再冷凝器自动运行优化探究

陈茂峰(国家管网集团深圳天然气有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

再冷凝工艺是指LNG储罐内产生的BOG通过压缩机加压后进入再冷凝器，与从低压泵输出的过冷LNG直接接触换热后被冷凝，再由高压泵加压输送至气化器内气化后外输的LNG接收站运行工艺。LNG与BOG在再冷凝器中直接接触混合传热传质，其利用加压后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG经低压泵增压后，过冷的LNG与BOG接触，将BOG冷凝为LNG。再冷凝器在LNG接收站外输工艺流程中属于关键设备，它的平稳运行对保证LNG接收站工艺的平稳运行来说至关重要。本文对再冷凝器自动运行的优化措施进行探讨，该优化的成功调试和运行实现了LNG接收站工艺操作自动化，提高了工艺运行的稳定性与LNG接收站的工艺运行安全性，可为国内已建、在建LNG接收站的数字化、智慧化转型、设计提供了运行和设计思路及自动控制技术基础。

1 深圳LNG再冷凝系统概况

目前，国内极少LNG接收站的再冷凝器实现了设计的自动控制功能，达到自动运行。再冷凝器作为接收站工艺平稳控制的核心，也称为接收站的“心脏”，它的自动运行可以极大的减少操作员的操作强度，提高整个工艺系统的稳定性。下面以深圳LNG接收站为例，探究如何对压力及液位的自动参数进行调节，最终达到符合各种工况的自动运行。再冷凝工艺是指LNG储罐内产生的BOG通过压缩机加压后进入再冷凝器，与从低压泵输出的过冷LNG直接接触换热后被冷凝，再由高压泵加压输送至气化器内气化后外输的LNG 接收站运行工艺。LNG与BOG在再冷凝器中直接接触混合传热传质，其利用加压后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG经低压泵增压后，过冷的LNG 与BOG 接触，将BOG冷凝为LNG。深圳LNG接收站再冷凝器工艺流程示意图如图1所示[1]。

图1 深圳LNG再冷凝器工艺流程图

深圳LNG再冷凝采用的是BOG与LNG逆流吸收，LNG在填料函上进入，然后BOG压缩机的BOG由填料函下方进入，达到吸收效果。整体采用的是压力、液位分开控制，压力控制是由顶部PCV11203进行控制，液位由底部LCV11200A/B进行控制。

(1)压力控制。当再冷凝器压力升高，高于700 kPa时，操作员开大PCV11203开度，使LNG进入的更多，吸收更多的BOG，使再冷凝器压力降低，反之则关小PCV11203达到升高压力的效果，使压力维持在700 kPa左右。

(2)液位控制。当再冷凝器液位升高，高于设定值5 000 mm时，操作员关小LCV11201A/B开度，使LNG流过LCV的更少，再冷凝器液位被高压泵吸收更多，使再冷凝器液位降低，反之则关小LCV11200A/B达到提升液位的效果，使液位维持在5 000 mm左右。

但是，手动控制时，压力及液位就会变化很快，操作员需要一直操作。尤其是启动生产线的时候，需要操作的控制点更多，需要手动控制的阀门多达8以上，操作员的误操作率很高，存在跳车风险。为了减少操作员的操作强度及误操作可能性，必须将再冷凝器投自动，投自动也会提升系统运行的稳定性及安全性[2]。

2 深圳LNG再冷凝器控制系统优化

2.1 PID的作用概述

P产生响应速度和力度，过小响应慢，过大会产生振荡，是I和D的基础。通俗来讲，P越大，当工艺值PV与设定值SP偏差时，阀门变化也就越大。I是积分值，值越小，作用也就越强，I在有系统误差和外力作用时消除偏差、提高精度，同时也会增加响应速度，产生过冲，会产生振荡。D是微分值，具有可以预见PV值未来超调的作用，D值越大，作用越强。D抑制过冲和振荡，过小系统会过冲，过大会减慢响应速度。D的另外一个作用是抵抗外界的突发干扰，阻止系统的突变。调节阀门自动控制采取的为PID控制，比例、积分及微分控制。PID采取凑试法。值得注意的是，该PID调节的DCS系统为霍尼韦尔的PKS410系统，PID算法为EQA算法。

2.2 完成PIC-11203的自动模式运行PID初整定

按据对策方案，启动一条生产线进行满负荷调试，LNG低压泵、高压泵、ORV均已满负荷正常运行，BOG低压压缩机75%负荷运行。再冷凝器手动调节控制PT11203为700 kPa, LT11201液位为5 000 mm。低压外输总管压力PI-11953始终保证压力在 1 000 kPa左右。假设P=0.5，I=0.02，D=0。PIC11203投自动，700 kPa。根据研究结果可知前期压力调平稳后，投为自动，基本能够自动调节平稳，但是后面当30 s时，低压压缩机提升负荷时，自动调节非常久才能调节回来，不满足要求。需要继续加大P值。假设P=1，I=0.02，D=0时，根据研究结果可知与第一次比较，BOG低压压缩机提升负荷时，压力升高后，自动调节波动一周期调节回来，基本满足要求。但压力仍升高至725 kPa才回调，升高的较高。并且回调后又出现超调，下降至688 kPa。总体来看，实施效果为已基本达到了可以在无压缩机负荷调节情况自动稳定运行，且压缩机负荷调节后，也能在自动模式下回调成功，时间较长[3]。

2.3 完成PIC-11203的自动模式运行PID精准整定

按据对策方案，依然先启动一条生产线满负荷，LNG低压泵、高压泵、ORV均已满负荷正常运行，BOG低压压缩机75%负荷运行。再冷凝器手动调节为PT11203为700 kPa，液位为5 000 mm。当加入D值，设置P=1，I=0.02，D=9。以增加调节的预见性。根据研究结果可知，较上一次的曲线，BOG低压压缩机提升负荷时，压力升高后，自动调节波动至仅713 kPa便调节回来，并且回调后没有超调，仅降低至698 kPa。已完全满足控制要求。且此时PT11953波动也不大。至此，压力自动控制PID调试已完成。通常情况下，D微分仅对操作有延迟效果的参数才明显有效，对温度、压力这类属于操作反应快的参数，一般不设置D微分；但是，再冷凝器的压力参数有一定的特殊性，它的压力是需要根据液化工艺进行调控，操作PCV阀是并不能马上将再冷凝器压力改变，有一定的延迟，故需要加上微分D。从整体来看，实施效果为完全达到PIC-11203在BOG低压压缩机负荷调整工况下的自动调节且平稳运行。对上下游工艺工况及再冷凝器压力、液位均没有过度的波动[4]。

2.4 完成LIC11201分程控制LCV11200A/B设置

依据对策方案，因LCV11200A/B为双阀，LCV11200A阀门管径为DN300，LCV11200B阀门管径为DN100，两个阀门的开关控制均以LT11201为控制信号，自动控制设计原理是LCV11200B先开启100%后，才启动开启LCV11200A其为分程迭层控制。由于两个阀门管径不一致，如果设置LIC11201的OP值0～50%控制LCV11200B，50%～100%控制LCV11200A，则会导致LIC在LCV11200A开启后，控制失衡。要克服这个问题，必须将分程的设定点进行一定的设置，使LCV11200A与LCV11200B分别动作控制时，LIC11201的PID参数控制都能适应。经过多次尝试，终于找到分程迭层的合适控制点。当LIC11201的 OP值在-6%～20% 时，LCV11200B阀对应0～100%开度；而LIC11201的OP值在20%～100%时，LCV11200A阀对应0～100%开度，实现LIC11201对 LCV11200A/B阀进行自动分程迭层控制。LCV11200A与LCV11200B速度比为1.25∶3.846。具体如图2所示[5]。

图2 两种开度曲线对比

根据实施效果可知，通过观察LI-11201的液位计，验证LCV11200A及LCV11200B的速度比。LCV11200A关闭1%时，若要保持LI-11201稳定不变，则LCV11200B需要开大3%左右。这就说明了LCV11200A与LCV11200B的速度比1.25∶3.846接近1∶3这个比例是合理的。也就能保证在LIC11201投为自动运行时，一套PID控制参数能够分程迭层控制这两个LCV阀。

2.5 完成LIC-11201的自动控制模式运行PID精准整定

依据对策方案，结合前面1、2、3的实施步骤，整定出LIC11201的PID参数。这里不做赘述。LIC11201的PID 值：P=0.2，I=0.05，D=65。设定值在正常生产工艺工况下控制在4 000～5 000 mm。根据实施效果可知，通过生产线运行LIC-11201投为自动，LI-11201能够在生产线启停时，达到自动控制效果，并且波动不超过100 mm。

3 深圳LNG再冷凝系统优化结果

调节完成PID参数设置后，将要进行不同数量的生产线实测，深圳进行了全负荷测试，由一条生产线加量至六条生产线，并收集数据，整理分析。2条生产线运行监测曲线如图3所示(再冷凝器液位设定：5 000 mm，压力设定：700 kPa)，由此可以看出再冷凝器液位和压力运行时趋于稳定，期间微调节外输量时也未见波动[6]。

图3 2条生产线运行监测曲线

4 结语

通过生产运行数据分析，再冷凝器在1条气化生产线至设计最大负荷量6条工况下，已实现其液位、压力的自动控制运行。达到在调节BOG低压压缩机负荷、启停机，加减生产外输量负荷及启停生产线时，再冷凝器的PI-11203控制精度在10 kPa内，LI-11201控制精度在100 mm内，其自动控制精度及工况运行的平稳性高于第一家已投用自动运行的接收站，生产运行中已几乎不用操作员进行干预。通过此次研究取得以下成果：(1)实现LNG接收站工艺操作自动化，提高工艺运行的稳定性。再冷凝器是LNG接收站运行控制的中心点，它的运行稳定直接关系到整个接收站工艺的稳定运行。其液位及压力自动运行后，工艺参数趋于稳定，启停生产线时，能够很快速的自动调节稳定，极大提高了LNG接收站的运行稳定性和操作效率。(2)提高LNG接收站的工艺运行安全性。根据LNG接收站保护层级分析可知，过程控制及基本过程控制系统在“洋葱”模型保护层内部级别，当工艺发生异常工况时，再冷凝器具备最初始最先调整的响应，当响应及时稳定时，可减少工艺的跳车率，避免工艺运行往更外部的保护层发展。(3)为LNG接收站再冷凝器自动运行提供范例。深圳LNG接收站再冷凝器的自动运行成功应用，为其他接收站的再冷凝器自动运行提供了很好的参考范例，将会有越来越多的接收站能够将再冷凝器投为自动。(4)为国内已建、在建LNG接收站的数字化、智慧化转型、设计及将来设计一键启动运行模式提供了运行和设计思路及自动控制技术基础。减少DCS操作员的操作强度、提升了操作的可靠性，有效降低误操作的可能性。