吳 昊，盧 鼎，王冬雨

（中海油江蘇天然氣有限責(zé)任公司，江蘇鹽城 224000）

1 儀表空氣系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

儀表空氣能否滿(mǎn)足LNG接收站充足穩(wěn)定的供應(yīng)使用，直接影響著LNG接收站的穩(wěn)定運(yùn)行與安全生產(chǎn)，特別是儀表空氣作為自動(dòng)化儀表及氣動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力氣源，一旦儀表空氣管網(wǎng)壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)將會(huì)引起設(shè)備停車(chē)、接收站停輸?shù)葐?wèn)題，將給公司造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)影響下游用戶(hù)，如電廠(chǎng)、城市燃?xì)獾扔脩?hù)的天然氣正常使用，造成不良社會(huì)影響。LNG接收站儀表空氣的主要用途如下：①用作接收站氣動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力氣源；②用作BOG高壓壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)氣源；③用作接收站的工廠(chǎng)空氣直接輸出，用于接收站設(shè)備、管道的吹掃置換及其他用途。儀表空氣作為L(zhǎng)NG接收站的重要作用氣體，目前接收站儀表空氣的生產(chǎn)供氣方式單一，僅由儀表空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生提供，令接收站儀表空氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

為了提高LNG接收站儀表空氣系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性[1]，結(jié)合浙江LNG接收站生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況，分析LNG接收站儀表空氣系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，提出了儀表空氣壓縮機(jī)與制氮空氣壓縮機(jī)交替運(yùn)行的優(yōu)化方案。

1.1 儀表空氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

浙江LNG接收站目前有兩臺(tái)儀表空氣壓縮機(jī)機(jī)組（C-1401A/B）一用一備，儀表空氣壓縮機(jī)的排出管線(xiàn)并聯(lián)進(jìn)入空氣緩沖罐（PV-1402），緩沖罐出口分為三路，一路去儀表空氣干燥塔，壓縮空氣經(jīng)干燥裝置X-1401A/B（一用一備）脫水，使壓縮空氣露點(diǎn)達(dá)到-40℃（@0.6MPa）以下，再經(jīng)過(guò)濾就成為儀表空氣；一路作為接收站工廠(chǎng)空氣直接輸出，用于接收站下游設(shè)備、管道吹掃置換和其他用途；一路去接收站氮?dú)庵频到y(tǒng)，當(dāng)制氮用氮?dú)饪諌簷C(jī)出現(xiàn)故障時(shí)可作為備用途徑。在優(yōu)先保證接收站儀表空氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的原則下，通過(guò)儀表空氣管網(wǎng)出口壓力表PT-14005控制工廠(chǎng)空氣出口調(diào)節(jié)閥PV-14005壓力調(diào)節(jié)，如果減小工廠(chǎng)空氣的供應(yīng)量仍不能維持儀表空氣系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，PV-14005將自動(dòng)關(guān)閉或啟動(dòng)備用儀表空氣壓縮機(jī)及儀表空氣干燥裝置。

儀表空壓機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，屬無(wú)油、雙級(jí)螺桿型，空氣由冷卻離心風(fēng)扇吸入，經(jīng)過(guò)熱交換器（用于冷卻空氣）進(jìn)入機(jī)器中。通過(guò)對(duì)排放空氣進(jìn)行冷卻，空氣中自帶的大部分水蒸氣被冷凝，然后由內(nèi)置的水分離器和排放閥排放掉。儲(chǔ)油槽和油泵是集成在齒輪箱中的，該油泵為容積式齒輪型泵，由電機(jī)/大齒輪軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。齒輪箱的通風(fēng)口連接到一個(gè)通氣裝置，該通氣裝置排出的廢氣由管道連接到機(jī)組的頂部?？諌簷C(jī)附帶了溫度傳感器，它可以在油溫或空氣溫度過(guò)高時(shí)關(guān)閉機(jī)組?？諝鈮嚎s機(jī)主要工作過(guò)程分為吸氣、壓縮和排氣，雙螺桿式空氣壓縮機(jī)是由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子（或稱(chēng)螺桿）在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過(guò)程。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)空間最大，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被排出，排氣完成時(shí)齒溝處于真空狀況，當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體布滿(mǎn)了全部齒溝時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在吸氣時(shí)，其陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒尖會(huì)與機(jī)殼封閉，此時(shí)氣體在齒溝內(nèi)再也不外流。其牙齒咬緊面逐漸向排氣端移動(dòng)。牙齒咬緊面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。當(dāng)轉(zhuǎn)子的牙齒咬緊端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時(shí)，被壓縮的氣體起頭排出，直至齒尖與齒溝的牙齒咬緊面移至排氣端面，此時(shí)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的牙齒咬緊面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為零，即完成排氣過(guò)程，在此同時(shí)轉(zhuǎn)子的牙齒咬緊面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(zhǎng)度又到達(dá)最長(zhǎng)，吸氣過(guò)程又重新開(kāi)始。

空壓機(jī)啟動(dòng)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到最大轉(zhuǎn)速4 217r/min，壓縮機(jī)壓力逐漸上升，當(dāng)空壓機(jī)出口壓力高于目標(biāo)壓力（0.84MPag）時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降到最低轉(zhuǎn)速2 500r/min運(yùn)行，并以該轉(zhuǎn)速運(yùn)行直到壓力上升至自動(dòng)停車(chē)壓力（0.89MPag），自動(dòng)排放冷凝水之后自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)空壓機(jī)出口壓力低至0.84MPag時(shí)，空壓機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升壓，重復(fù)以上運(yùn)行以維持空壓機(jī)出口壓力在目標(biāo)壓力和自動(dòng)停車(chē)壓力范圍內(nèi)；若壓力低至0.84MPag時(shí)，主用空壓機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)，當(dāng)壓力降至0.82MPag時(shí)備用空壓機(jī)則正常啟動(dòng)；若系統(tǒng)壓力達(dá)到0.94MPag空壓機(jī)立即停車(chē)，若要再次啟用該空壓機(jī)只能手動(dòng)啟動(dòng)。

生產(chǎn)過(guò)程中，為保證空氣系統(tǒng)能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行，空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通過(guò)壓力控制器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行壓力控制，在優(yōu)先保證儀表空氣管網(wǎng)壓力的原則下，通過(guò)儀表空氣出口PT-14005控制工廠(chǎng)空氣出口調(diào)節(jié)閥PV-14005壓力調(diào)節(jié)，如果減小工廠(chǎng)空氣的供應(yīng)量仍不能維持儀表空氣系統(tǒng)的壓力，PV-14005將自動(dòng)關(guān)閉或啟動(dòng)備用空壓機(jī)及干燥裝置。同時(shí)為了保證空氣系統(tǒng)與外輸系統(tǒng)之間的整體性，設(shè)計(jì)了ESD聯(lián)鎖系統(tǒng)，儀表空氣管網(wǎng)壓力低報(bào)警值PSL-14006A/B/C（三選二表決）值為0.6MPag，啟動(dòng)備用空壓機(jī)干燥裝置；儀表空氣壓力管網(wǎng)壓力低低聯(lián)鎖PSLL-14006A/B/C（三選二表決）值為0.55MPag，觸發(fā)儀表空氣低低緊急停車(chē)（ESD-4）系統(tǒng)。當(dāng)空氣管網(wǎng)壓力過(guò)低時(shí)，可通過(guò)軟管連接氮?dú)庵量諝夤芫W(wǎng)流程，給空氣管網(wǎng)補(bǔ)壓。

1.2 氮?dú)庀到y(tǒng)簡(jiǎn)介

浙江LNG接收站制氮系統(tǒng)為變壓吸附制氮裝置，配備有2臺(tái)英格索蘭IRN45K-OF A/C型空氣壓縮機(jī)，2套杭州吉大空分生產(chǎn)的JSN-100B型PSA制氮機(jī)，1臺(tái)30m3/h的氮?dú)庠鰤簷C(jī)，1個(gè)容積為50m3氮?dú)鈨?chǔ)氣罐。制氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的供氣能力為30～530m3/h。接收站氮?dú)庵饕?個(gè)作用：①用于設(shè)備和管道的吹掃、置換，為設(shè)備和管道的投用、檢修提供必要條件；②作為密封氣，用于旋轉(zhuǎn)接頭、火炬分子封、電氣接線(xiàn)箱等設(shè)備，防止空氣進(jìn)入密封件導(dǎo)致結(jié)冰或進(jìn)入接線(xiàn)箱形成爆炸性氣體；③用作接收站BOG低壓壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)氣源以及氣動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力氣源。PSA（變壓吸附制氮）氮?dú)庵频獧C(jī)單套能力為100m3/h，氮?dú)饧兌取?8.0%。

變壓吸附的基本原理是利用吸附劑（碳分子篩）對(duì)吸附介質(zhì)在不同壓力下有不同的吸附容量，并且在一定壓力下對(duì)被分離的氣體混合物各組分又有選擇吸附的特性。在吸附劑選擇吸附的條件下，加壓吸附除去原料氣中的雜質(zhì)組分，減壓脫附這些雜質(zhì)而使吸附劑獲得再生。因此，采用兩個(gè)吸附器，循環(huán)交替地變換所組合的各吸附器的壓力，就可以達(dá)到連續(xù)分離氣體混合物的目的。因?yàn)槲脚c解吸過(guò)程是通過(guò)壓力變化實(shí)現(xiàn)的，故該工藝稱(chēng)作變壓吸附（PSA）；碳分子篩是一種經(jīng)特殊處理的活性炭吸附劑。碳分子篩的孔直徑在氮?dú)夂脱鯕夥肿又睆椒秶鷥?nèi)。由于氧分子比氮分子體積小，重量輕，因此先被吸附在碳分子篩表面?？諝饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮至0.85MPag后進(jìn)入過(guò)濾精度≤3μm的一級(jí)過(guò)濾器，除去99.9%的游離狀態(tài)的水分，出口氣體含油量≤0.01×10-6，含塵量≤0.01μm，隨后氣體進(jìn)入英格索蘭冷凍式干燥機(jī)，出來(lái)后經(jīng)二級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾后，使過(guò)濾精度≤1μm，除99.99%的游離狀態(tài)的水分，含油量≤0.01×10-6，含塵量≤0.01μm。經(jīng)凈化處理后的壓縮空氣進(jìn)入空氣緩沖罐，從緩沖罐出來(lái)的氣體進(jìn)入填裝有吸附劑（日本巖谷分子篩）的變壓吸附分離系統(tǒng)，即制氮機(jī)主機(jī)。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進(jìn)入，氣流經(jīng)空氣擴(kuò)散器擴(kuò)散以后，均勻進(jìn)入吸附塔，進(jìn)行氧氮吸附分離，然后從出口端流出氮?dú)?，成品氮?dú)鈴纳隙顺隹谶M(jìn)入氮?dú)饩彌_罐，吸附完成后，此塔經(jīng)均壓和減壓（至常壓），脫除所吸附的雜質(zhì)組分（主要為氧氣），完成吸附劑的再生，兩個(gè)吸附塔交替循環(huán)運(yùn)行。從制氮機(jī)組出來(lái)的氮?dú)庾詈蠼?jīng)粉塵精濾器、氮?dú)饩彌_罐，之后進(jìn)入粉塵精濾器，最后進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐，確保產(chǎn)出合格氮?dú)?。氮?dú)饧兌群细窈?，合格的氮?dú)饪梢杂傻獨(dú)庠鰤簷C(jī)C-1902A/B增壓至2.5MPag，并儲(chǔ)存在氮?dú)鈨?chǔ)罐PV-1901中，高壓氮?dú)饪梢栽谙掠未罅坑玫獙?dǎo)致制氮裝置供應(yīng)量不足時(shí)使用。

氮?dú)庀到y(tǒng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)、氮?dú)鈨?chǔ)罐上均設(shè)置安全閥，氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口設(shè)定壓力1.20MPa、氮?dú)鈨?chǔ)罐設(shè)定壓力2.80MPa，當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，安全閥打開(kāi)，將儲(chǔ)罐壓力泄至環(huán)境中。

生產(chǎn)過(guò)程中，為保證氮?dú)庀到y(tǒng)能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行，氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)氮?dú)饧兌仍诰€(xiàn)分析儀對(duì)氮?dú)庀到y(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，當(dāng)?shù)獨(dú)庀到y(tǒng)出口純度低于設(shè)定值時(shí)，放空閥打開(kāi)，以保證氮?dú)庀到y(tǒng)下游氮?dú)饧兌群细瘛Ｍ瑫r(shí)為了保證氮?dú)庀到y(tǒng)和工藝系統(tǒng)之間的整體性，設(shè)計(jì)了氮?dú)庀到y(tǒng)的ESD聯(lián)鎖系統(tǒng)，在以下情況發(fā)生時(shí)，氮?dú)庀到y(tǒng)會(huì)停車(chē)保護(hù)：地震探測(cè)信號(hào)及 ESD5 按鈕。

2 儀表空氣系統(tǒng)與氮?dú)庀到y(tǒng)新運(yùn)行模式

2.1 新運(yùn)行模式方案

查看接收站儀表空氣系統(tǒng)與氮?dú)庵频到y(tǒng)串聯(lián)工藝流程可知，兩套設(shè)備可以相互串聯(lián)，相互備用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐操作，經(jīng)多次操作嘗試并最終形成以下新的儀表空氣系統(tǒng)與氮?dú)庵频到y(tǒng)運(yùn)行模式：1臺(tái)儀表空氣壓縮機(jī)供儀表空氣系統(tǒng)同時(shí)串聯(lián)供氮?dú)庵频到y(tǒng)；2臺(tái)氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)運(yùn)行供儀表空氣系統(tǒng)。具體運(yùn)行模式如下：

第1天：?jiǎn)?dòng)儀表空氣壓縮機(jī)C-1401A，將儀表空氣壓縮機(jī)啟停壓力設(shè)置為0.83～0.93MPag；保持儀表空氣壓縮機(jī)C-1401B處于備用狀態(tài)，將其啟停壓力設(shè)置為0.7～0.9MPag；氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)C-1901A/B處于停用狀態(tài)，此時(shí)保持氮?dú)庵频b置DR-1901A運(yùn)行用于制氮。

第2天：?jiǎn)?dòng)儀表空氣壓縮機(jī)C-1401B，將儀表空氣壓縮機(jī)啟停壓力設(shè)置為0.83～0.93MPag；保持儀表空氣壓縮機(jī)C-1401A處于備用狀態(tài)，將啟停壓力設(shè)置為0.7～0.9MPag；氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)C-1901A/B處于停用狀態(tài)，此時(shí)保持氮?dú)庵频b置DR-1901A運(yùn)行用于制氮。

第3天：?jiǎn)?dòng)兩臺(tái)氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)C-1901A和C-1901B，保持儀表空氣壓縮機(jī)C-1401A處于備用狀態(tài)，將啟停壓力設(shè)置為0.7～0.9MPag，儀表空氣壓縮機(jī)C-1401B處于停用狀態(tài)，關(guān)停氮?dú)庵频b置DR-1901A。

第4～第6天，通過(guò)循環(huán)第1～第3天的運(yùn)行模式步驟依次進(jìn)行切換操作，其中需要注意的是，在運(yùn)行第2輪時(shí)，氮?dú)庵频b置保持DR-1901B運(yùn)行（DR-1901A/B每隔6d運(yùn)行2d交替運(yùn)行）。第2輪運(yùn)行氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)C-1901A/B時(shí)，保持儀表空氣壓縮機(jī)C-1401B處于備用狀態(tài)（與儀表空氣壓縮機(jī)C-1401A依次交替循環(huán)運(yùn)行）。新的運(yùn)行模式按每3d一個(gè)周期計(jì)算，定時(shí)對(duì)儀表空氣壓縮機(jī)、氮?dú)庵频諌簷C(jī)及氮?dú)庵频O(shè)備進(jìn)行切換。

2.2 新運(yùn)行模式效果

在接收站實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)中，通過(guò)執(zhí)行儀表空氣系統(tǒng)與氮?dú)饪諝庀到y(tǒng)串聯(lián)新運(yùn)行模式后，儀表空氣管網(wǎng)壓力能夠保持穩(wěn)定，相關(guān)設(shè)備參數(shù)符合工藝生產(chǎn)操作要求，新運(yùn)行模式經(jīng)過(guò)一線(xiàn)工藝生產(chǎn)操作員一段時(shí)間的使用及驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，記錄一臺(tái)儀表空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的儀表空氣管網(wǎng)壓力和兩臺(tái)氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)運(yùn)行時(shí)的儀表空氣管網(wǎng)壓力，得到了以下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1、表2。

表1 儀表空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)儀表空氣管網(wǎng)壓力

表2 2臺(tái)氮?dú)饪諌簷C(jī)運(yùn)行時(shí)儀表空氣管網(wǎng)壓力

表中數(shù)據(jù)記錄了兩種運(yùn)行模式下儀表空氣管網(wǎng)壓力24h的運(yùn)行數(shù)據(jù)，由表中數(shù)據(jù)可知，在儀表空氣壓縮機(jī)與氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)串聯(lián)運(yùn)行的新模式下，儀表空氣管網(wǎng)壓力能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，管網(wǎng)壓力未出現(xiàn)較大波動(dòng)，新的儀表空氣系統(tǒng)運(yùn)行模式可以維持接收站生產(chǎn)儀表空氣使用的正常供應(yīng)。

3 結(jié)論

1）新的儀表空氣系統(tǒng)運(yùn)行模式為浙江LNG接收站提高儀表空氣系統(tǒng)與氮?dú)庵频到y(tǒng)的運(yùn)行可靠性及穩(wěn)定性提供了實(shí)際生產(chǎn)操作依據(jù)，當(dāng)其中一種系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)出現(xiàn)故障等問(wèn)題時(shí)，工藝生產(chǎn)操作員可以快速選擇模式、設(shè)備進(jìn)行切換，確保儀表空氣系統(tǒng)或氮?dú)庵频到y(tǒng)得到應(yīng)急備用的保障，保證接收站儀表空氣與氮?dú)獾姆€(wěn)定供應(yīng)，加強(qiáng)了儀表空氣系統(tǒng)可替代的實(shí)際操作性。

2）新運(yùn)行模式的使用，保證了接收站儀表空氣系統(tǒng)及氮?dú)庵频到y(tǒng)設(shè)備必要的運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)儀表空氣系統(tǒng)與氮?dú)庵频到y(tǒng)空氣壓縮機(jī)的交替輪換運(yùn)行，儀表空氣壓縮機(jī)與氮?dú)饪諝鈮嚎s機(jī)的有效運(yùn)行時(shí)間得到了大幅提高，避免了空氣壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)造成電機(jī)故障及設(shè)備受潮、卡澀等問(wèn)題，一定程度上降低了設(shè)備的維修成本。