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）

天然气（NG）主要成分是甲烷（CH4），它燃烧生成二氧化碳和水，是一种清洁高效的能源。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，随着天然气产业的发展，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，承担着将液态LNG汽化成气态NG的重要功能。常用的LNG气化器包括浸没燃烧式气化器（SCV）、开架式气化器（ORV）和中间介质式气化器（IFV）。SCV要损耗掉一定量的NG，运行成本相对较高，但它结构紧凑，节省空间，传热效率高，不受环境温度影响，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。

1 LNG汽化原理和SCV的组成

LNG的沸点是-161.5℃，气化器的原理是通过吸收热源的热能将-162℃的液态LNG汽化成5℃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，它将约为产量1.5%的NG作为燃料气燃烧后与原料LNG进行热交换[1]，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，由鼓风机、燃烧器、热风管道、混凝土水槽、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集数据采集、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汽化回路是一个物理过程，热能传递回路是一个化学过程，伴随有少量氮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，它是辅助工艺回路，但它是SCV生产工艺的核心。热能传递过程为NG→热气→热水→盘管→LNG。如图1所示，SCV从NG外输管网中获取NG作为燃料输送到燃烧器，大功率鼓风机将高压空气同时输送到燃烧器。NG与空气在燃烧器中混合后点燃，NG充分燃烧后将周围空气加热，热气在风压的作用下，吹入热风管道。热风管道的末端固定在水槽底部，热风管道设置许多小孔与水槽内的水连通，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”从烟囱中排出。细小的天然气盘管固定在水槽中间，热水在烟气的搅动下，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广泛应用的主要原因之一。

图1 SCV工艺简图

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、运行控制模块、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 自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，同时燃烧室火焰探测器打开。为避免燃烧室残存易燃易爆气体，在点火前对燃烧室进行空气预吹扫。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、风道压力检查、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，水槽内需安装低水位和超低限水位传感器。为使燃烧炉内热量及时排出，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启动后正常运行过程中，控制系统需要借助各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。

需要监测的安全信息包括水槽液位、水槽水温、废气温度、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、燃料气流量、水槽泵流量、冷却泵流量、水槽水pH值等。需要监测的工艺参数有燃料压力、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NG出口温度闭环控制系统和燃烧器管理系统（BSM）。另外需要实时监测废气温度，根据输入燃料量计算热效率。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6～9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，热能传递回路首先动作。控制系统按程序控制燃料供给管道的主燃料截止阀逐级减小供气量，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，鼓风机逐级减少供风量。为保证烟气管道内热量完全排出，通过烟囱处温度传感器监测烟气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泵。

对于汽化回路，首先通过水温传感器监测水槽水温，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生产的最终产品是5℃左右的NG，外输NG的温度是否稳定在允许范围之内直接影响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输入流量和水浴温度。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、燃料气的压力流量、助燃空气输入量以及其与燃料气之间的比例关系。

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，燃料气流量、助燃空气流量、空气与燃料的混合比例等为操作变量，烟气温度作为辅助的参考变量[2]。

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量形成辅控对象水浴温度的给定值，给定值与实际值比较后通过控制燃料气流量、助燃空气流量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，从而实现串级闭环控制过程。

图3 输出NG温度串级闭环控制系统图

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集，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根据预设程序启动相应的应急措施。

通过网络传递命令信号，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关断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，它主要包含燃烧器控制系统（BCS）和燃烧器安全管理系统（FSSS）两个部分。

BCS的主要功能之一是以水浴温度为控制对象，通过PID运算，控制主燃料阀和助燃空气阀的开度，控制水浴温度达到设定值。另外一个功能是调整燃料和助燃气的混合比例，控制酸性气体的产生量、提高热效率。另外，BCS还需要采集相关信号，控制相关执行器动作，实现点火及熄火过程控制。

FSSS的主要功能是对燃烧系统实时监控，保证安全点火、熄火和运行。当检测的安全隐患时，启动报警、切断燃料等急停动作。如上文所述的点火前的吹扫也属于FSSS的范畴。

5 改进的控制措施

SCV应用实例中，输出NG温度的控制多为简单的闭环控制，即以水浴温度为控制对象（例如水浴温度的给定值为30℃），根据水浴的温度的变化控制燃料气调节阀和助燃空气阀的开度，使水浴温度稳定在给定值，从而间接控制NG输出温度。这种控制方式简单，但是控制滞后，适合LNG输入量稳定，NG输出温度稳定的工况。对于输入LNG量波动较大的工况，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，属于涉及多种重大危险源场所，单机本地操作控制的SCV满足不了安全需求。本文研究的汽化系统与工厂DCS、SIS结合，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器，ORV、SCV、IFV等大型气化器市场长期被国外厂商垄断，天然气场站使用的大型气化器多采用进口设备，通过吸收总结国外大型SCV生产厂家的工程应用经验，结合国内应用环境和技术条件，设计了SCV的气化工艺和控制方法，该系统对LNG输入量的大幅度波动适应能力强，相应速度快，对NG输出温度控制精度高，为下游NG输送系统安全运行打下了基础。本研究为后续LNG汽化装备研究积累了设计经验。

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