CNG儲配站燃氣出口溫度控制模式探討

摘 要

摘要：近年來，城鎮CNG儲配站發展很快，其燃氣出口溫度控制模式一般采用手動啟停熱水鍋爐控制，本人根據杭燃濱江CNG儲配站一年多來的運行分析，發現采用這種控制模式不僅溫度波動幅度
摘要：近年來，城鎮CNG儲配站發展很快，其燃氣出口溫度控制模式一般采用手動啟停熱水鍋爐控制，本人根據杭燃濱江CNG儲配站一年多來的運行分析，發現采用這種控制模式不僅溫度波動幅度大，而且經濟性較差。針對這種情況，在SIEMENS S7-300控制系統中建立燃氣出口溫度PLC自控模塊，并對原熱水循環系統進行少量改造，即可取得較好的控制效果。
關鍵詞：CNG儲配站；燃氣溫度；自動控制
1 濱江CNG儲西己站工藝流程及燃氣溫度控制現狀
   杭州燃氣公司于2009年建成并投運濱江CNG儲配站，設計規模為4000Nm3/h，氣源采用壓縮天然氣氣瓶車公路運輸，在儲配站內，高壓天然氣經過兩級調壓，壓力降至0.3MPa，計量加臭后送入市政燃氣管網。其工藝流程如下：
 

    CNG儲配工藝是一個絕熱節流降壓的過程，根據工程熱力學焦耳·湯姆遜效應，非理想氣體經節流壓力降低的情形下會出現溫度變化，其大小和方向同當時氣體的壓力與溫度有關，節流過程是一個穩定流動初、終態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，為了確保管網和調壓設備安全，由1套熱水循環系統加熱天然氣，該系統由燃氣熱水鍋爐、循環水泵、管殼式換熱器及供回水循環管道組成。運行操作人員根據燃氣出口溫度變化情況開啟或停用熱水鍋爐，實際操作中，燃氣溫度很難控制，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，結果是燃氣溫度波動過大。
2 CNG儲配站的燃氣出口溫度的變化特點
    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。每個階段的燃氣出口溫度變化情況都不同。
    卸氣初始階段，CNG壓力從18MPa降至12MPa，溫度變化最為劇烈，燃氣流量2500Nm3/h，過程時間為0.5h，燃氣出口溫度總體表現為快速下降。
    卸氣后半階段，CNG壓力從12MPa直至卸氣結束，所需時間約1.2h，燃氣出口溫度南快速下降變為緩慢下降，繼而變為緩慢上升，最后變為快速上升的過程。
    卸氣中止階段，當二級調壓器后燃氣出口壓力達到0.31MPa，調壓器將自動關閉，直到燃氣出口壓力降為0.26MPa，調壓器自動起跳繼續卸氣。在調壓器動作關閉階段，絕熱節流降壓過程中止，燃氣不再膨脹吸熱。熱水鍋爐產生的熱量將全部轉變成循環水系統的蓄熱量，循環水溫度將快速上升。
    熱水循環系統具有熱慣性大、滯后性大的特點。實際運行中，換熱系統循環水溫度變化嚴重滯后于CNG站燃氣出口溫度變化。如果純粹依靠燃氣出口溫度變化開啟或停用熱水鍋爐運行，顯然達不到控制要求。
3 CNG站燃氣出口溫度控制思路
3.1 CNG儲配站燃氣出口溫度總體控制思路
    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水溫度，以適應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，以達到維持溫度穩定和節約能源的目的。
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——標準體積流量，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，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，燃氣出口溫度控制值5℃。此階段，換熱器的熱功率應提高到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，W/m2·℃
    A——換熱器換熱面積，m：
    η——換熱效率
    △Tm——平均溫差
    根據計算值，按燃氣溫度控制值為5℃，循環水供水溫度應不低于45.6℃，利用熱水鍋爐白帶控制器，將下限溫度設定為45℃，上限溫度設定為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，燃氣溫度控制值為5℃。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℃
    根據計算值，循環水供水溫度不低于21.9℃即可，因此時循環水溫度在46℃左右，為簡化控制流程，可在供回水管上設置一只等徑旁路閥，分流經過換熱器的流量，并根據燃氣出口溫度值來控制旁路閥的開啟或關閉，以實現溫度的自動控制。
3.5 卸氣中止階段
    在循環水供回管道間設置一只旁路閥，同時在回水管道上設置一只蓄熱箱，把熱水鍋爐產生的熱量通過蓄熱箱儲存起來。其設計流程如圖2。
    循環水系統總水容量為：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，蓄熱水箱設計容積為：V=25×0.5÷2-1.78=4.47(m3)。
3.6 自控系統設計
    自動系統需要4個開關量信號：燃氣進口壓力開關信號(動作值12MPa)；二級調壓器前后差壓開關信號(動作值0)；燃氣出口溫度信號(動作值20℃)；燃氣出口溫度信號(動作值5℃)。輸入開關量信號采用原系統自有的模擬量輸入信號(一級調壓器前壓力和燃氣出口溫度)，通過PLC控制程序(比較模塊)實現3個開關量信號。輸出信號有2個：旁通閥開啟信號，旁通閥關閉信號。
    自控系統流程見圖3。
    熱水鍋爐、循環水泵、調壓裝置、閥門等設備出現故障及其他不確定因素造成白控系統振蕩等情況下應撤出自動控制裝置。系統安裝一只自/手動切換開關，正常情況下投入自動，出現異常或需要檢修撤出自動。
PLC主控制程序設計見圖4。
 
4 結束語
CNG儲配站燃氣出口溫度自動控制設計是個復雜的課題，因為CNG儲配站具有非連續性、非線性的運行特點，使得常規的PID控制模式很難實施。本文中很多設計思路也是根據實際運行數據分析總結而來，是一種新型控制方式的探索。經長期觀察，理論計算數據與實際運行數據還是比較吻合的，說明該控制模式在實際應用中可以實施。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：
1 嚴銘卿，宓元琪等，天然氣輸配技術，化學工業出版社，2009
2 GB 50028—2006，城鎮燃氣設計規范，中國建筑工業出版社，2006
3 王兆明，可編程序控制器原理、應用與實訓，機械工業出版社，2008
4 錢頌文，換熱器設計手冊，化學工業出版社，2002
 
(本文作者：沈曉東 高立鴻 杭州市燃氣(集團)有限公司 310051)