LNG氣站的工藝設(shè)計

LNG氣化站的工藝設(shè)計

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

關(guān)鍵詞：LNG氣化站；工藝流程；工藝設(shè)計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、脫重烴、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因具有運輸效率高、用途廣、供氣設(shè)施造價低、見效快、方式靈活等特點，目前已經(jīng)成為無法使用管輸天然氣供氣城市的主要氣源或過渡氣源，同時也成為許多使用管輸天然氣供氣城市的補充氣源或調(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、能方便及時的滿足市場用氣需求的特點，已成為我國東南沿海眾多經(jīng)濟較發(fā)達、但能源緊缺地區(qū)的永久供氣設(shè)施或管輸天然氣到達前的過渡供氣設(shè)施。

1LNG氣化站的工藝流程[3]

液化天然氣由低溫槽車運至氣化站，利用槽車自帶的增壓器給槽車儲罐增壓，利用壓差將LNG送入LNG儲罐，進行卸車。通過儲罐增壓器將LNG增壓，進入空溫式氣化器，LNG吸熱氣化發(fā)生相變，成為天然氣。當天然氣在空溫式氣化器出口溫度較低時，需要經(jīng)水浴式加熱器氣化并調(diào)壓、計量、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

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

2.1LNG儲罐的設(shè)計[3-5]2.1.1LNG儲罐形式的確定

儲罐形式的確定[6]考慮儲存規(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低溫儲槽有常壓儲存、子母罐帶壓儲存及單罐帶壓儲存3種方式[6]。常壓罐投資最省，占地面積小，維護方便，運行費用低，但保溫性能較差，排液需要低溫泵，運行費用稍高，施工周期稍長。子母罐運行費用低，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，運行費用低，操作簡單，保溫效果好，可靠，技術(shù)成熟，但運輸較麻煩，占地面積大，管路和閥門多。

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

目前，絕大部分100m3立式LNG儲罐的最高工作壓力為0.8MPa。按照GB1501998《鋼制壓力容器》的規(guī)定，當儲罐的最高工作壓力為0.8MPa時，可取設(shè)計壓力為0.84MPa�？紤]到儲罐的充裝系數(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壓。外罐為外壓容器，設(shè)計壓力[3]一般取為-0.1MPa。

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

正常操作時，LNG儲罐工作溫度為-162.3℃，第一次投用前要用-196℃的液氮對儲罐進行預冷，取儲罐的設(shè)計溫度為-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械性能，故采用0Cr18Ni9(相當于ASME標準的304)。據(jù)內(nèi)罐的計算壓力和所選材料，內(nèi)罐的計算厚度和設(shè)計厚度分別為11.1mm和12mm.作為常溫外壓容器，外罐材料選用16MnR，設(shè)計厚度為10mm。

開設(shè)在儲罐內(nèi)罐上的接管口有上進液口、下進液口、出液口、氣相口、測滿口、上液位計口、下液位計口、工藝人孔等8個接管口。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。

為防止儲罐內(nèi)LNG充裝過量或運行中罐內(nèi)LNG太少危及儲罐和工藝系統(tǒng)安全，在儲罐上分別設(shè)置測滿口與差壓式液位計兩套獨立液位測量裝置[8]，其靈敏度與可靠性對LNG儲罐的安全至關(guān)重要。在向儲罐充裝LNG時，通過差壓式液位計所顯示的靜壓力讀數(shù)，可從靜壓力與充裝質(zhì)量對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。當達到充裝上限時，LNG液體會從測滿口溢出，提醒操作人員手動切斷進料。儲罐自控系統(tǒng)還設(shè)有高限報警(充裝量為罐容的85%)、緊急切斷(充裝量為罐容的95%)、低限報警(剩余LNG量為罐容的10%)。

2.2BOG緩沖罐的設(shè)計

對于調(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�，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

當儲罐內(nèi)的低溫液體向外排出時，儲罐內(nèi)的壓力會逐漸下降。為了保持儲罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，必須對儲罐進行增壓。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現(xiàn)增壓和排液過程，但需要額外的CNG儲罐和高壓天然氣。自增壓系統(tǒng)是目前各種低溫儲罐最常用的增壓系統(tǒng)，是將部分的LNG排出儲罐，經(jīng)氣化器氣化后，再返回至儲罐的氣相空間，從而達到儲罐增壓的目的。

2.4氣化器的設(shè)計

LNG的氣化應(yīng)滿足當?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、海水或地熱水�，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氣化設(shè)施。冬季環(huán)境溫度較低時，即當空溫式氣化器出口天然氣溫度低于5℃時，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)點是運行成本低，缺點是氣化器體積大、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)點是氣化器體積小、投資較低、氣化器出口溫度穩(wěn)定，缺點是運行費用很高，1臺水浴式氣化器的年運行費用可購買1臺空溫式氣化器。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臺水浴式加熱器。空溫式氣化器和加熱式氣化器的選型，應(yīng)根據(jù)高峰小時用氣量和氣化器的氣化能力來確定。

2.5調(diào)壓計量與加臭裝置設(shè)計[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。計量采用渦輪流量計，加臭劑采用四氫噻吩，加臭以隔膜式計量泵為動力，根據(jù)流量信號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[3-6]2.6.1閥門選型設(shè)計

工藝系統(tǒng)閥門應(yīng)滿足輸送LNG的壓力和流量要求，同時必須具備耐-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

(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，當管徑小于或等于DN200時，采用輸送流體用無縫鋼管(GB/T8163)，材質(zhì)為20號鋼;當管徑大于DN200時采用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號鋼無縫沖壓管件(GB/T12459290)。法蘭采用20號鋼突面帶頸對焊鋼制管法蘭(HG20592297)。法蘭密封墊片采用柔性石墨復合墊片(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合聚乙烯管殼進行絕熱。碳鋼工藝管道作防腐處理。

2.6.3防止冷收縮設(shè)計

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

3LNG氣化站的安全設(shè)計對于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)計和LNG氣化站運行的安全就是防止天然氣泄漏、消除可能導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)和氮氣吹掃系統(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。

安全設(shè)計需要相關(guān)規(guī)定的限制，我國應(yīng)該盡快頒布LNG設(shè)計規(guī)范，以指導LNG應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計、施工安裝和運行管理。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)運行方式氣化LNG。LNG儲罐的工作壓力、設(shè)計壓力、計算壓力分別有不同的定義和特定用途，不能將計算壓力誤作為設(shè)計壓力標注于LNG儲罐銘牌上，這將導致儲罐安全閥的開啟壓力設(shè)定過高而危及儲罐安全。

4結(jié)束語

作為當今城市燃氣的重要來源，LNG的發(fā)展方興未艾。LNG的氣化工藝技術(shù)成熟，安全可靠，氣化后為那些遠離天然氣輸氣管道或暫時無法建設(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)成為當今能源發(fā)展的重點之一。

擴展閱讀：如何從工藝設(shè)計方面降低LNG加氣站的放散

如何從工藝設(shè)計方面降低

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，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為何會產(chǎn)生放散，在實際使用過程中，儲罐內(nèi)壓力會不斷升高，當達到設(shè)定壓力時，為保證儲罐安全，必須對儲罐進行泄壓放散。LNG低溫泵啟動時，因泵的結(jié)構(gòu)因素，LNG液體必須浸滿整個泵頭才能正常運轉(zhuǎn)。由于LNG的物理特性，當液體流入泵頭時會產(chǎn)生氣化，使泵無法正常運轉(zhuǎn)，需通過手動放散達到正常運行的效果。

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到理想絕熱真空狀態(tài)，因此罐箱內(nèi)部與外部會發(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。加氣站員工對于LNG加注操作流程不規(guī)范，這一點主要出現(xiàn)在新員工身上，可以通過培訓、原理講解達到減少人為放散的目的。

第三、工藝設(shè)計因素。工藝管路設(shè)計不合理，會增大流體流動時的阻力，增加設(shè)備運行時的放散量，甚至會因管線過長導致烴泵無法正常運行，因此正確把握工藝設(shè)計的合理性，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高壓烴泵進液和回流管線工藝設(shè)計

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液體向下流動時摩擦阻力較大，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，導致罐箱因壓力升高而產(chǎn)生放散；合理的設(shè)計方式：

①、為滿足烴泵的凈正吸入壓頭要求，需要將儲罐出液口與烴泵進液口的高差設(shè)計為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、對泵前所有工藝管線、閥門、彎頭應(yīng)嚴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、前兩幅圖中進液管線、回氣管線、回流管線下翻彎折嚴重，造成進液不暢，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，將會造成儲罐升壓放散。

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

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

②、對泵池、管線、閥門等設(shè)備進行保冷絕熱處理的同時，還應(yīng)設(shè)計出液和回氣管線都保持合理的傾斜角度進入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)計如下圖所示：

③、工藝管線上的閥門并不是多多益善，因為當流體每經(jīng)過一道閥門時，其在閥門中所受到的阻力遠遠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，還可將設(shè)備上的手動BOG放散回收引入民用管網(wǎng)中，需要注意的是不可將EAG安全放散也進行回收。

三、總結(jié)

一座LNG加氣站，其泵前工藝管線的設(shè)計是否合理，將會直接影響到加氣站的經(jīng)濟效益情況。降低放散率，是提高經(jīng)濟效益的有效手段。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，不斷改善當前的加氣站建設(shè)水平。為提高經(jīng)濟效益，真正實現(xiàn)“零放散”不斷去發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。

友情提示：本文中關(guān)于《LNG氣站的工藝設(shè)計》給出的范例僅供您參考拓展思維使用，LNG氣站的工藝設(shè)計：該篇文章建議您自主創(chuàng)作。

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