摘要：近年來，城鎮(zhèn)CNG儲配站發(fā)展很快，其燃?xì)獬隹跍囟瓤刂颇Ｊ揭话悴捎檬謩訂⑼崴仩t控制，本人根據(jù)杭燃濱江CNG儲配站一年多來的運行分析，發(fā)現(xiàn)采用這種控制模式不僅溫度波動幅度大，而且經(jīng)濟性較差。針對這種情況，在SIEMENS S7-300控制系統(tǒng)中建立燃?xì)獬隹跍囟萈LC自控模塊，并對原熱水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行少量改造，即可取得較好的控制效果。
關(guān)鍵詞：CNG儲配站；燃?xì)鉁囟?；自動控?/span>
1 濱江CNG儲西己站工藝流程及燃?xì)鉁囟瓤刂片F(xiàn)狀
杭州燃?xì)夤居?009年建成并投運濱江CNG儲配站，設(shè)計規(guī)模為4000Nm3/h，氣源采用壓縮天然氣氣瓶車公路運輸，在儲配站內(nèi)，高壓天然氣經(jīng)過兩級調(diào)壓，壓力降至0.3MPa，計量加臭后送入市政燃?xì)夤芫W(wǎng)。其工藝流程如下：
CNG儲配工藝是一個絕熱節(jié)流降壓的過程，根據(jù)工程熱力學(xué)焦耳·湯姆遜效應(yīng)，非理想氣體經(jīng)節(jié)流壓力降低的情形下會出現(xiàn)溫度變化，其大小和方向同當(dāng)時氣體的壓力與溫度有關(guān)，節(jié)流過程是一個穩(wěn)定流動初、終態(tài)焓值相等的降壓過程。實際運行中，高壓天然氣降壓過程中整體溫度會劇烈下降，為了確保管網(wǎng)和調(diào)壓設(shè)備安全，由1套熱水循環(huán)系統(tǒng)加熱天然氣，該系統(tǒng)由燃?xì)鉄崴仩t、循環(huán)水泵、管殼式換熱器及供回水循環(huán)管道組成。運行操作人員根據(jù)燃?xì)獬隹跍囟茸兓闆r開啟或停用熱水鍋爐，實際操作中，燃?xì)鉁囟群茈y控制，特別是在卸氣開始階段，熱功率很大，換熱器換熱能力不足，溫降過快，而卸氣后半段，熱功率降低，溫升很快，結(jié)果是燃?xì)鉁囟炔▌舆^大。
2 CNG儲配站的燃?xì)獬隹跍囟鹊淖兓攸c
整個卸氣過程，有很明顯的3個階段，分別為卸氣初始段、卸氣后半段、卸氣中止段。每個階段的燃?xì)獬隹跍囟茸兓闆r都不同。
卸氣初始階段，CNG壓力從18MPa降至12MPa，溫度變化最為劇烈，燃?xì)饬髁?500Nm3/h，過程時間為0.5h，燃?xì)獬隹跍囟瓤傮w表現(xiàn)為快速下降。
卸氣后半階段，CNG壓力從12MPa直至卸氣結(jié)束，所需時間約1.2h，燃?xì)獬隹跍囟饶峡焖傧陆底優(yōu)榫徛陆?，繼而變?yōu)榫徛仙詈笞優(yōu)榭焖偕仙倪^程。
卸氣中止階段，當(dāng)二級調(diào)壓器后燃?xì)獬隹趬毫_(dá)到0.31MPa，調(diào)壓器將自動關(guān)閉，直到燃?xì)獬隹趬毫禐?.26MPa，調(diào)壓器自動起跳繼續(xù)卸氣。在調(diào)壓器動作關(guān)閉階段，絕熱節(jié)流降壓過程中止，燃?xì)獠辉倥蛎浳鼰帷崴仩t產(chǎn)生的熱量將全部轉(zhuǎn)變成循環(huán)水系統(tǒng)的蓄熱量，循環(huán)水溫度將快速上升。
熱水循環(huán)系統(tǒng)具有熱慣性大、滯后性大的特點。實際運行中，換熱系統(tǒng)循環(huán)水溫度變化嚴(yán)重滯后于CNG站燃?xì)獬隹跍囟茸兓?。如果純粹依靠燃?xì)獬隹跍囟茸兓_啟或停用熱水鍋爐運行，顯然達(dá)不到控制要求。
3 CNG站燃?xì)獬隹跍囟瓤刂扑悸?/span>
3.1 CNG儲配站燃?xì)獬隹跍囟瓤傮w控制思路
針對卸氣過程中的不同階段，計算出不同階段的換熱功率，利用熱水鍋爐改變循環(huán)水溫度，以適應(yīng)不同卸氣階段的換熱需要。在特殊的卸氣中止階段，把富裕的熱量通過蓄熱箱儲存起來，以達(dá)到維持溫度穩(wěn)定和節(jié)約能源的目的。
3.2 整個卸氣過程總換熱功率計算
(1) 第一級換熱器平均所需的熱功率Q1
Q1=qnCp(△PdT/dP+△T)
=2500×1.65×[(18-0.7)×4+5]
=306075kJ/h
qn——標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m3/h；
Cp——氣體容積定壓熱容，kJ/(m3·K)；
△T——附加溫差，可取為5K～7K；
△P——降壓前、后的壓力差，MPa；
dT/dP——焦耳·湯姆遜系數(shù)，K/MPa。
(2) 第二級換熱器平均所需的熱功率Q，
Q2=qnCp(△PdT/dP+△T)
=2500×1.65×[(0.7-0.3)×4+5]
=27225kJ/h
(3)總熱功率Q：
p=Q1+Q2=306075+27225=333300kJ/h
3.3 卸氣開始階段
CNG壓力從18MPa降至12MPa，所需時間為0.5h，燃?xì)獬隹跍囟瓤刂浦?℃。此階段，換熱器的熱功率應(yīng)提高到666600kJ/h，換熱器平均換熱溫差為：
△Tm=Q/(KAη)
=666600/(2340×7.8×0.9)
=40.6℃
K——換熱器傳熱系數(shù)，W/m2·℃
A——換熱器換熱面積，m：
η——換熱效率
△Tm——平均溫差
根據(jù)計算值，按燃?xì)鉁囟瓤刂浦禐?℃，循環(huán)水供水溫度應(yīng)不低于45.6℃，利用熱水鍋爐白帶控制器，將下限溫度設(shè)定為45℃，上限溫度設(shè)定為47℃。
3.4 卸氣后半階段
CNG壓力從12MPa降至0.6MPa，所需時間為1.2h，燃?xì)鉁囟瓤刂浦禐?℃。換熱器的熱功率為277750 kJ/h，換熱器平均溫差：
△Tm=Q/(KAη)
=277750/(2340×7.8×0.9)
=16.9℃
根據(jù)計算值，循環(huán)水供水溫度不低于21.9℃即可，因此時循環(huán)水溫度在46℃左右，為簡化控制流程，可在供回水管上設(shè)置一只等徑旁路閥，分流經(jīng)過換熱器的流量，并根據(jù)燃?xì)獬隹跍囟戎祦砜刂婆月烽y的開啟或關(guān)閉，以實現(xiàn)溫度的自動控制。
3.5 卸氣中止階段
在循環(huán)水供回管道間設(shè)置一只旁路閥，同時在回水管道上設(shè)置一只蓄熱箱，把熱水鍋爐產(chǎn)生的熱量通過蓄熱箱儲存起來。其設(shè)計流程如圖2。
循環(huán)水系統(tǒng)總水容量為：V總=2×V鍋爐+V管道+V換熱器=0.545+0.545+0.4+0.285=1.78(m3)，循環(huán)水泵額定流量為25m3/h，為滿足半小時卸氣初始階段的換熱需要，蓄熱水箱設(shè)計容積為：V=25×0.5÷2-1.78=4.47(m3)。
3.6 自控系統(tǒng)設(shè)計
自動系統(tǒng)需要4個開關(guān)量信號：燃?xì)膺M(jìn)口壓力開關(guān)信號(動作值12MPa)；二級調(diào)壓器前后差壓開關(guān)信號(動作值0)；燃?xì)獬隹跍囟刃盘?動作值20℃)；燃?xì)獬隹跍囟刃盘?動作值5℃)。輸入開關(guān)量信號采用原系統(tǒng)自有的模擬量輸入信號(一級調(diào)壓器前壓力和燃?xì)獬隹跍囟?，通過PLC控制程序(比較模塊)實現(xiàn)3個開關(guān)量信號。輸出信號有2個：旁通閥開啟信號，旁通閥關(guān)閉信號。
自控系統(tǒng)流程見圖3。
熱水鍋爐、循環(huán)水泵、調(diào)壓裝置、閥門等設(shè)備出現(xiàn)故障及其他不確定因素造成白控系統(tǒng)振蕩等情況下應(yīng)撤出自動控制裝置。系統(tǒng)安裝一只自/手動切換開關(guān)，正常情況下投入自動，出現(xiàn)異?；蛐枰獧z修撤出自動。
PLC主控制程序設(shè)計見圖4。
4 結(jié)束語
CNG儲配站燃?xì)獬隹跍囟茸詣涌刂圃O(shè)計是個復(fù)雜的課題，因為CNG儲配站具有非連續(xù)性、非線性的運行特點，使得常規(guī)的PID控制模式很難實施。本文中很多設(shè)計思路也是根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)分析總結(jié)而來，是一種新型控制方式的探索。經(jīng)長期觀察，理論計算數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)還是比較吻合的，說明該控制模式在實際應(yīng)用中可以實施。采用本控制模式，不僅技改成本較低，而且控制效果較好，值得推廣。
參考文獻(xiàn)：
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3 王兆明，可編程序控制器原理、應(yīng)用與實訓(xùn)，機械工業(yè)出版社，2008
4 錢頌文，換熱器設(shè)計手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，2002
(本文作者：沈曉東 高立鴻 杭州市燃?xì)?集團)有限公司 310051)
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