液化石油氣蒸汽式氣化器工藝流程及控制方式

摘 要

摘要：介紹了燃料氣氣化器和升壓氣化器的工藝流程及控制方式，探討了蒸汽式氣化器2種控制方式的優(yōu)缺點及適用工況。關鍵詞：液化石油氣；蒸汽式氣化器；工藝流程；控制方式Process Flow
摘要：介紹了燃料氣氣化器和升壓氣化器的工藝流程及控制方式，探討了蒸汽式氣化器2種控制方式的優(yōu)缺點及適用工況。
關鍵詞：液化石油氣；蒸汽式氣化器；工藝流程；控制方式
Process Flow and Control Mode of LPG Steam Vaporizer
MA Wen-xiang，LIU Xin-zhe，LI Chuan-long
Abstract：The process flow and control mode of fuel gas vaporizer and boosting vaporizer are introduced. The advantages，disadvantages and applicable conditions of two control modes of steam vaporizer are discussed.
Key words：liquefied petroleum gas(LPG)；steam vaporizer；process flow；control mode
1 概述
    在一些大中型的石油化工和煤化工中通常設置壓力罐區(qū)，包括多個儲罐、泵組和氣化器等。儲罐中多儲存液態(tài)的烯烴類介質，這些介質通常有2種用途：充當補充燃料或備用燃料，為設備提供能源；作為原料參與生產。
    在主要燃料氣供應不足或由于某種原因突然停止供應的情況下，經氣化器氣化后的氣體作為補充燃料或備用燃料使用時，氣化器的流量和壓力變化比較大，需要補充的流量很小或瞬間達到滿量程，因此要求供應燃料氣的氣化器控制精度高、操作彈性大、氣化安全且適當過熱，防止晝夜溫差導致出現凝結液滴而影響燃燒效果[1]。
    當烯烴類介質作為原料參與生產時，一般用泵組將其輸送到生產設備中。當泵輸出物料量較大時，儲罐和環(huán)境間的換熱不足以維持自身的飽和蒸氣壓，罐內壓力下降較快，使烴泵吸入口的壓力快速降低，經常導致泵氣蝕，損壞泵體。此外，由于儲罐內壓力快速降低，其內的烯烴類介質快速閃蒸，造成儲罐溫度降低，儲罐本體安全受到威脅。因此，為了避免上述情況出現，需要采用氣化器給儲罐增壓，這種氣化器稱為升壓氣化器，升壓時只要求氣體快速氣化，氣化器氣化量變化較小，開啟基本就接近額定氣化量，同時對過熱沒有要求。
    一般在建有壓力罐區(qū)的化工廠中均有蒸汽熱源，所以采用蒸汽作為換熱能源的蒸汽氣化器使用較為普遍。本文介紹壓力罐區(qū)蒸汽氣化器的工藝流程及控制方式，其中烯烴類介質以經常使用的液化石油氣(LPG)為例。
2 工藝流程
壓力罐區(qū)采用蒸汽氣化器作為換熱設備進行氣化的流程見圖1。
 
    來自液化石油氣站的槽車通過卸車柱和液化石油氣壓縮機將液態(tài)液化石油氣卸入儲罐，儲罐中的液態(tài)液化石油氣通過穩(wěn)壓泵組升壓穩(wěn)壓，經過調節(jié)閥調節(jié)流量后，進入氣化器氣化。同時，在穩(wěn)壓泵組和氣化器的液相入口均設置回流閥，以便壓力較高時液態(tài)液化石油氣可以回流。氣化器內設有換熱管束，液態(tài)液化石油氣通過換熱管束與蒸汽進行換熱，為了防止液態(tài)液化石油氣氣化時因蒸汽溫度太高而結焦[2]，通常蒸汽先加熱換熱管束中的水，換熱管束中的水再以相對溫和的溫度加熱液態(tài)液化石油氣，使液化石油氣氣化。蒸汽入口加裝調節(jié)閥以調節(jié)進入氣化器的蒸汽量，為了充分利用蒸汽熱能，防止能源浪費，在凝結水口加裝疏水器，使蒸汽完全凝結后排出氣化器。
    為了提高調節(jié)精度，選擇合適的調節(jié)閥顯得尤為重要。通常選用等百分比流量特性的調節(jié)閥，這種調節(jié)閥可以保證無論流量大小，流量變化的比例是相同的?？梢愿鶕嶋H情況選用氣動或電動的執(zhí)行機構，同時為了提高調節(jié)精度，增大執(zhí)行機構的輸出力，可以為調節(jié)閥加裝定位器(調節(jié)儀表為電信號時必須配備)。
    將氣化器的氣相15接到用戶管網時，此氣化器便為燃料氣氣化器；將氣化器的氣相口接到儲罐的氣相口時，此氣化器即為升壓氣化器。
3 控制要求與控制方式
    ① 控制要求及評價指標
    控制系統(tǒng)的設計應滿足整個氣化裝置的設備安全、運行經濟及監(jiān)視、控制的要求。控制質量可用下述指標表述：
    a. 衰減比：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標，指相鄰同方向第1個波峰的幅值與第2個波峰的幅值之比，是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標。
    b. 超調量：最大動態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)變化幅度的比例，用來表征過渡過程中被控量偏離設定值的超調程度。
    c. 調節(jié)時間：被控量從過渡過程開始到進入穩(wěn)態(tài)值±5%或±2%范圍內的時間作為過渡過程的調節(jié)時間，用來衡量控制系統(tǒng)的快速性。
    d. 余差：過渡過程結束后，被控量穩(wěn)態(tài)值與設定值之間的最終穩(wěn)態(tài)偏差[3]。
   ② 控制方式及其比較
   氣化器的控制方式比較靈活，實際生產中往往要根據現場的工況、氣化量、用途及性價比等因素綜合考慮，總之，系統(tǒng)要具有較強的抗干擾能力，應易于擴展，對于安全性要求較高的場合應本著滿足故障安全的設計原則。本文討論2種控制方式，分別見圖2和圖3。圖3的圖例同圖2。
 
第一種控制方式是用氣化器出氣壓力控制氣化器進液調節(jié)閥的開度，用氣化后的氣體溫度控制蒸汽調節(jié)閥的開度。同時，在氣化器上設置液位高限、出氣溫度低限、出氣壓力高限，當其中任何一個或多個限值出現時，說明系統(tǒng)出現異常，為保證安全需切斷氣化器進液調節(jié)閥。
通過出氣壓力控制進液量，改變了液態(tài)液化石油氣與換熱管束的接觸面積，進而改變氣化速度和氣化量，最終使出氣壓力發(fā)生變化。因此，通過控制進液量可以使出氣壓力向預期的方向變化。另外，采用出氣溫度控制蒸汽量，可以將出氣溫度控制在設定的范圍內，在保證出氣量的同時保證出氣溫度。
第二種控制方式是用氣化器的出氣壓力控制蒸汽調節(jié)閥的開度，用液位控制進液調節(jié)閥的開度。同樣，對氣化器設置液位高限、出氣溫度低限和出氣壓力高限，當出現任何一個或多個限值時切斷氣化器進液調節(jié)閥。
通過出氣壓力控制蒸汽量，改變了換熱管束單位面積的換熱量，進而改變氣化速度和氣化量，同樣可以改變出氣壓力。相對于第一種方式，這種方式對出氣溫度只設置低限連鎖切斷，這會使得出氣溫度在一個較大的范圍內波動。
這2種方式中，氣化器調節(jié)閥的控制對象多為“一階滯后+純滯后”或“二階滯后+純滯后”的典型控制模型。所以，調節(jié)閥開度的控制均采用PID(比例一積分一微分)控制方式，PID調節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，結構改變靈活。其中，比例控制(P)是一種有差調節(jié)，利用偏差實現控制，但只能使系統(tǒng)被控量輸出近似跟蹤設定值；積分控制(I)是一種無差調節(jié)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，但積分控制的過渡過程比較漫長，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；微分控制(D)具有對偏差變化趨勢預測的能力，起到輔助調節(jié)的作用。對上述3個環(huán)節(jié)參數的合理選擇，可以使控制系統(tǒng)達到滿意的控制品質。通過對參數調節(jié)，可以使系統(tǒng)具有較大的衰減比、較低的超調量、較短的調節(jié)時間以及較小的余差。當輸入量擾動時，系統(tǒng)經過有限次的振蕩后，可以快速地達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且可以將超調量控制在允許的范圍內M]。
    將采集到的PV值(現場測量值)送入控制系統(tǒng)中，與系統(tǒng)中的sV值(設定值)進行比較，對比較后的偏差值進行P、I、D運算，將運算后的結果作為控制量調節(jié)調節(jié)閥的開度，使PV值向SV值逼近，最終使PV值在SV值附近波動，達到動態(tài)平衡。需要進行PID調節(jié)的調節(jié)閥有：液態(tài)液化石油氣進液調節(jié)閥、蒸汽調節(jié)閥。
    ③ 2種控制方式適用的工況
    對于燃料氣氣化器，為了防止氣化后的氣體在輸送的過程中因溫度下降而凝結，一般要求氣化后的氣體處于過熱狀態(tài)，因此就需要對出氣溫度進行控制，以便使氣體保持過熱狀態(tài)。通常采用第一種控制方式實現燃料氣氣化器的控制，因為第一種控制方式將出氣溫度作為控制量參與調節(jié)，可以很好地使氣化后的氣體處于過熱狀態(tài)。而因為第二種控制方式中出氣溫度不參與調節(jié)，很難保證氣化后的氣體是過熱狀態(tài)[5]。
    升壓氣化器的目的是給系統(tǒng)升壓，所以只要保證液態(tài)介質能正常氣化，同時出氣壓力能達到要求即可，至于氣化后的氣體是處于飽和狀態(tài)還是過熱狀態(tài)，對升壓系統(tǒng)意義不大。因此，為了弱化出氣溫度對整個氣化裝置的影響，通常只將出氣溫度納入異常情況的切斷，不納入控制系統(tǒng)的調節(jié)。第二種控制方式因放松了對出氣溫度的要求，相對第一種控制方式，可以更快地達到升壓的目的。
4 結論
    在多個項目的壓力罐區(qū)中，采用上述氣化方式均達到了提供燃料氣或升壓的目的，實踐證明：上述2種控制方式分別在2種氣化器的控制上取得了很好的效果，對用氣量產生的波動能起到很好的跟隨，整個氣化系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠。
參考文獻：
[1] 詹淑慧，李德英.燃氣工程[M].北京：中國水利水電出版社，2008.
[2] 劉新哲，袁媛，張立中，等.燃煤電廠煙氣脫硝系統(tǒng)液氨氣化器控制方式[J].煤氣與熱力，2009，29(11)：A01-A03.
[3] 王再英.過程控制系統(tǒng)與儀表[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.
[4] 解懷仁.石化儀表與控制系統(tǒng)[M].北京：中國石化出版社，2009.
[5] 嚴銘卿.燃氣工程設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.
 
(本文作者：馬文香1 劉新哲2 李傳龍2 1.天津市公用事業(yè)設計研究所 天津 300100；2.天津市奧利達設備工程技術有限公司 天津 300384)