液化石油气蒸汽式气化器工艺流程及控制方式_工程实践

摘要

摘要：介绍了燃料气气化器和升压气化器的工艺流程及控制方式，探讨了蒸汽式气化器2种控制方式的优缺点及适用工况。关键词：液化石油气；蒸汽式气化器；工艺流程；控制方式Process Flow

摘要：介绍了燃料气气化器和升压气化器的工艺流程及控制方式，探讨了蒸汽式气化器2种控制方式的优缺点及适用工况。

关键词：液化石油气；蒸汽式气化器；工艺流程；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设置压力罐区，包括多个储罐、泵组和气化器等。储罐中多储存液态的烯烃类介质，这些介质通常有2种用途：充当补充燃料或备用燃料，为设备提供能源；作为原料参与生产。

在主要燃料气供应不足或由于某种原因突然停止供应的情况下，经气化器气化后的气体作为补充燃料或备用燃料使用时，气化器的流量和压力变化比较大，需要补充的流量很小或瞬间达到满量程，因此要求供应燃料气的气化器控制精度高、操作弹性大、气化安全且适当过热，防止昼夜温差导致出现凝结液滴而影响燃烧效果^[1]。

当烯烃类介质作为原料参与生产时，一般用泵组将其输送到生产设备中。当泵输出物料量较大时，储罐和环境间的换热不足以维持自身的饱和蒸气压，罐内压力下降较快，使烃泵吸入口的压力快速降低，经常导致泵气蚀，损坏泵体。此外，由于储罐内压力快速降低，其内的烯烃类介质快速闪蒸，造成储罐温度降低，储罐本体安全受到威胁。因此，为了避免上述情况出现，需要采用气化器给储罐增压，这种气化器称为升压气化器，升压时只要求气体快速气化，气化器气化量变化较小，开启基本就接近额定气化量，同时对过热没有要求。

一般在建有压力罐区的化工厂中均有蒸汽热源，所以采用蒸汽作为换热能源的蒸汽气化器使用较为普遍。本文介绍压力罐区蒸汽气化器的工艺流程及控制方式，其中烯烃类介质以经常使用的液化石油气(LPG)为例。

2 工艺流程

压力罐区采用蒸汽气化器作为换热设备进行气化的流程见图1。

来自液化石油气站的槽车通过卸车柱和液化石油气压缩机将液态液化石油气卸入储罐，储罐中的液态液化石油气通过稳压泵组升压稳压，经过调节阀调节流量后，进入气化器气化。同时，在稳压泵组和气化器的液相入口均设置回流阀，以便压力较高时液态液化石油气可以回流。气化器内设有换热管束，液态液化石油气通过换热管束与蒸汽进行换热，为了防止液态液化石油气气化时因蒸汽温度太高而结焦^[2]，通常蒸汽先加热换热管束中的水，换热管束中的水再以相对温和的温度加热液态液化石油气，使液化石油气气化。蒸汽入口加装调节阀以调节进入气化器的蒸汽量，为了充分利用蒸汽热能，防止能源浪费，在凝结水口加装疏水器，使蒸汽完全凝结后排出气化器。

为了提高调节精度，选择合适的调节阀显得尤为重要。通常选用等百分比流量特性的调节阀，这种调节阀可以保证无论流量大小，流量变化的比例是相同的。可以根据实际情况选用气动或电动的执行机构，同时为了提高调节精度，增大执行机构的输出力，可以为调节阀加装定位器(调节仪表为电信号时必须配备)。

将气化器的气相15接到用户管网时，此气化器便为燃料气气化器；将气化器的气相口接到储罐的气相口时，此气化器即为升压气化器。

3 控制要求与控制方式

① 控制要求及评价指标

控制系统的设计应满足整个气化装置的设备安全、运行经济及监视、控制的要求。控制质量可用下述指标表述：

a. 衰减比：控制系统的稳定性指标，指相邻同方向第1个波峰的幅值与第2个波峰的幅值之比，是控制系统的稳定性指标。

b. 超调量：最大动态偏差占被控量稳态变化幅度的比例，用来表征过渡过程中被控量偏离设定值的超调程度。

c. 调节时间：被控量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间作为过渡过程的调节时间，用来衡量控制系统的快速性。

d. 余差：过渡过程结束后，被控量稳态值与设定值之间的最终稳态偏差^[3]。

② 控制方式及其比较

气化器的控制方式比较灵活，实际生产中往往要根据现场的工况、气化量、用途及性价比等因素综合考虑，总之，系统要具有较强的抗干扰能力，应易于扩展，对于安全性要求较高的场合应本着满足故障安全的设计原则。本文讨论2种控制方式，分别见图2和图3。图3的图例同图2。

第一种控制方式是用气化器出气压力控制气化器进液调节阀的开度，用气化后的气体温度控制蒸汽调节阀的开度。同时，在气化器上设置液位高限、出气温度低限、出气压力高限，当其中任何一个或多个限值出现时，说明系统出现异常，为保证安全需切断气化器进液调节阀。

通过出气压力控制进液量，改变了液态液化石油气与换热管束的接触面积，进而改变气化速度和气化量，最终使出气压力发生变化。因此，通过控制进液量可以使出气压力向预期的方向变化。另外，采用出气温度控制蒸汽量，可以将出气温度控制在设定的范围内，在保证出气量的同时保证出气温度。

第二种控制方式是用气化器的出气压力控制蒸汽调节阀的开度，用液位控制进液调节阀的开度。同样，对气化器设置液位高限、出气温度低限和出气压力高限，当出现任何一个或多个限值时切断气化器进液调节阀。

通过出气压力控制蒸汽量，改变了换热管束单位面积的换热量，进而改变气化速度和气化量，同样可以改变出气压力。相对于第一种方式，这种方式对出气温度只设置低限连锁切断，这会使得出气温度在一个较大的范围内波动。

这2种方式中，气化器调节阀的控制对象多为“一阶滞后+纯滞后”或“二阶滞后+纯滞后”的典型控制模型。所以，调节阀开度的控制均采用PID(比例一积分一微分)控制方式，PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。其中，比例控制(P)是一种有差调节，利用偏差实现控制，但只能使系统被控量输出近似跟踪设定值；积分控制(I)是一种无差调节，可以提高系统的稳态控制精度，但积分控制的过渡过程比较漫长，系统稳定性变差；微分控制(D)具有对偏差变化趋势预测的能力，起到辅助调节的作用。对上述3个环节参数的合理选择，可以使控制系统达到满意的控制品质。通过对参数调节，可以使系统具有较大的衰减比、较低的超调量、较短的调节时间以及较小的余差。当输入量扰动时，系统经过有限次的振荡后，可以快速地达到稳定状态，并且可以将超调量控制在允许的范围内M]。

将采集到的PV值(现场测量值)送入控制系统中，与系统中的sV值(设定值)进行比较，对比较后的偏差值进行P、I、D运算，将运算后的结果作为控制量调节调节阀的开度，使PV值向SV值逼近，最终使PV值在SV值附近波动，达到动态平衡。需要进行PID调节的调节阀有：液态液化石油气进液调节阀、蒸汽调节阀。

③ 2种控制方式适用的工况

对于燃料气气化器，为了防止气化后的气体在输送的过程中因温度下降而凝结，一般要求气化后的气体处于过热状态，因此就需要对出气温度进行控制，以便使气体保持过热状态。通常采用第一种控制方式实现燃料气气化器的控制，因为第一种控制方式将出气温度作为控制量参与调节，可以很好地使气化后的气体处于过热状态。而因为第二种控制方式中出气温度不参与调节，很难保证气化后的气体是过热状态^[5]。

升压气化器的目的是给系统升压，所以只要保证液态介质能正常气化，同时出气压力能达到要求即可，至于气化后的气体是处于饱和状态还是过热状态，对升压系统意义不大。因此，为了弱化出气温度对整个气化装置的影响，通常只将出气温度纳入异常情况的切断，不纳入控制系统的调节。第二种控制方式因放松了对出气温度的要求，相对第一种控制方式，可以更快地达到升压的目的。

4 结论

在多个项目的压力罐区中，采用上述气化方式均达到了提供燃料气或升压的目的，实践证明：上述2种控制方式分别在2种气化器的控制上取得了很好的效果，对用气量产生的波动能起到很好的跟随，整个气化系统运行平稳可靠。

参考文献：

[1] 詹淑慧，李德英.燃气工程[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[2] 刘新哲，袁媛，张立中，等.燃煤电厂烟气脱硝系统液氨气化器控制方式[J].煤气与热力，2009，29(11)：A01-A03.

[3] 王再英.过程控制系统与仪表[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 解怀仁.石化仪表与控制系统[M].北京：中国石化出版社，2009.

[5] 严铭卿.燃气工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

(本文作者：马文香¹ 刘新哲² 李传龙² 1.天津市公用事业设计研究所天津 300100；2.天津市奥利达设备工程技术有限公司天津 300384)