淺談LNG應(yīng)急供氣工程

佛山市南海區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站 杜小虎佛山市南海燃?xì)獍l(fā)展有限公司 張金鋒

0 引言

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的深化和節(jié)能減排對(duì)大氣環(huán)境要求日益提高的情況下，天然氣利用工程大幅度開(kāi)展，國(guó)內(nèi)天然氣需求量迅猛增加。天然氣市場(chǎng)化程度的加深，對(duì)氣源的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。然而天然氣的管道供應(yīng)一般都是“照付不議”合同，這對(duì)于下游燃?xì)馄髽I(yè)大力拓展業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，往往會(huì)出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，影響企業(yè)的盈利能力。液化天然氣(LNG)以清潔、熱值高、燃燒充分、價(jià)格低、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性及安全等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了管道輸送天然氣發(fā)展的瓶頸。目前，LNG主要用于城鎮(zhèn)燃?xì)鈨?chǔ)氣調(diào)峰、氣源過(guò)渡、事故應(yīng)急、天然氣汽車業(yè)務(wù)和天然氣管網(wǎng)未到達(dá)的區(qū)域供氣等方面。本工程以靈活應(yīng)用和應(yīng)急供氣的特點(diǎn)更好地實(shí)踐了 LNG氣化站的應(yīng)急供氣。

1 工程建設(shè)

本工程占地面積約660 m2，是在原有液化石油氣(LPG)氣化站內(nèi)的一塊空地上進(jìn)行擴(kuò)建。設(shè)計(jì)高峰小時(shí)供氣量1萬(wàn) m3，年平均日供氣量6 萬(wàn)m3。于2012年2月竣工并安全運(yùn)行。

1.1 項(xiàng)目背景

根據(jù)《佛山市南海區(qū)管道燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃(2010—2020》的指導(dǎo)思想和相關(guān)調(diào)研資料，到 2015年南海區(qū)供氣規(guī)模達(dá)到3.2×108m3/a，大約是2010年供氣量的3倍，平均每年用氣量增加60%以上。待大型LNG綜合儲(chǔ)配站項(xiàng)目建成投產(chǎn)還需要1～2年時(shí)間，在大型綜合儲(chǔ)配站建設(shè)期間為了保障客戶用氣需求，LNG氣化站應(yīng)急供氣工程應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 方案選擇

(1)常規(guī)LNG氣化站需要低溫儲(chǔ)罐儲(chǔ)存LNG，然而 LNG低溫儲(chǔ)罐對(duì)周邊環(huán)境安全防火間距要求較高；加之城市化發(fā)展程度較高的地區(qū)，燃?xì)鈭?chǎng)站用地選址較為困難，所以本工程暫時(shí)取消 LNG低溫儲(chǔ)罐的設(shè)置，待原有液化石油氣(LPG)站改造時(shí)可考慮增加。

(2)LNG氣化站內(nèi) BOG氣體(LNG瞬時(shí)蒸發(fā)氣)，主要來(lái)源于低溫儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)量和LNG槽車裝卸時(shí)瞬時(shí)氣化量。該站取消BOG氣化器的設(shè)置。卸車時(shí)，隨著槽車中的液相緩慢減少，槽車的壓力同時(shí)緩慢降低，最后槽車中的BOG氣體通過(guò)低溫液相管道到達(dá)空溫式氣化器，當(dāng)槽車中的壓力降至略高于管網(wǎng)運(yùn)行壓力時(shí)，關(guān)閉總閥，卸車完畢。卸車時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)一點(diǎn)，不會(huì)造成很大影響。通常BOG氣化后的常溫天然氣需要單獨(dú)調(diào)壓計(jì)量，所以BOG氣化器出口端工藝設(shè)備也都相應(yīng)取消。

對(duì)于應(yīng)急供氣的 LNG氣化站，取消以上設(shè)備既不會(huì)影響安全供氣需要，又節(jié)省投資、縮短建設(shè)工期。

1.3 工藝流程

本工程主要作為南海區(qū)臨時(shí)補(bǔ)充氣源，總平面進(jìn)行分區(qū)布置，即分為生產(chǎn)區(qū)域和輔助區(qū)域。生產(chǎn)區(qū)域包括新建的 LNG卸車區(qū)、氣化區(qū)和調(diào)壓計(jì)量加臭工藝裝置區(qū)等；輔助區(qū)域充分利用原有氣站的建筑和設(shè)備，包括消防水池和消防泵房、配電間、發(fā)電機(jī)房等設(shè)施。

基本工藝流程(如圖 1)：LNG 由氣源點(diǎn)通過(guò)LNG槽車運(yùn)輸至氣化站，用奧氏體不銹鋼金屬軟管將槽車和卸車臺(tái)上的氣、液相管道分別連接。每次卸車前先用槽車中的 BOG氣體對(duì)管道進(jìn)行預(yù)冷、排空；然后利用 LNG對(duì)低溫管道系統(tǒng)預(yù)冷。預(yù)冷合格后，通過(guò)卸車增壓氣化器將槽車壓力升高到0.6 MPa左右，利用壓差將槽車中LNG輸送到空溫式氣化器進(jìn)行氣化，最后經(jīng)計(jì)量、調(diào)壓、加臭輸送至市政燃?xì)夤芫W(wǎng)。出站壓力略高于管網(wǎng)運(yùn)行壓力。

圖1 LNG氣化站應(yīng)急供氣工藝流程示意

1.4 設(shè)備選型

1.4.1 氣化器

卸車增壓氣化器、空溫式氣化器、EAG氣化器。技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 氣化器技術(shù)參數(shù)

(1)氣化器設(shè)備性能的優(yōu)良對(duì)于整個(gè)場(chǎng)站的安全平穩(wěn)運(yùn)行是相當(dāng)重要的，所以選擇氣化器時(shí)一定要慎重。LNG氣化站運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氣化器氣化能力不足、氣化器主體出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致泄漏等情況。其實(shí)，每臺(tái)氣化器氣化效率的高低，主要取決主體的管路結(jié)構(gòu)。有很多設(shè)備商把氣化器的高度設(shè)計(jì)得很高，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)可以有效地降低成本(包括焊縫、連接用的彎管、卡環(huán)等附件和人工等)，但是氣化器主體越高，后段的阻力越大，因 LNG液體溫度與常溫溫差較大，氣流流速減緩會(huì)導(dǎo)致后段阻力升高更快，阻礙了前段的液氣流有效通過(guò)，反而降低氣化能力。主氣化器的翅片管設(shè)計(jì)高度一般不宜超過(guò)6 000 mm，在主體降低高度后可適當(dāng)增加翅片管的管數(shù)，使氣化通道增加，對(duì)氣化能力有較好的作用。

氣化器的過(guò)冷段通過(guò)換熱翅片從空氣中吸收大量的熱量(潛熱)使液相LNG發(fā)生相變，成為氣相NG。當(dāng)一定濕度的空氣接觸低于露點(diǎn)溫度的換熱翅片表面時(shí)，一定濕度的空氣中水分會(huì)冷凝成液體附于換熱翅片表面，進(jìn)而就出現(xiàn)結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象，從而降低氣化能力。目前氣化器過(guò)冷段宜選用縱向星形翅片管來(lái)提高化霜速度。汽化器的過(guò)熱段是將低溫氣相天然氣溫度升高，達(dá)到不低于環(huán)境溫度5～10 ℃。此段溫差小，所需換熱面積大，宜選用三相旋流翅片。

(2)氣化器材質(zhì)選型，常見(jiàn)的氣化器材質(zhì)一般為L(zhǎng)F21和LD31，鋁合金LD31材質(zhì)從+24℃～-196℃強(qiáng)度相近，在常溫與低溫時(shí)，主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡、抗拉強(qiáng)度也是均衡的。而LF21在常溫與低溫時(shí)，從+25 ℃～-200 ℃強(qiáng)度懸殊，相差近1倍，抗拉強(qiáng)度相差較大，力學(xué)的差異也較大，具體抗拉強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表 2。在冷熱交替頻繁時(shí)容易造成金屬疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致較易出現(xiàn)裂縫，但是LD31鋁材的抗氧化性能低于LF21鋁材，所以LD31鋁材需要進(jìn)行抗氧化防護(hù)。

氣化器材質(zhì)宜選用LD31鋁型材。對(duì)于相同長(zhǎng)度的換熱翅片管，顯然翅片管管徑大的氣化量大。

表2 LD31和LF21鋁材抗拉強(qiáng)度比較

空溫式氣化器所需換熱面積，按照傳熱學(xué)方程，可以簡(jiǎn)單的用氣化量乘以 0.45的系數(shù)進(jìn)行估算，然后根據(jù)氣化器過(guò)冷段和過(guò)熱段濕表面面積進(jìn)行校核。氣化器翅片管壁厚和應(yīng)力校核計(jì)算參照《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50316—2000)。

(3)氣化器其他的注意問(wèn)題。為了保證氣化器在運(yùn)輸和拆裝過(guò)程中不受損壞，建議在氣化器的上、中、下部設(shè)置三道加固包邊。氣化器支腳的排液孔不能太小，應(yīng)能保證冰霜融水不被聚集在支腳內(nèi)或者將支腳的冰霜落入口封堵，否則，長(zhǎng)期的冰渣聚集會(huì)使支腳爆裂。氣化器的結(jié)霜結(jié)冰集中在過(guò)冷段，所以氣化器入口段應(yīng)通風(fēng)、向陽(yáng)，有利于氣化器的化霜化冰。

1.4.2 調(diào)壓計(jì)量加臭撬

調(diào)壓計(jì)量加臭撬采用先計(jì)量后調(diào)壓形式，加臭設(shè)備根據(jù)流量計(jì)的瞬時(shí)流量加臭。過(guò)濾器、切斷閥以及控制閥門(mén)等設(shè)備口徑大小對(duì)設(shè)備價(jià)格影響較大，建議在能滿足工藝要求的情況下，優(yōu)先選用小口徑的設(shè)備，日后維修更換時(shí)也便于采購(gòu)。為防止雨淋、日曬、生銹以提高使用壽命，建議設(shè)置簡(jiǎn)易雨棚。

2 施工中常見(jiàn)的問(wèn)題

2.1 土建部分

氣化器安裝宜采用二次灌漿的方式，施工較為容易操作，但空溫式氣化器自重有3～4 t，加之運(yùn)行時(shí)會(huì)有結(jié)霜和結(jié)冰現(xiàn)象，為防止化霜化冰時(shí)的冰霜融水凍裂基礎(chǔ)，建議氣化器混凝土基礎(chǔ)采用C35及以上強(qiáng)度或者采用防凍水泥等措施?？諟厥綒饣鞒崞嚯x地面不宜小于1.2m。

2.2 工藝部分

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2006)第 9.4.15條，“液化天然氣氣化器的液體進(jìn)口管道上宜設(shè)置緊急切斷閥，該閥門(mén)應(yīng)與天然氣出口的測(cè)溫裝置連鎖?！碑?dāng)極端天氣時(shí)，氣化器的氣化量不足極易發(fā)生溫度較低的天然氣進(jìn)入管網(wǎng)，將會(huì)造成末端用氣壓力波動(dòng)較大，給用氣設(shè)備和用氣工藝要求較高的用戶帶來(lái)較大的生產(chǎn)、生活影響。嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)造成燃?xì)夤艿佬孤榱税踩椒€(wěn)運(yùn)行，務(wù)必安裝緊急切斷閥并與出口溫度聯(lián)鎖。法蘭應(yīng)采用帶頸對(duì)焊法蘭，切不可用平焊法蘭替代。帶頸對(duì)焊法蘭是整體法蘭，它可以適應(yīng)溫度頻繁變化的工況。而平焊法蘭不是整體法蘭，也不能適應(yīng)溫度頻繁變化的工況。如果緊急切斷采用氣動(dòng)切斷，連接氮?dú)馄康墓艿酪瞬捎貌讳P鋼管道，碳鋼管道容易生銹，以防止銹渣堵塞閥門(mén)等精密設(shè)備。管道系統(tǒng)的吹掃、試壓宜采用氮?dú)?。低溫管道的預(yù)冷宜采用液氮，最后進(jìn)行低溫管道系統(tǒng)的保冷工程安裝。

2.3 電氣、儀表部分

按照《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)程》(HG/T 675—1990)，對(duì)工藝裝置、管道及卸車處的LNG槽車等進(jìn)行防靜電接地?？諟厥綒饣饔捎谠谡緝?nèi)的高度較高，應(yīng)做防雷接地。在吊裝之前距離氣化器頂部200 mm做避雷帶，經(jīng)引下線連接至接地網(wǎng)。全站的防雷接地，防靜電接地與電氣接地共用接地裝置時(shí)，接地電阻不大于1Ω。

站內(nèi)電氣控制系統(tǒng)及儀表均應(yīng)做防靜電接地，在低壓進(jìn)線屏和信息系統(tǒng)的電源入口處設(shè)置浪涌保護(hù)器。站內(nèi)埋地電纜采用是鎧裝電纜，過(guò)路、穿墻須用鋼管保護(hù)。

2.4 消防水部分

氣化器周圍應(yīng)設(shè)置排水槽，以便于氣化器冰霜融水盡快排出，防止大量的冰霜融水浸泡氣化器支墩。站內(nèi)的排水系統(tǒng)應(yīng)采取因 LNG泄露而流入下水道等密閉溝渠中的措施。消防及滅火設(shè)施應(yīng)遵循《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2014)和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2006)的規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

LNG以優(yōu)越的特殊性能得到廣泛的應(yīng)用，特別是近幾年來(lái)發(fā)展極為迅猛。我們?cè)谶M(jìn)行工程設(shè)計(jì)、施工、安裝時(shí)必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，建設(shè)一個(gè)符合安全生產(chǎn)、保證供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)合理的工程，才能為后期的正常、平穩(wěn)運(yùn)行提供更好的保障。無(wú)論是應(yīng)用 LNG應(yīng)急供氣工程作補(bǔ)充氣源，還是短期大工業(yè)用戶的安全應(yīng)急供氣，均因占地面積小、投資少、建設(shè)工期短等優(yōu)越性，很好地解決了短期安全供氣需求。