随着全球对环境保护的目益关注,波化天然气(LNG)作为清洁能源,在实现可持续发展中的重要地位目益凸显,被广泛应用于中国能源供和调峰储备。到2023年,国内LNG接收站容量达240M间，随着LNG王业的快速发展，LNG冷能在空气液化,冷库冷藏、发电等方面获得应用,冷能利用成为国内**“热点"的产业,倍受业内关注05)
理论上,每吨LNG含的冷能相当于约240 kW·h电能量,从能源属性来看,LNG 冷能具有清洁特性且具有较高的利用价值“-2。目前全球范围内,日本和韩国对LNG冷能利用的研究处于世界前列[6-71,国内的LNG 冷能大多采取直排入海,浪费了大量高品质冷能。随着1NG用量的迅速增长以及全球性能源供应紧张形势的加剧,合理利用LNG冷能显得尤为重要。常用的冷能发电主要有三种方式:直接膨胀法、低温朗肯循环和联合法[-。本文分析冷能发电装置联锁保护设计方案,为国内LNG 接收站冷能发电装置建设提供参考。
某LNG接收站1套5MW的国产低温朗肯循环发电系统,透平绝热膨胀效率约为85%,发电机效率约为95%。额定工况下,每小时可气化175t压力为 0.4~0.7 MPa、温度为-120~-140℃的LNG。该装置满负荷发电能力受外输量和海水温度变化的影响,满负荷发电功率范围在1.84.2MW波动,年净回收电能约为2.3x10'kW·h;相当于每年减少CO，排放约16 kt。冷能发电工艺流程012-1如图1所示。
冷能发电装置主要由分体式中间介质气化器(IFV)、丙烷循环泵和透平发电机组组成,其中,IFV包括液态丙烷气化器(E1)、LNG气化器(E2)、天然气加热器(E3)三部分。机组启动时,通过E1内高压丙烷气驱动透平发电机组发电。基于接收站冷能利用的透平发电机组,其负荷通过透平发电机组进口阀门及进入 LNG气化器的LNG 流量来调节,同时受不同季节海水温度的影响。
如图1所示,冷能发电装置采用低温朗肯循环法,当一38 ℃的液态丙烷经循环泵升压至1MPa.进人 E1壳程,被管程海水加热气化成 0.7MPa的高压饱和丙烷气体,丙烷气体驱动透平膨胀机做功,从而带动发电机发电,高压饱和丙烷气体经胀后降为 50 kPa 饱和丙烷气体,进入 E2 壳程被管程1NG 冷凝为一38 ℃的液体,经丙烷循环泵送目至E。低温郎肯循环丙烷的相变过程如图2所示。
冷能发电装置工艺系统运行分为旁路模式和旁路模式是指透平膨胀机和丙烷发电模式[14-15]循环泵被旁路,由 IFV单独运行[5],该模式关键控制参数主要为 LNG 流量和海水流量。发电模式是指整套装置全面运行,同时实现发电和气化外输功能6]。相对于旁路模式,丙烷循环的量更大,E1、E2差压也更大,该模式增加了丙烷循环泵流量、E1 液位、E2压力、透平发电机组差压等关键控制参数。
冷能发电装置的控制系统由分散控制系统(DCS)、安全仪表系统(SIS)、火灾报警自动控制及气体检测报警系统组成,装置的运行控制通过DCS实现。根据危险与可操作性分析(HAZOP)及SIL定级评估和验证结果,将因果联锁保护分别设置在可靠性等级不同的 DCS、SIS、消防联动系统(FDS)、可燃气体和有毒气体检测系统(GDS)中。电气侧重要联锁信号通过电缆直接接人DCS,其他信号通过 RS-485 通信接入 DCS 中冷能发电装置通过 DCS 实现监视、报警和控制。
联锁保护是以装置的安全可靠运行为导向结合其工艺控制特性要求,合理地设置报警和联锁保护。联锁保护的设置主要存在反复报警、漏报警、误报警、误动作、拒动作等问题,其设置的适宜性直接影响异常工况下装置的安全,是关系装置安全平稳运行的关键。冷能发电装置的联锁保护设置应满足GB/T 50770-2013《石油化工安全仪表设计规范》标准[7、防止电力生产事故的二十五项重点要求》等文件要求。
在设置联锁保护时,首先应在联锁保护前设置合理的声光报警提示,为操作人员留有足够的千预反应时间。当装置运行参数偏离正常值一定范围,设置联锁控制调整逻辑,提前纠正参数偏离情况;当装置发生事故时,应立即触发保护动作,快速将装置切至安全状态。
冷能发电装置联锁保护设计原则建议如下:
1)联锁保护动作指令应优先于其他任何类型指令。
2)逻辑执行时序及通道扫描时间应符合工艺机组正常运行中,透平发电机的润滑油系统
需要严密控制供油温度、压力参数在允许范围内，过高、过低均影响轴承润滑冷却效果;密封系统压力需要快速响应并调控在允许范围内,避免机组密封失效,引起密封油或工艺气泄漏,造成重大经济损失。工艺参数控制方式见表1所列。控制响应要求。
3)联锁保护测量信号建议按“2o03”或“2oo2方式冗余配置。
4)通信信号不应作联锁保护,可作报警提示
5)保护测量信号应采用硬接线方式直接接入输入卡件,并遵循从取源管路到输入卡件全程独立的原则。
6)联锁保护的测量信号应设置合理的报警提前预警运行工况异常。
7)联锁保护的测量信号和触发动作应有事件记录、报警记录、历史记录。
8)联锁保护设置人工复位按钮,防止事故术处理误操作设备。
2.2.1 中间介质气化器控制
IFV的LNG 人口管道上设流量控制阀,引人E1出口天然气的温度、外输总管天然气压力、海水进出口温差对 IFV 入口 LNG 流量进行超弛控制纠正 E1的 LNG 流量偏离正常的工況。IFV的海水出口管道设海水流量控制阀,装置运行中为了维持稳定外输,确保天然气外输温度维持在1℃W上,且海水进出 IFV 的温度差不超过5℃,需根据气候等环境因素调节海水流量。
2.2.2中间循环介质丙烷控制
丙烷循环泵出口管道设流量控制阀和E1液位控制阀,引人丙烷循环泵出口流量对丙烷泵回流控制阀的控制,调节丙烷泵出口流量不低于气蚀工况流量,确保丙烷循环泵正常工作,并满足冷能发电装置发电的气化需求。同时,为实现 TV能等单体运行,设置丙烷气体旁路阀及丙烷液体旁路四,实现冷能发电装置不发电也可气化外输功能。
22.3 透平发电机组控制
透平发电机组人口设有快关阀、导叶控制阀、启动阀及泄放阀,可实现机组启停和负荷控制。利用启动阀可实现机组冲转并网。机组升负荷首先通过人口快关阀来控制,当人口快关阀全开后:机组负荷根据天然气外输量的提高而升高，此时机组负荷由人口1NG控制阀调节,且受不同季节海水温度的影响,机组**发电能力随之波动。
透平出口压力的控制分两个阶段。**阶段:在透平发电机组启动前期,透平发电机未运行,IFV处于旁路运行模式,利用透平发电机组旁通控制阀降低E2压力。第二阶段:当透平发电机组并网带低负荷稳定运行后,逐步将E2内压力的控制移交透平发电机组人口导叶控制阀,减少旁路节流损失[15]。
机组正常运行中,透平发电机的润滑油系统需要严密控制供油温度、压力参数在允许范围内，过高、过低均影响轴承润滑冷却效果;密封系统压力需要快速响应并调控在允许范围内,避免机组密封失效,引起密封油或工艺气泄漏事件,造成重大经济损失。工艺参数控制方式见表1所列。
2.3.1 中间介质气化器联锁保护
根据环保及天然气管网要求,外输天然气温度不得低于一2℃,且海水进出 IFV 的温差不得高于5℃。因此,IFV应设置海潮液位、海水流量、FIV天然气出口温度、海水回水温度低低联锁保护。当联锁动作时,切断 IFV 进口 LNG 冷源、停运透平发电机组,避免影响天然气外输和海域环境。
从设备保护方面,设置E1、E2及E3压力高高联锁保护,避免设备超压损坏;设置 E1、E2壳程压力低低联锁保护,保护设备远离负压工况;设置 E2丙烷出口温度低低保护,防止 IFV 内部 LNG 管束发生泄漏时 TV内海水冻结损坏本体。以上联锁动作时,切断入口 ING 冷源、停运透平发电机组,将冷能发电装置全面停运,避免事故扩大影响设备安全。
2.3.2 丙烷循环泵
基于离心泵运行特点,丙烷循环泵应设置人口阀门关闭或出口阀门打开禁止启动条件。同时,冷能发电装置 LNG 未建立流量前,丙烷液体温度较高,此时启泵易造成气蚀损坏,故丙烷循环泵需设置LNG 进口阀门及流量控制阀关闭禁止启动条件。
从离心泵防止气蚀方面,可根据泵简液位、出口流量(或电流)、振动幅度、出口压力参数设置联锁保护,在气蚀前期停运丙烷循环泵和透平发电机组,避免泵长时间运行于异常工况造成损坏;从设备过载方面,可根据电流或流量设置联锁保护，联锁保护触发时停运丙烷循环泵和透平发电机组,避免设备长时间过载运行,影响设备寿命。丙烷循环泵联锁保护设置建议见表2所列。
2.3.3透平发电机组
从透平发电机组启动防止误操作方面,需要设置全面的允许启动条件,设置参考以下条件:
1)IFV处于旁路模式,丙烷循环泵已运行,IFV已调整至发电模式参数。
2)透平发电机组辅助系统已运行,温度、压力参数正常。
3)透平发电机组入口阀、入口泄放阀关闭,出口阀打开。
4)透平发电机组本体转速、温度、振动测点及参数正常。
5)发电机并网开关柜分闸且处于热备状态无报警。
6)励磁装置、同期装置试验合格,发电机保护屏已按定值单投入有关保护,无报警。
从透平膨胀机的结构方面,可根据机组振动轴承温度、转速参数设置联锁保护;从透平膨胀机动力源方面,可设置人口导叶、阀门关闭(透平发电机组失去动力源)联锁保护。当以上联锁动作时,应停运丙烷循环泵及透平发电机组,将IFV切至旁路运行模式;从发电机的结构方面,可根据正压吹扫装置运行压力、振动、轴承温度、定子温度转速设置联锁保护。当以上联锁动作时，停运丙烷循环泵及透平发电机组,将 IFV 切至旁路运行模式。透平发电机联锁保护设置建议见表3所列。
2.3.4 润滑油系统
为保证轴承能够建立稳定的油膜,起到良好的润滑冷却作用,润滑油系统应正常运行,可从防止断油方面设置供油压力低低联锁保护。当保护动作时,停运透平发电机组和丙烷循环泵,将IFV切换为旁路运行模式,避免机组运行中轴承润滑油缺失,引起轴承损坏。
2.3.5 密封系统
为确保透平发电机组不发生漏油或工艺介质气泄漏,机组运行时,应根据密封气差压、密封油差乐等参数设置超限联锁保护。当保护动作时,停运透平发电机组和丙烷循环泵,将V切换为旁路运行模式,减少机组密封系统失效带给机组的影响。
2.3.6 电网系统
透平发电机组产生的电能经同期后并入电网,当接入设备或电网本身故障时透平发电机组必须立刻脱网停机,避免电网冲击造成事故扩大。故应设置并网有关的开关柜故障解列、发电机纵差、发电机定子过负荷、发电机失磁、发电机逆功率等保护,当检测到故障的瞬间,立即将机组并网柜分闸脱网。同时,故障信号通过硬接线传输至DCS,立即联锁切断透平机组进口气源并停机,避免透平机组转速超过允许范围。LNG 接收站作为重要能源储备单位,电网配送的 110kV 为两路独立的电源。当电网故障导致110kV 失去一路电源时,故障快切装置快速解列故障线路,6kV母分开关合闸为全场设备供电冷能发电装置一般为自备用小型发电装置,接入厂区电网某一段6kV母线,为该段母线所挂负载供电。由于两路6kV母线分别配电,存在不同期现象,当电网故障解列时,应先保护脱开冷能发电装置,再投入6kV 母分开关。
2.3.7其他
透平发电机组是一套高转速运行的装置,运行中异常情况如不能立即响应,对设备和人身均会产生危险。故在现场和控制室,均应设置冷能发电装置紧急停机按钮,便于运行人员危急情况下,能立即停机,控制机组紧急事态的发展。同时,应将冷能发电装置停车引入全厂紧急停车范围,当发生全厂停电或仪表空气失气或地震等重大事故时,能立即一键实现全部工艺装置停车,以保障人身和设备的安全。
在因果联锁设计时,充分平衡联锁保护误动作和拒动作带来的风险。对于易受干扰的动
电流、流量等模拟量信号,应考虑设置合理的延时触发时间,以规避信号误动作情况导致的机组停机。对于超速、电气保护、紧急停车按钮等风险要求较高的联锁信号,不应设置延时,并将保护信号设置于可靠性更高的 SIS中。
逻辑组态时,谨慎应用上升沿、下降沿,必要时应设置触发持续时间,防止检测信号躲过DCS扫描周期,导致保护拒动作。参与联锁保护信号应尽可能冗余配置,避免联锁保护误动作。结合装置实际情况,参与联锁保护的测量信号应设置合理的声光报警,提前预判测点异常。当单个测点异常时,“2003”信号自动切换为“2002”信号,避免保护失效情况的发生。
参与联锁保护的信号及逻辑,其DCS执行扫描周期对保护的可靠性有十分重要的影响。测量信号输人、保护逻辑及动作输出的扫描执行时间应根据机组对保护响应时间的要求设置。如电气侧来的联锁保护信号往往是毫秒级的脉冲,这要求通道、逻辑、动作输出的扫描周期时序和优先级与之匹配,否则将发生 DCS躲避检测的情况。但扫描时间也不是越短越好,其与控制器负荷率息息相关,过快的扫描周期将导致控制器负荷率大幅升高,长时间运行可能引起系统卡顿或死机,从而导致保护失效或误动作。
因果联锁逻辑应进行充分测试论证。在联锁保护实施完成后,应逐一从源头处测试保护信号的准确性,测试因果联锁在所有设计工况下均能准确可靠动作,提前发现和优化逻辑组的问题。如冷能发电装置存在旁路模式、发电模式,透平发电机组相关联锁需在启动前投用,故该部分联锁除旁路模式不适用外,其他工况都应可靠投用,测试时需模拟旁路模式切换至发电模式的中间过程和发电模式两科[况下因果联锁动作情况。在装置启动前,应投人相关联锁保护,避免无保护启动发电机组。
联锁保护是冷能发电装置安全运行的重要保障。冷能发电装置联锁保护设计应依据工艺控制要求和设备特性,充分推演可能发生的事故和异常情况,辨识关键运行参数,冗余配置参与联锁保护的测量信号。结合装置运行参数变化,建立合理的可靠性高的报警、联锁、保护逻辑和动作时序,精准识别装置的异常情况,可靠触发联锁保护,自动将装置动作切换至安全状态,切断危险源,防止事故发生。本文提出的基于 LNG 接收站的冷能发电装置联锁保护设计方案,可以为同类型项目提供宝贵的经验,具有广泛的推广性。