LNG氣站的工藝設(shè)計(jì)

LNG氣化站的工藝設(shè)計(jì)

摘要：論述了液化天然氣氣化站的工藝流程，針對(duì)LNG氣化站主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)問題作了主要探討，并介紹了LNG氣化站的安全設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：LNG氣化站；工藝流程；工藝設(shè)計(jì)TechnologicalDesignofLNGVaporizingStationLIPei-ming，JIAOWen-ling

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150090，China)

Abstract:ThearticleintroducestechnologicalflowofLNGvaporizingstation，mainlydiscussestechnologicaldesignonthemainfacilitiesofLNGvaporizingstationandintroducessafedesigninLNGvaporizingstation.

Keywords:LNGvaporizingstation；processflow；technologicaldesign0引言

液化天然氣(LNG)[1]是將天然氣經(jīng)過脫水、脫重?zé)N、脫酸性氣體等凈化處理后，采用節(jié)流、膨脹或外加冷源制冷工藝，在常壓和-162℃條件下液化而成。液化天然氣無味、無色、無毒、無腐蝕性，體積約是常壓下氣態(tài)天然氣體積的1/600。

LNG因具有運(yùn)輸效率高、用途廣、供氣設(shè)施造價(jià)低、見效快、方式靈活等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為無法使用管輸天然氣供氣城市的主要?dú)庠椿蜻^渡氣源，同時(shí)也成為許多使用管輸天然氣供氣城市的補(bǔ)充氣源或調(diào)峰、應(yīng)急氣源。作為城市利用LNG的主要設(shè)施，LNG氣化站[1-4]憑借其建設(shè)周期短、能方便及時(shí)的滿足市場用氣需求的特點(diǎn)，已成為我國東南沿海眾多經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、但能源緊缺地區(qū)的永久供氣設(shè)施或管輸天然氣到達(dá)前的過渡供氣設(shè)施。

1LNG氣化站的工藝流程[3]

液化天然氣由低溫槽車運(yùn)至氣化站，利用槽車自帶的增壓器給槽車儲(chǔ)罐增壓，利用壓差將LNG送入LNG儲(chǔ)罐，進(jìn)行卸車。通過儲(chǔ)罐增壓器將LNG增壓，進(jìn)入空溫式氣化器，LNG吸熱氣化發(fā)生相變，成為天然氣。當(dāng)天然氣在空溫式氣化器出口溫度較低時(shí)，需要經(jīng)水浴式加熱器氣化并調(diào)壓、計(jì)量、加臭后送入城市高(中)壓管網(wǎng)。圖1為送入城市中壓管網(wǎng)的空溫式LNG氣化站工藝流程圖。

2LNG氣化站的工藝設(shè)計(jì)

LNG氣化站的工藝設(shè)備及裝置主要有LNG儲(chǔ)罐、BOG儲(chǔ)罐、LNG氣化器及增壓器、調(diào)壓、計(jì)量與加臭裝置、閥門與管材管件等。

2.1LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)[3-5]2.1.1LNG儲(chǔ)罐形式的確定

儲(chǔ)罐形式的確定[6]考慮儲(chǔ)存規(guī)模、設(shè)備投資、建造周期、占地面積等綜合因素。目前，國內(nèi)外常用的LNG低溫儲(chǔ)槽有常壓儲(chǔ)存、子母罐帶壓儲(chǔ)存及單罐帶壓儲(chǔ)存3種方式[6]。常壓罐投資最省，占地面積小，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低，但保溫性能較差，排液需要低溫泵，運(yùn)行費(fèi)用稍高，施工周期稍長。子母罐運(yùn)行費(fèi)用低，操作簡單，而保溫性能較單罐差，絕熱材料使用量多，占地面積較大，投資最大。單罐施工周期較短，投資居中，運(yùn)行費(fèi)用低，操作簡單，保溫效果好，可靠，技術(shù)成熟，但運(yùn)輸較麻煩，占地面積大，管路和閥門多。

LNG供氣站采用何種儲(chǔ)罐方式，主要取決于其儲(chǔ)存量[4]。儲(chǔ)存量在1200～5000m3可采用子母罐帶壓儲(chǔ)存和常壓儲(chǔ)槽儲(chǔ)存，子母罐的單罐容積一般在600～1750m3。儲(chǔ)存量在1200m3以下的城市LNG氣化站，基本都采用真空罐帶壓儲(chǔ)存。受運(yùn)輸和整體吊裝條件的限制，單罐容積多采用100m3，個(gè)別站用50m3。2.1.2設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力的確定

目前，絕大部分100m3立式LNG儲(chǔ)罐的最高工作壓力為0.8MPa。按照GB1501998《鋼制壓力容器》的規(guī)定，當(dāng)儲(chǔ)罐的最高工作壓力為0.8MPa時(shí)，可取設(shè)計(jì)壓力為0.84MPa�？紤]到儲(chǔ)罐的充裝系數(shù)、液柱凈壓力和內(nèi)外罐間的高真空，內(nèi)罐的計(jì)算壓力[6]般取為1.01MPa.外罐的主要作用是以吊掛式或支撐式固定內(nèi)罐與絕熱材料，同時(shí)與內(nèi)罐形成高真空絕熱層。作用在外罐上的荷載主要為內(nèi)罐和介質(zhì)的重力荷載以及絕熱層的真空負(fù)壓。外罐為外壓容器，設(shè)計(jì)壓力[3]一般取為-0.1MPa。

2.1.3100m3LNG儲(chǔ)罐的選材、接管設(shè)計(jì)及液位測量裝置設(shè)計(jì)[3-8]

正常操作時(shí)，LNG儲(chǔ)罐工作溫度為-162.3℃，第一次投用前要用-196℃的液氮對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷，取儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度為-196℃。內(nèi)罐既要承受介質(zhì)的工作壓力，又要承受LNG的低溫，內(nèi)罐材料必須具有良好的低溫綜合機(jī)械性能，故采用0Cr18Ni9(相當(dāng)于ASME標(biāo)準(zhǔn)的304)。據(jù)內(nèi)罐的計(jì)算壓力和所選材料，內(nèi)罐的計(jì)算厚度和設(shè)計(jì)厚度分別為11.1mm和12mm.作為常溫外壓容器，外罐材料選用16MnR，設(shè)計(jì)厚度為10mm。

開設(shè)在儲(chǔ)罐內(nèi)罐上的接管口有上進(jìn)液口、下進(jìn)液口、出液口、氣相口、測滿口、上液位計(jì)口、下液位計(jì)口、工藝人孔等8個(gè)接管口。為便于定期測量真空度和抽真空，在外罐下封頭上開設(shè)有抽真空口(抽完真空后該管口被封結(jié))。為防止真空失效和內(nèi)罐介質(zhì)漏入外罐，在外罐上封頭設(shè)置有防爆裝置。

為防止儲(chǔ)罐內(nèi)LNG充裝過量或運(yùn)行中罐內(nèi)LNG太少危及儲(chǔ)罐和工藝系統(tǒng)安全，在儲(chǔ)罐上分別設(shè)置測滿口與差壓式液位計(jì)兩套獨(dú)立液位測量裝置[8]，其靈敏度與可靠性對(duì)LNG儲(chǔ)罐的安全至關(guān)重要。在向儲(chǔ)罐充裝LNG時(shí)，通過差壓式液位計(jì)所顯示的靜壓力讀數(shù)，可從靜壓力與充裝質(zhì)量對(duì)照表上直觀方便地讀出罐內(nèi)LNG的液面高度、體積和質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到充裝上限時(shí)，LNG液體會(huì)從測滿口溢出，提醒操作人員手動(dòng)切斷進(jìn)料。儲(chǔ)罐自控系統(tǒng)還設(shè)有高限報(bào)警(充裝量為罐容的85%)、緊急切斷(充裝量為罐容的95%)、低限報(bào)警(剩余LNG量為罐容的10%)。

2.2BOG緩沖罐的設(shè)計(jì)

對(duì)于調(diào)峰型LNG氣化站，為了回收非調(diào)峰期接卸槽車的余氣和儲(chǔ)罐中的BOG(BoilOffGas，蒸發(fā)氣體)，或?qū)τ谔烊粴饣鞖庹緸榱司鶆蚧鞖猓�常在BOG加熱器的出口增設(shè)BOG緩沖罐，其容量按回收槽車余氣量設(shè)置。

2.3增壓器的設(shè)計(jì)

當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的低溫液體向外排出時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力會(huì)逐漸下降。為了保持儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，必須對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓。低溫容器的增壓系統(tǒng)主要有低溫泵增壓系統(tǒng)、外部氣源增壓系統(tǒng)和自增壓系統(tǒng)。低溫泵增壓系統(tǒng)是在排液口設(shè)置低溫泵，利用泵的機(jī)械功使低溫液體增壓，并向氣化器輸液。但低溫泵要求外部安裝條件比較嚴(yán)格，不適于小型供氣系統(tǒng)。外部氣源增壓系統(tǒng)是利用外來的氣源實(shí)現(xiàn)增壓和排液過程，但需要額外的CNG儲(chǔ)罐和高壓天然氣。自增壓系統(tǒng)是目前各種低溫儲(chǔ)罐最常用的增壓系統(tǒng)，是將部分的LNG排出儲(chǔ)罐，經(jīng)氣化器氣化后，再返回至儲(chǔ)罐的氣相空間，從而達(dá)到儲(chǔ)罐增壓的目的。

2.4氣化器的設(shè)計(jì)

LNG的氣化應(yīng)滿足當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及工藝要求，可選用的氣化器[10]有加熱式氣化器和環(huán)境式氣化器。加熱式氣化器的氣化熱源為蒸汽或熱水等�，F(xiàn)通常采用的加熱式氣化器是水浴式氣化器。環(huán)境式氣化器采用自然環(huán)境的熱源，如大氣、海水或地?zé)崴��，F(xiàn)通常采用的環(huán)境式氣化器是空溫式氣化器。空溫式氣化器是LNG供氣站向城市用戶供氣的主要?dú)饣�設(shè)施。冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，即當(dāng)空溫式氣化器出口天然氣溫度低于5℃時(shí)，則需要在空溫式氣化器后串聯(lián)加熱式氣化器加熱天然氣。

空溫式氣化器的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行成本低，缺點(diǎn)是氣化器體積大、投資高、在冬季和雨天氣化器出口溫度較低。水浴式氣化器的優(yōu)點(diǎn)是氣化器體積小、投資較低、氣化器出口溫度穩(wěn)定，缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用很高，1臺(tái)水浴式氣化器的年運(yùn)行費(fèi)用可購買1臺(tái)空溫式氣化器。所以，除東北等少數(shù)寒冷地區(qū)外，基本都采用空溫式氣化LNG流程。為了防止冬季和雨天空溫式氣化器出口天然氣的溫度低，損壞后續(xù)的管道并加大供銷差，在空溫式氣化器的出口常串接1臺(tái)水浴式加熱器�？諟厥綒饣�器和加熱式氣化器的選型，應(yīng)根據(jù)高峰小時(shí)用氣量和氣化器的氣化能力來確定。

2.5調(diào)壓計(jì)量與加臭裝置設(shè)計(jì)[10]

根據(jù)LNG供氣站的規(guī)模選擇調(diào)壓裝置。通常設(shè)置2路調(diào)壓裝置，選用帶指揮器、超壓切斷的自力式調(diào)壓器。計(jì)量采用渦輪流量計(jì)，加臭劑采用四氫噻吩，加臭以隔膜式計(jì)量泵為動(dòng)力，根據(jù)流量信號(hào)將臭味劑注入天然氣管道中。

2.6閥門與管道管件選型設(shè)計(jì)[3-6]2.6.1閥門選型設(shè)計(jì)

工藝系統(tǒng)閥門應(yīng)滿足輸送LNG的壓力和流量要求，同時(shí)必須具備耐-196℃的低溫性能。常用的LNG閥門主要有:增壓調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、低溫截止閥、安全閥、止回閥等。其中增壓調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥宜采用進(jìn)口，其余可采用國產(chǎn)閥門。閥門材料為0Cr18Ni9。

2.6.2管道管件法蘭選型設(shè)計(jì)

(1)介質(zhì)溫度小于或等于-20℃的管道采用輸送流體用不銹鋼無縫鋼(GB/T14976201*)，材質(zhì)為0Cr18Ni9。管件均采用材質(zhì)為0Cr18Ni9的無縫沖壓管件(GB/T1245290)。法蘭采用凹凸面長頸對(duì)焊鋼制管法蘭(HG20592297)，材質(zhì)為0Cr18Ni9；法蘭密封墊片采用金屬纏繞式墊片(0Cr18Ni9)。

(2)介質(zhì)溫度大于-20℃的工藝管道，當(dāng)管徑小于或等于DN200時(shí)，采用輸送流體用無縫鋼管(GB/T8163)，材質(zhì)為20號(hào)鋼;當(dāng)管徑大于DN200時(shí)采用ERW(高頻直縫電阻焊)焊接鋼管[11](GB/T3041201*)，材質(zhì)為Q235B。管件均采用20號(hào)鋼無縫沖壓管件(GB/T12459290)。法蘭采用20號(hào)鋼突面帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭(HG20592297)。法蘭密封墊片采用柔性石墨復(fù)合墊片(HG20629297)。

LNG工藝管道安裝除必要的法蘭連接外，均采用焊接連接。低溫工藝管道用聚胺脂管托和復(fù)合聚乙烯管殼進(jìn)行絕熱。碳鋼工藝管道作防腐處理。

2.6.3防止冷收縮設(shè)計(jì)

用作LNG管道的奧氏體不銹鋼雖具有優(yōu)異的低溫機(jī)械性能，但冷收縮率高達(dá)3‰[9]。站區(qū)LNG管路在常溫下安裝，在低溫下運(yùn)行，前后溫差高達(dá)180℃，存在著較大的冷收縮量和溫差應(yīng)力，通常采用“門形”補(bǔ)償裝置對(duì)工藝管道進(jìn)行冷收縮補(bǔ)償。

3LNG氣化站的安全設(shè)計(jì)對(duì)于LNG的氣化供應(yīng)環(huán)節(jié)，主要考慮的是安全問題，所以工程設(shè)計(jì)和LNG氣化站運(yùn)行的安全就是防止天然氣泄漏、消除可能導(dǎo)致燃燒的因素以及滿足LNG設(shè)備的防火及消防要求。為了防止低溫LNG設(shè)備超壓，引起超壓排放和爆炸，在裝置中還應(yīng)設(shè)有BOG系統(tǒng)、放散系統(tǒng)和氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)等[9]。另外，由于LNG的低溫特性，操作人員應(yīng)做好必要的防護(hù)。

安全設(shè)計(jì)需要相關(guān)規(guī)定的限制，我國應(yīng)該盡快頒布LNG設(shè)計(jì)規(guī)范，以指導(dǎo)LNG應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工安裝和運(yùn)行管理。LNG氣化器的選型必須考慮供氣站所在地域的環(huán)境氣溫，對(duì)東北等寒冷地區(qū)，應(yīng)采用水浴式和空溫式氣化器并聯(lián)運(yùn)行方式氣化LNG。LNG儲(chǔ)罐的工作壓力、設(shè)計(jì)壓力、計(jì)算壓力分別有不同的定義和特定用途，不能將計(jì)算壓力誤作為設(shè)計(jì)壓力標(biāo)注于LNG儲(chǔ)罐銘牌上，這將導(dǎo)致儲(chǔ)罐安全閥的開啟壓力設(shè)定過高而危及儲(chǔ)罐安全。

4結(jié)束語

作為當(dāng)今城市燃?xì)獾闹匾獊碓�，LNG的發(fā)展方興未艾。LNG的氣化工藝技術(shù)成熟，安全可靠，氣化后為那些遠(yuǎn)離天然氣輸氣管道或暫時(shí)無法建設(shè)輸氣支線的中小城鎮(zhèn)提供了氣源保證。今后，LNG氣化站的發(fā)展將為更多的城鎮(zhèn)帶來便利，大力發(fā)展LNG事業(yè)成為當(dāng)今能源發(fā)展的重點(diǎn)之一。

擴(kuò)展閱讀：如何從工藝設(shè)計(jì)方面降低LNG加氣站的放散

如何從工藝設(shè)計(jì)方面降低

加氣站的放散率

編寫人：魯文斌日期：201*年12月12日

如何從工藝設(shè)計(jì)方面降低加氣站的放散率

一、前言

1、隨著LNG行業(yè)的不斷發(fā)展，公司在加氣站建設(shè)方面的投資也在不斷加大，與此同時(shí)，如何解決放散問題已成為公司節(jié)約成本、降低損耗的關(guān)鍵問題之一。

LNG為何會(huì)產(chǎn)生放散，在實(shí)際使用過程中，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力會(huì)不斷升高，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，為保證儲(chǔ)罐安全，必須對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行泄壓放散。LNG低溫泵啟動(dòng)時(shí)，因泵的結(jié)構(gòu)因素，LNG液體必須浸滿整個(gè)泵頭才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于LNG的物理特性，當(dāng)液體流入泵頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣化，使泵無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需通過手動(dòng)放散達(dá)到正常運(yùn)行的效果。

2、總體來說，放散的原因主要可以歸結(jié)為以下幾個(gè)因素：第一、設(shè)備制造因素。LNG罐箱等設(shè)備在目前工藝水平下無法達(dá)到理想絕熱真空狀態(tài)，因此罐箱內(nèi)部與外部會(huì)發(fā)生緩慢的熱交換，造成LNG的氣化，其屬于不可控因素。

第二、人為因素。加氣站員工對(duì)于LNG加注操作流程不規(guī)范，這一點(diǎn)主要出現(xiàn)在新員工身上，可以通過培訓(xùn)、原理講解達(dá)到減少人為放散的目的。

第三、工藝設(shè)計(jì)因素。工藝管路設(shè)計(jì)不合理，會(huì)增大流體流動(dòng)時(shí)的阻力，增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)的放散量，甚至?xí)�因管線過長導(dǎo)致烴泵無法正常運(yùn)行，因此正確把握工藝設(shè)計(jì)的合理性，將是現(xiàn)階段降低放散的最有效途徑。

二、主要工藝問題分析

1、L-CNG高壓烴泵進(jìn)液和回流管線工藝設(shè)計(jì)

存在的問題：

①、LNG罐箱基礎(chǔ)的高度較低，罐箱出液口與L-CNG高壓烴泵的進(jìn)液口高差不滿足泵的凈正吸入壓頭（NPSH）要求；

②、管路彎頭較多，管線傾斜角度不大，使LNG液體向下流動(dòng)時(shí)摩擦阻力較大，影響設(shè)備使用效果；

③、部分管路沒有做保溫處理，結(jié)霜的管路具有氣化器的作用，導(dǎo)致罐箱因壓力升高而產(chǎn)生放散；合理的設(shè)計(jì)方式：

①、為滿足烴泵的凈正吸入壓頭要求，需要將儲(chǔ)罐出液口與烴泵進(jìn)液口的高差設(shè)計(jì)為1.7米。

②、在保證安全間距的前提下，按罐箱出液口至烴泵進(jìn)液口之間的傾斜角度安裝管路，可避免管路因彎頭過多，摩擦阻力較大的問題。

③、對(duì)泵前所有工藝管線、閥門、彎頭應(yīng)嚴(yán)格按照保冷大樣圖做保冷絕熱處理，最大限度的降低管道內(nèi)液體與外界空氣進(jìn)行熱交換。

2、LNG撬工藝管線連接

存在的問題：

①、前兩幅圖中進(jìn)液管線、回氣管線、回流管線下翻彎折嚴(yán)重，造成進(jìn)液不暢，容易產(chǎn)生液封現(xiàn)象。沒有做保冷處理，管線上結(jié)霜的部位較多，即表示有氣化現(xiàn)象發(fā)生，將會(huì)造成儲(chǔ)罐升壓放散。

②、第三幅圖中，雖然管線已做保冷處理，但是儲(chǔ)罐與LNG撬距離太遠(yuǎn)。而且從儲(chǔ)罐出液口至撬進(jìn)液口的管線始終為水平狀態(tài)，并沒有一定的傾斜角度。改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)：

①、在滿足規(guī)范要求的前提下，使LNG潛液泵與儲(chǔ)罐保持較近的距離，并且避免管線出現(xiàn)上翻下翻的現(xiàn)象。

②、對(duì)泵池、管線、閥門等設(shè)備進(jìn)行保冷絕熱處理的同時(shí)，還應(yīng)設(shè)計(jì)出液和回氣管線都保持合理的傾斜角度進(jìn)入LNG撬設(shè)備，最大限度的減少流體在管道內(nèi)的摩擦阻力。傾斜角度設(shè)計(jì)如下圖所示：

③、工藝管線上的閥門并不是多多益善，因?yàn)楫?dāng)流體每經(jīng)過一道閥門時(shí)，其在閥門中所受到的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道摩擦的阻力，所以閥門的安裝應(yīng)以滿足安全和工藝要求為宜。

④、在具備居民用氣的站點(diǎn)，還可將設(shè)備上的手動(dòng)BOG放散回收引入民用管網(wǎng)中，需要注意的是不可將EAG安全放散也進(jìn)行回收。

三、總結(jié)

一座LNG加氣站，其泵前工藝管線的設(shè)計(jì)是否合理，將會(huì)直接影響到加氣站的經(jīng)濟(jì)效益情況。降低放散率，是提高經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。隨著科技制造水平的不斷提高，我們還需要引用更多的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝到LNG行業(yè)中來，不斷改善當(dāng)前的加氣站建設(shè)水平。為提高經(jīng)濟(jì)效益，真正實(shí)現(xiàn)“零放散”不斷去發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。

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