天然气液化工艺部分技术设计方案(MRC)

天然气液化工艺部分技术方案（MRC）

一、

天然气液化属流程工业，具有深冷、高压，易燃、易爆等特征，在生产中具有极高的危险性，既有比较高的温度（280℃）和压力（50Bar），也有低温（-170℃），这些单元之间紧密相连，中间缓冲地带比较小，对参数的变化要求严格，这对LNG液化装置连续生产自动化提出了很高的要求。

LNG装置的制冷剂配比与产量和收率直接相关，因此LNG生产过程中控制品质占有非常突出的位置。整个生产过程需要很多自动化硬件和配套的软件来实现。以保证生产装置的安全、稳定、高效运行，不仅是提高效益的关键，而且对生产人员、生产设备，以及整个厂区安全都十分重要。

二、工艺过程简述

LNG工艺流程图参见P&ID图

1、原料气压缩单元

来自界区外的天然气经过过滤器除去部分碳氢化合物、水和其它的液体及颗粒。35MPa(G)的原料气进入脱CO2单元。

3、脱水脱酸气单元

原料气进入2台切换的干燥器，在这里原料气所含有的所有水分和CO2被脱除，干燥器出口原料气中水的露点在操作压力下低于-100℃。经过分子筛干燥单元，在这里原料气再经过两个过滤器中的一个进行脱粉尘过滤。

4、液化单元

进入冷箱的天然气在中被冷却至-35℃，在这个温度点冷箱分离罐中，脱除大部分重烃；天然气继续冷却至-70℃，在这个温度点，天然气在冷箱分离器中，脱除全部重烃，出口的天然气中C5+重烃含量降至70ppm以下；甲烷气继续冷却至-155℃，节流后进入冷箱分离罐中分离，液体部分即为液化天然气被送至液化天然气储罐中储存，气相部分返回冷箱复温后用作分子筛干燥单元的再生气。

5、储运单元

来自液化单元的液化天然气进入液化天然气储罐中储存，产量为420m3，储罐容量为4500 m3,储存能力为10天。

6、制冷剂压缩单元

按一定比例配比的制冷剂，经过制冷压缩机增压至1.3MPa(G)后经中间冷

却器冷却后，进入中间分离罐中分离，气体部分进入制冷剂压缩机二级增压至 4.9MPa(G)并与来自分离罐的液体混合后进入后冷却器冷却，进入分离罐中分离，气体部分流至冷箱顶部，液体部分经制冷剂泵送至冷箱顶部与气体部分混合后进入冷箱换热器冷却，冷却后的低温制冷剂由换热器底部流出，经节流阀节流降压降温后返回换热器，作为返流制冷剂为原料气和正流制冷剂降温液化提供冷量，低压制冷剂复温后出冷箱换热器。

二、控制系统及自动化仪表

（一）工艺过程对自动控制的要求

1、高度的自动化

LNG液化工艺连续性强，安全要求高，中间缓冲余量小，操作频繁要求高，没有控制系统难以保证生产过程的安全平稳及优化，因此LNG液化装置采用DCS，ESD，FGS系统集中在控制室，从而实现高度自动化集中管理。

2、高质量的仪表

LNG需要很多仪表，整套装置仪表设备几百台，每台仪表的正常运行都关系到某一参数或设备的工作节点的正常操作。除考虑易燃易爆场所的要求外，每个仪表具有高的可靠性和稳定性。现场仪表精度在 1.0，1.5，远传仪表达到0.25级以上。

3、高精度的计量仪表

采用高精度的仪表用来检测LNG的入口天然气流量和LNG，LPG装车的计量。入口天然气采用涡轮转子流量计，精度0.5级，LNG、LPG装车采用科氏质量流量计进行计量，流量精度0.05，密度精度0.0002g/cm3。

4、在线分析仪表

在LNG的生产过程中，入口天然气的成分发生变化对制冷剂的配比有很大的影响，对天然气和制冷剂的在线分析是十分重要的，以防止LNG液化装置的能耗过大。冷箱对入口天然气的含水量要求也是十分严格的，否则长期运行将堵塞冷箱。

5、防爆防雷

LNG装置内有防爆区和非防爆区，非防爆区包括有明火的锅炉单元，PSA 制氮和仪表空气单元。

其它入冷箱单元、预处理单元、纯化单元、压缩机厂房等为防爆区域，在这些区内的所有仪表采用本安型仪表，特殊状态时采用隔爆型和正压防爆型仪表。

自控系统在LNG液化装置中占有十分重要的地位，DCS、ESD系统构成复杂的数据网络，容易受到各种原因导致的浪涌电压的干扰和破坏。现场变送器、模拟数字信号控制回路、调节阀、电磁阀和分别加装防雷模块予以保护，电源系统采用3级防护、分级泄放的电源防护系统。以及做好等电位连接。

（二）电源和气源

1、电源

DCS和ESD系统设置2台15KVA的UPS（不间断电源）供电，UPS的供电时间1小时。系统内使用的电源分别为24VDC和220VAC。

2、气源

仪表气源系统由2台无油压缩机、水分离罐、再生干燥器、储气罐组成。

压力：0.7MPa

露点：-40℃（0.7MPa时）

温度：常温，无油无尘

2台120m3/h的压缩机互为备用，10m3（1.0MPa）空气储罐。不间断供气时间30分钟。

（三）仪表选型

1、温度仪表

LNG装置的温度范围-170℃到300℃，装置的测温元件全部采用Pt100热电阻来实现。热电阻均为铠装型，按不同的区域配置保护管。特殊设备如冷箱内的温度检测采用铝保护管。

2、流量仪表

除了用于计量的入口天然气流量计（涡轮转子流量计）和LNG、LPG装车流量计（科氏质量流量计），均采用截流装置配差压变送器来进行测量。截流装置采用孔板来实现，取压方式法兰取压。气体流量配压力和温度补偿，差压变送器的差压范围选择6KPa（6000mmH2O）。重要的位置采用流量开关作为ESD紧急停车系统信号检测。如：原料气压机和制冷剂压机的水冷系统。

3、压力仪表

压力参数的检测通过压力变送器将信号传送到控制室供DCS或ESD系统使用，关键位置配压力开关将信号传送至ESD或DCS系统用于报警和联锁。就地仪表采用不锈钢压力表和普通压力表实现，压机和泵的出口采用耐震压力表。

4、液位仪表

需要远传的液位信号根据不同的介质采用不同的检测方式，预处理部分选择法兰差压变送器把信号传到控制室，冷箱内重烃类T>-70℃的液位采用电容式液位计实现。LNG采用差压变送器传输信号。关键部位如;LNG储罐使用2套液位检测系统。

就地液位指示采用磁浮子液位计和玻璃板液位计。需要报警和联锁的液位计采用液位开关实现。

5、调节阀

LNG装置的调节阀主要有低温调节阀和常温调节阀，冷箱内使用的低温调节阀采用长颈型单座调节阀，颈长：600mm，阀体材质为铝合金。常温型调节阀根据不同的介质、压力、Cv值选用不同结构形式的调节阀，所有的调节阀都配有阀门定位器，关键阀门有阀位信号返回器何手轮装置。如冷箱制冷剂J-T阀。低温阀不设置前后截止阀和旁通阀，常温调节阀设置前后阀和旁通阀组。

6、1分析仪表

LNG装置采用的在线分析仪表有：1台在线工业色谱仪和1台实验室色谱分别用于天然气成分和制冷剂成分的在线分析，主要分析的有：甲烷，乙烷，丙烷，异物烷，二氧化碳等。采用的方式PCD和FID检测室。

在线露点仪，分析进冷箱的天然气露点。

7、仪表防护保温

远传仪表安装在仪表箱内，需要冬季保温的采用防爆电伴热加以解决。

仪表部分清单如下：

（四）集散式控制系统（DCS）

集散控制系统(DCS)主要实现主要工艺参数的显示、趋势记录、历史事件的记录、报警、控制、打印、制表及流程图画面动态显示等功能。DCS系统为整个系统的核心，工艺过程的所有常规控制、复杂控制和逻辑控制均由DCS

来完成，当工艺参数越限时，能记忆、显示、打印并报警。

1、DCS系统组成

DCS系统采用浙大中控JX-300XP系统，JX-300XP覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（SCFBD）、梯形图（SCLD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C语言编程环境SCX。系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。

系统配置图如下：

2、DCS配置的原则

A、系统由过程站、数据通讯系统和人机接口组成。系统易于组态、易于使用、

易于扩展。

B、DCS 系统作为整个系统的处理整个工艺过程的参数的显示、趋势记录、

历史事件的记录、报警、控制、打印、制表及流程图画面动态显示等功能。当工艺参数超越设定值时，能记忆、显示、打印并报警。对操作人员的操作过程进行记录。关键参数修改权限设置。

C、DCS系统配置满足装置任何工况下的监控要求(包括紧急故障处理)，CPU

及通信总线负荷率控制在设计规定的指标之内并留有20%裕度。

D、DCS处理器采用100%冗余配置，重要I／O 点应考虑采用非同一板件

的冗余配置，每个I/O机架应有20%的在线I/O备用量。

E、系统电源有可靠的后备手段采用在线式UPS电源，备用电源的切换时间

应小于5ms。系统电源故障在控制室内设有独立于DCS之外的声光报

警。

F、主系统DCS及与主系统连接的所有相关系统(包括ESD、压缩机PLC、

装车独立的PLC)的通信负荷率不大于50%，其接口设备(板件)通过冗

余总线连接稳定可靠。

G、DCS的系统接地设计按照（HG/T-20513-2000）技术要求进行，所有进入

DCS系统的控制信号的电缆采用的屏蔽电缆，且有良好的单端接地。

H、所有的执行机构、阀门等外围设备，在失电、失气、失信号或DCS 系

统失灵的情况下，能够向安全方向动作或保持原位（安装保位阀）。

I、DCS系统容量以最终P&ID图为准，留有20%余量。系统具有强大可扩

展性，只需增加I/O模板就可以实现对系统的扩展。

J、在线修改功能，系统可以在线修改程序而不影响系统的运行。

K、DCS系统采用分布式控制，I/O远程单元可以安装在现场控制箱内。通过冗余总线方式与处理器连接。

L、系统的兼容性，可以与RS485，RS232等多种方式与其他不同的系统连接。

WebField JX-300XP 系统配置清单1

用户：哈工大雪贝低温设备有限公司

项目：

系统规模

系统配置

（五）ESD联锁停车系统

天然气液化属流程工业，具有低温、高压，易燃、易爆等特征，在生产中具有极高的危险性，因此实现生产装置的安全、稳定、高效运行不仅是提高效益的关键，而且对生产人员、生产设备，人员安全都十分重要。在本装置采用国际先进的ESD(Emergency Shut down,紧急停车)系统实现装置的安全控制。

LNG液化装置ESD系统构成：液化单元和公用工程区实现联锁保护控制，以确保装置在发生电力、循环水装置或仪表系统等公共故障时天然气的切断与排放得到有效的控制。当装置区发生火灾等紧急情况时，ESD接收FGS 系统的信号，控制停止切断相关的设备。ESD设备采用的是西门子公司的AS414F/HF系统对装置进行联锁控制，安全级别达到SIL2。

ESD系统独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。ESD 系统的ESD 中处理器、电源按实时热备冗余系统（独立机架）设计。ESD 所选用的模板应是带电可插拔型模板，且每块模板都有自诊断功能。ESD 处理器能接受、处理其它站拷贝来的子程序，并可将本站的一些功能程序移植到需要的站场，以减少重复编程的工作量。ESD 系统能够满足所需的热备冗余配置要求。对硬件的地址分配设置、I/O 的量化等应采用组态的方式完成。CPU 的字长≥32位，支持浮点运算、支持全部的数字量和模拟量，具有在线维护能力。

1、ESD系统的配置

A．为确保装置安全、稳定、可靠地运行，设计中采用1套ESD系统分别控制用于控制液化单元、压缩单元、储罐区和公用工程单元。

B．中央控制室由一个控制站AS414F/HF和现场I/O 端口组成。DCS操作站可以作为ESD的监控使用。与DCS系统共用工程师站。

C．本着安全高于控制的原则，所有关键联锁检测点采用先进ESD 系统，再通过冗余工业以太网与DCS的通信。

D．重要的I/O 点全部选用热备冗余方式，输入卡全部选用光电隔离型，非SIL(Safety Interity Level)级的输出卡选用继电器隔离或光电隔离型，避免现场干扰信号的影响。

E．交流电源采用双路方式供给电源模块，一路电源经UPS(不间断电源)供给ESD电源主模件，另一路市电电源供给ESD备用电源模件。

24V DC 电源因其容量很大，分两部分供给，一部分供给现场仪表和继电器、一部分供给现场电磁阀工作的电源，由DCS的直流电源装置供给。控制电磁阀的电源总线要选用铠装电缆，额定功率不能超出其总功率的50%，以避免电缆故障而造成大面积停车。

2、ESD设备清单

3、ESD软件

ESD软件部分包括：

A、SIMATIC PCS 7, SOFTWAREENGINEERING V6.1，

B、安全插件SOFT-F

三、火灾检测报警系统（FGS）

火灾检测及报警系统(FGS)

1）设计原则

a)FGS系统主要用来对厂区附近区域进行早期的火焰，可燃气体或

有毒气体的检测，并通过声光报警指示发生危险的区域。

b)在厂内建筑及工艺装置区设置火灾报警检测装置，主要的检测仪

表有感温/感烟探测器、可燃气体浓度探测器、低温探测器、火焰

探测器及手动报警按钮。

c)在控制室等处设置感温/感烟探测器，当保护区域的感温/感烟探测

器均报警后，消防控制室内火灾报警控制盘自动发出报警信号。

d)在工艺装置区、储罐区及存在潜在危险需要经常观测处，设置可

燃气体浓度探测器，其报警信号送FGS进行报警和联锁控制。

e)LNG集液池内设置低温探测器，当探测器探测到LNG（液化天然

气）泄漏后，由火灾报警控制盘联锁控制给出信号启动雨淋阀，

从而启动高倍数泡沫灭火系统。

f)在工艺装置区、储罐区及存在潜在危险需要经常观测处，设置火

焰探测器，其报警信号送FGS进行报警和联锁控制。

g)在LNG储罐通向大气的安全阀出口管处设置固定式干粉灭火系

统，用于扑救释放阀出口处的火灾。

h)室外主要出入口装设手动报警按钮，从装置区内任何一点至最近

的手动报警按钮不超过30m；

i)火灾自动报警控制盘应具备的功能：

?回路式及总线地址编码式混合使用；

?在任何时候都能识别出每个探测器／开关的故障报警；

?在任何时候都能识别出每个回路及每个手动报警按钮的故障报警；

?启动声、光设施的接口；

?打印并显示带有时间和日期的有关火警、故障以及由有关人员确认的报警全部记录；

?接到火警信号后关闭控制楼的空调系统以及其它楼的通风系统的接口；

?监督并显示系统故障：探测器及回路的故障；短路；主回路

及二次线的断路；电源故障；优先接收火警信号；

j)电源要求：交流220V 50Hz；备用电源具有再充电装置，蓄电池的容量应充分满足在报警的情况下，全部的探测器、送至消防压

力开关的报警信号以及手动报警按钮24小时的负荷。

k)接地要求：由于在防爆区采用本质安全型，因此在盘内装有本质安全栅，接地电阻不大于1欧姆。

四、执行标准

1、HG/T20636（1~10）自控专业设计管理规定

2、HG/T20637（1~8）自控专业工程文件的编制

3、HG/T20638 自控专业工程设计文件深度的规定

4、HG/T20639（1~3）自控专业工程设计用典型图表及目录

5、HG/T20505-2000 过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号

6、HG/T20507-2000 自动化仪表选型设计规定

7、HG/T20508-2000 控制室设计规定

8、HG/T20509-2000 仪表供电设计规定

9、HG/T20510-2000 仪表供气设计规定

10、HG/T20511-2000 信号联锁、安全联锁系统设计规定

11、HG/T20512-2000 仪表配管配线设计规定

12、HG/T20513-2000 仪表系统接地设计规定

13、HG/T20514-2000 仪表及管线伴热和绝热保温设计规定

14、HG/T20515-2000 仪表隔离和吹洗设计规定

15、HG/T20516-2000 仪表分析室设计规定

16、HG/T20699-2000 自控设计常用名词术语

17、HG/T20700-2000 可编程控制器系统工程设计规定