数。

冷却器中的冷媒液位过高会导致对应压缩机自动脱扣，故需定期手动或自动将这些冷媒排放到冷凝液回路中，如图6中的经济器冷媒排放阀V-4，为防止经济器排放的冷媒回流到蒸气抽吸分离器的接液槽内，当V-2和V-3都打开时，应关闭V-4，其自动排放时序如图5所示。

2.5 集液器

集液器罐体通常采用不锈钢结构，收集、分离来自冷凝器的冷凝液和不可凝气，并对其液位和气压实施PID闭环控制，引导流向（工作模式选择如表1所示）。根据集液器中冷凝液液位和不可凝气压力的状态控制各自出口阀的开度：当检测的液位和压力高于设定点时，开大阀门；当检测的液位和压力低于设定点时，关小阀门。这些控制环路一旦发生故障，冷凝液出口阀应全部打开，不可凝气出口阀应全部关闭。当压缩机运行一段时间（如超过15s）之后，对应冷凝集液器的液位控制将自动进入PID闭环控制模式，仅当压缩机停止运行之后才可对其进行手动操控。另外，为避免误报警，冷凝集液器中的液位需高于报警整定值且经过一段延时（比如超过15s）之后才会触发报警。

从液货罐出来的蒸气经过再液化装置的整套工艺流程之后形成的冷凝液进入再液化装置的冷凝液出口管，最终返回液货罐。需注意的是，当该处的冷凝液出口压力过高时，对应的压缩机将自动脱扣。

3 VLGC上石油气货物的液化循环

85000m3VLGC采用全冷式运输方式，也称常压低温型运输方式，即在正常大气压下利用再液化装置将液化石油气保持在沸腾状态，存储在4个不耐压的国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）独立式A型棱形液货罐内。VLGC上石油气货物的液化循环在液货罐、再液化装置及其连接管路之间形成，属于开式的热力循环。当液货罐内货物蒸气的压力超过最大允许调定值（MARVS）时（船舶停靠港口状态下超过4.5×104Pa(G)，船舶航行状态下超过3.5×104Pa(G)，会触发安全卸压阀（SRV）以释放压力。

85000m3VLGC上1～4号液货罐的表面面积分别为4358.4m2、4762.2m2、4762.2m2和4647.8m2，每个液货罐的表面都包覆着120mm厚的聚氨酯泡沫隔热绝缘层，其导热系数为0.023W/(m·K)，总传热系数为0.22W/(m2·K)。假设环境空气温度为45℃，液货罐所在船舱内的温度为40.5℃，2号液货罐和4号液货罐内装载的是商业丙烷（液态下含有8mol%乙烷），该货品在正常大气压下的饱和温度为-51.7℃，其液化循环由单台再液化装置维持。由这些条件可知，2号液货罐和4号液货罐共吸收外部热量约190872J/s，故单台再液化装置的制冷量需大于190872J/s，若考虑加放20%的裕度，则再液化装置的制冷量应不小于229047J/s。

利用Aspen HYSYS和Aspen plus等软件可对上述条件下商业丙烷（液态下含有8mol%乙烷）的液化循环进行模拟仿真分析。假设再液化装置处于货物冷凝强制回罐模式，从2号液货罐和4号液货罐中抽取货物蒸气，蒸气组分为丙烷（摩尔分数约为0.62）和乙烷（摩尔分数约为0.38），在正常大气压下蒸气的温度为-25℃。经过再液化压缩机一级压缩之后，蒸气的压力为3.662×105Pa(A)，温度为49.97℃，质量流量为2532kg/h；经过二级压缩之后，蒸气的压力为9.021×105Pa(A)，温度为64.35℃，质量流量为5632kg/h；经过三级压缩之后，蒸气的压力为2.4MPa(A)，温度为116.5℃，质量流量为5632kg/h，成为高压热气。接着，高压热气进入冷凝器，与温度为36℃、流量为150m3/h的开式循环海水进行热交换，形成温度为42℃的冷凝液和排气流，并从冷凝集液器出来，通过不同路径流向不同的冷却器，其质量流量分别为4424kg/h和1203kg/h。随后，一部分冷凝液流向排气冷却器和经济器各自的冷媒罐（质量流量分别为2225kg/h和875kg/h），用于补充冷却器不断消耗的冷媒；另一部分冷凝液（质量流量为1324kg/h）通过经济器（冷媒温度为-21.11℃，质量流量为473.1kg/h）进行蒸发冷却，温度降至-7.12℃之后返回液货罐。同时，排气流通过排气冷却器（冷媒温度为-21.11℃，质量流量为1203kg/h）进行蒸发冷却，形成温度为-7.12℃的冷凝液，经由排气分离器返回液货罐。