LNG加注设备控制系统的应用

LNG加注设备控制系统的应用

陈峰 张文辉

易高清洁能源管理服务（西安）有限公司 陕西 西安 710000

摘要：LNG加注站在国内经过十多年的发展，已经形成集约化、自动化、小型化的特点，控制系统在设计、设备制造、安装中都有了相应的改变，控制系统作为工业生产中常见的控制形式之一，在加气站的应用已极为广泛和可靠。通过配置PLC、电磁阀、气动阀、变频器、上位机等，实现了加气站日常运行的自动化，从而保护设备并保障运行安全，提升生产效率。

关键词：LNG加气站、PLC、自动化控制系统

引言

LNG加气站自控系统按照功能分为：运行控制、燃气泄漏检测、消防等，全站主要设备包括储罐、泵撬、加气机、配电和控制柜、上位机监控等。储罐用于存储LNG，泵撬用于实现工艺流程控制和切换，加气机用于计量加注，配电和控制柜用于提供电力配送和工艺控制，上位机系统实现人机交互。在整个配电和控制系统中，PLC控制系统处于核心位置，用于接收远传信号和控制指令，通过内置逻辑程序实现生产中的流程控制。

1. 控制系统组成

1.1 硬件组成

加气站控制系统的核心部件为PLC、电磁阀、变频器、人机交互界面。

PLC接收变送器的远传信号和控制指令，运行内置程序，实现逻辑控制，通过输出模块控制继电器，继电器的开关运行对电磁阀的状态进行转换，从而控制不同流程状态下的气动阀；变频器用于调整不同流程状态下泵的转速，从而调节泵池出口压力；人机交互系统则直观显示现场数据、流程状态，修改参数，完成数据采集，并可形成数据报表。

LNG加气站目前常用PLC品牌型号：西门子S7-200SMART、S7-1200、施耐德M258等；常用的变频器：西门子、施耐德、ABB等。

1.2 信号形式及通讯

PLC输入和输出信号包括模拟量和数字量信号。

输入模拟量信号如：压力、温度、液位，输入数字量信号如：急停反馈、燃气报警反馈、卡机联动。输出模拟量信号如：变频器频率控制，输出数字量信号如：继电器输出。

PLC与上位机控制系统的通讯方式：TCP/IP通讯协议和MODBUS 485。

变频器的控制方式包括：端子控制、模拟量或通迅（TCP/IP或MODBUS 485）控制。

2. 控制系统保护

控制系统保护分为硬件保护和软件保护。

2.1 硬件保护

控制系统做为弱电系统和核心部件，为保证其安全稳定的运行，在电源输入端设置隔离变压器，以防止电压波动影响PLC电源模块和DC24V开关电源的稳定运行；对输入数字量信号进行光电信号转化、输入模拟量信号使用防爆隔离栅保护，以防止外部输入信号损坏PLC输入模块或短路时爆炸危险区域发生安全事故；对输出信号则通过继电器间接控制，以防止输出信号的反向截止。

现有变频器的技术已较为完善，在硬件保护上主要以组态参数为主，并对变频器可靠接地，对整个配电系统引入浪涌保护器以防止雷雨天气下的雷击。

2.2软件保护

软件保护是在内置程序中，通过预设标准参数值与远传实时数据进行比对，当实时数据偏离预设参数时，系统发出声光报警，并进行对应流程改变。

在软件系统中，同时进行冗余设计，即保护程序中的数据信号不会只有一种类型或者出自一处，信号类型如压力、温度、时间等，信号来源如泵前、泵后。

为及时维护核心动设备潜液泵，厂家一般会在程序内置计时器，用于统计潜液泵的累计运行时间，并在人机界面上显示出来，根据潜液泵的维护指引对其进行中修或者大修。

3.控制系统自动化

3.1 流程控制

通过PLC内置程序，控制管道中不同位置的气动阀，实现工艺流程的切换，内置流程分为待机、加注、卸车、调饱和。

在待机状态下，控制系统控制相应的阀门状态，利用LNG物理特性，从而使管道和泵池中的残存液体返回储罐，达到压力平衡；在加注状态下，控制系统切换阀门状态，使LNG液体从储罐流出，启动潜液泵加压，使LNG 流向加气机进行计量并售出；卸车模式则是将槽车中的LNG卸入储罐中，在卸车的同时兼顾对外销售；调饱和则是针对储罐压力较低时，运行潜液泵将LNG汽化后返回储罐顶部，从而升高储罐压力。

3.2 潜液泵运行保护和控制选择

潜液泵作为LNG加注的核心动设备，设计转速高达6000r/min，因此须对潜液泵进行充分预冷，以保证潜液泵的使用寿命。主要有两种保护方式，一种为通过比对泵池底部和上部的温度差，并设定温差时间，以保证潜液泵预冷完成达到启动条件；另一种为通过对泵池LNG液位进行监测，并设定延迟时间，以保证潜液泵预冷完成达到启动条件。

在日常生产加注过程中，一般需要泵池出口压力（泵后压力）持续在一个稳定的值，但是由于受储罐液位、压力的影响，需要及时调整潜液泵的转速实现，而潜液泵的转速则可通过调整变频器的输出频率达到（N=60f/p，N为电机转速、f为电源频率、p为电机旋转磁场的极对数）。

变频器输出频率有两种输出方式：定频输出和变频输出。

定频输出是在系统中设置恒定的变频器输出频率值，使潜液泵以恒定转速运行。在不同储罐液位、压力条件下，以潜液泵运行历史值作为参考，通过人机交互界面修改变频器输出频率，从而实现泵后压力的控制。

变频输出是通过PLC内置程序中的PID控制，系统根据检测到的现场参数，实时调整变频器输出频率，潜液泵转速不停的进行改变，实现泵后压力的控制。

3.3 急停保护与燃气泄漏联动

为保障在紧急情况下，加气站设备及时停止运行并发出警报，在多个位置如加气机、泵撬、卸车口、控制柜等处均安装了急停按钮（ESD），并与PLC控制系统联动。在设备和管道的各连接部位，安装燃气检测探头实时监测，并通过燃气报警器显示监测结果，同时燃气报警器与PLC控制系统联动。

就地急停按钮（ESD）被按下时，硬件急停和软件急停分别动作，硬件急停为急停线路与配电柜总电源开关失压脱扣线圈相连接，当急停回路断开时，总电源开关脱扣使整个系统断电，强制潜液泵停止运行；但因PLC控制柜连接UPS电源，PLC的运行不会因为系统断电而停止，则当PLC收到急停信号后，则软件急停动作并停止相应的输出控制，如关断储罐根部气动阀等，同时对外发出声光报警、显示报警信息和事由，形成报警事件。

当燃气探头检测到异常情况时，燃气报警器发出声光报警，并向PLC发出联动信号，PLC停止相应的输出控制，如关断储罐根部气动阀、停止潜液泵运行等，同时对外发出声光报警、显示报警信息和事由，形成报警事件。

3.4 BOG预控制和使用效率

在日常运行中，储罐作为LNG存储设备，需要对其压力进行监控，泵池和工艺管道中LNG所汽化产生的BOG是导致储罐压力上升的主要因素。

较为常见的解决办法为，在自控系统中控制工艺流程的切换时，对关键控制点的阀门进行直接关断或延时关断，可有效控制BOG产生又不耽误生产效率。

对储罐的安全上，除储罐自带的安全阀组外，在放散管路上设置气动阀门，通过在程序中设定开启压力和回座压力，当储罐压力超过设定值时自动开启对储罐BOG进行放散，当储罐压力达到回座压力时则关闭。

3.5 人机交互

人机系统多采用上位机软件实现，有修改参数、改变设备状态、控制工艺切换、显示设备状态、显示实时数据、形成数据图表等功能。多采用西门子WinCC、亚控组态王、力控等软件。

结束语

加气站中自控系统在实际使用中已经较为成熟，但也要看到不足和需要改进的地方。

例如在设备安装中因PLC输入输出控制项较多，从控制室至泵撬需要布置大量的控制线路，而PLC主从站的设计只需布置动力线和通讯线即可大幅减少此类布线；又如，因变频器输出频率较高对Modbus-485模拟量通讯干扰较大，而TCP/IP通讯为数字量通讯能更好的屏蔽高频干扰。

因此在加气站设计和设备制造过程中使用更为成熟和可靠的技术，以节约建造成本和周期。