LNG氣化站設(shè)計(jì)與設(shè)備選型分析

馬玉鵬

LNG氣化站設(shè)計(jì)與設(shè)備選型分析

馬玉鵬

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085）

LNG以其運(yùn)輸便利、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)勢(shì)，在城市氣源中起到舉足輕重的作用，LNG氣化站的建設(shè)和投資也顯得越來(lái)越重要。本文根據(jù)LNG的基本特性，分析了LNG氣化站的規(guī)模、工藝流程以及關(guān)鍵設(shè)備選型等內(nèi)容，探討LNG氣化站設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中的安全影響因素，為L(zhǎng)NG氣化站優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供參考。

LNG氣化站；工藝流程；關(guān)鍵技術(shù)；安全因素；設(shè)備

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)整，CO2等溫室氣體的排放指標(biāo)逐漸降低。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，提高人民生活水平和保護(hù)環(huán)境，天然氣的使用應(yīng)運(yùn)而生。1 m3天然氣與相應(yīng)可替代的煤炭相比，可節(jié)約能量約11%~73%，減排二氧化碳47%~84%、氮氧化物44%~95%、二氧化硫和煙塵近100%[1~3]。

同時(shí)，LNG幾乎不含水分、重?zé)N類、硫化烴等雜質(zhì)，較普通天然氣燃燒充分、潔凈環(huán)保。因此，提高天然氣在能源應(yīng)用中的地位，對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)，促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等方面具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 LNG基本特性

LNG（Liquefied Natural Gas）是以液態(tài)形式存在的天然氣。LNG是由油氣田采出的天然氣經(jīng)過(guò)脫水、脫烴、脫酸等凈化處理后，再經(jīng)膨脹制冷或外部冷源深冷得到的-162 ℃下的低溫液體。LNG主要是由甲烷（CH4）組成，還有少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、氮?dú)猓∟2）等成分。

在常壓下，LNG 的密度在430 ~470 kg/m3之間，體積約為標(biāo)況下天然氣體積的1/600。因此，低溫槽車運(yùn)輸LNG實(shí)現(xiàn)了天然氣的高效輸送，解決了部分城市無(wú)法利用管道供應(yīng)天然氣的問(wèn)題，極大擴(kuò)大了天然氣的應(yīng)用地域。

2 LNG氣化站規(guī)模

LNG氣化站的規(guī)模主要有兩部分組成：

（1）供氣規(guī)模。它需要綜合考慮全年用氣量，主要與氣源、供氣安全、用戶性質(zhì)、運(yùn)輸條件及經(jīng)濟(jì)評(píng)估（建設(shè)投資、運(yùn)行成本）等因素有關(guān)。供氣規(guī)模一般取最大小時(shí)用氣量的1.2倍[5-6]。

式中：Q為平均日用氣量，kg/d；Q為最大小時(shí)用氣量，Nm3/h；為標(biāo)況下天然氣的密度，一般取0.717 4 kg/m3。

（2）儲(chǔ)氣規(guī)模。儲(chǔ)氣規(guī)模的大小主要由儲(chǔ)氣天數(shù)來(lái)表示，其取值決定了氣化站的儲(chǔ)罐大小和數(shù)量。對(duì)于中小城市來(lái)說(shuō)，供氣規(guī)模應(yīng)按照城市的最大小時(shí)用氣量確定。為了保證供氣的可靠性，儲(chǔ)氣天數(shù)一般以3~7 d為宜，而且為進(jìn)一步降低投資風(fēng)險(xiǎn)，LNG氣化站可分期建設(shè)。

式中：V—總儲(chǔ)存容積，m3；—儲(chǔ)存時(shí)間，d；Q—平均日用氣量，kg/d；ρ—最高工作溫度下的LNG密度，kg/m3，取423 kg/m3；θ—最高工作溫度下的儲(chǔ)罐允許充裝率，Nm3/t，取95%；—剩余容積，一般不少于10%。

3 LNG氣化站工藝流程

圖1 LNG氣化站工藝流程圖

LNG氣化站流程如圖1所示，工藝設(shè)備主要包括：卸車增壓器、LNG儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐增壓器、BOG加熱器、EAG加熱器、空溫式氣化器、水浴式氣化器、調(diào)壓計(jì)量及加臭撬塊等。

3.1 LNG卸車

LNG由低溫槽車運(yùn)輸?shù)綒饣竞筮M(jìn)行卸車，槽車卸車主要有3種方式：增壓器卸車、低溫潛液泵卸車以及“泵+增壓器”結(jié)合方式卸車。

（1）增壓器卸車：卸車增壓器是一種氣化器，通過(guò)氣化部分液化天然氣，使槽車氣相部分增壓，將LNG送入低溫儲(chǔ)罐，如圖1所示。此種卸車方式一般使用空溫式氣化器，適用于氣候溫和的地區(qū)，充分利用空氣熱量同時(shí)，節(jié)省燃料，減少安全隱患。

（2）低溫潛液泵卸車：低溫潛液泵主要是用來(lái)給LNG液流提供一定的壓力能頭，將LNG液流送入儲(chǔ)罐。此種卸車方式主要適用于槽車至LNG儲(chǔ)罐的管路摩阻損失較大、卸車速度快的工況。

（3）“泵+增壓器”結(jié)合方式卸車：“泵+增壓器”結(jié)合方式卸車，結(jié)合了兩種卸車方式的優(yōu)點(diǎn)，先通過(guò)增壓器提供一定的壓頭，再啟動(dòng)潛液泵，可以加速卸車過(guò)程，保證卸車時(shí)間的要求，如圖2所示。

圖2 LNG槽車“泵+增壓器”卸車流程

3.2 LNG儲(chǔ)存

表1 LNG儲(chǔ)罐形式比較

儲(chǔ)罐在常壓下儲(chǔ)存LNG，罐內(nèi)壓力為3.4~17.2 kPa，可分為地上儲(chǔ)罐和地下儲(chǔ)罐?，F(xiàn)階段，世界上LNG儲(chǔ)罐主要以地上儲(chǔ)罐為主。目前，國(guó)內(nèi)LNG儲(chǔ)罐主要有真空粉末罐、子母罐和常壓罐3種型式[4]，3種儲(chǔ)罐型式對(duì)比見(jiàn)表1。地下儲(chǔ)罐具有安全性高、不易溢出、對(duì)周邊環(huán)境要求低等特點(diǎn)，但投資較大、建設(shè)周期長(zhǎng)，現(xiàn)階段還未推廣[7]。

3.3 LNG氣化

LNG由儲(chǔ)罐進(jìn)入氣化器是通過(guò)儲(chǔ)罐增壓氣化器與升壓控制閥共同控制實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)儲(chǔ)罐氣相空間壓力小于升壓控制閥設(shè)定壓力時(shí)，升壓控制閥開(kāi)啟，增壓氣化器將氣相天然氣輸送至儲(chǔ)罐頂端，使得壓力上升。當(dāng)儲(chǔ)罐頂端壓力達(dá)到升壓控制閥設(shè)定壓力時(shí)，閥關(guān)閉，出口切斷閥開(kāi)啟，LNG自流進(jìn)入空溫式氣化器和水浴式氣化器。

3.4 BOG回收系統(tǒng)[8,9]

由于LNG儲(chǔ)罐和槽車的日蒸發(fā)率最大為3%，為維持設(shè)備內(nèi)壓力穩(wěn)定，回收系統(tǒng)釋放氣相天然氣，保證儲(chǔ)存與運(yùn)輸安全。BOG在冬季可用作鍋爐燃料，夏季可送入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。

3.5 EAG( Escape Air Gas)安全放散系統(tǒng)

EAG是安全放散的低溫氣相天然氣，大于空氣的密度，如果直接將EAG放散至大氣中，會(huì)使得天然氣在低洼地區(qū)積聚，遇到火花或明火引起爆炸或燃燒危險(xiǎn)。因此，需要對(duì)EAG進(jìn)行加熱至其臨街浮力溫度-107 ℃以上，使得放散氣體密度小于空氣，再通過(guò)放散塔進(jìn)行高空放散，如流程圖1所示。

4 關(guān)鍵設(shè)備選型

4.1 氣化器的選擇

LNG氣化器主要有空溫式和水浴式兩種，二者對(duì)比如表2所示。

表2 LNG氣化器對(duì)比

空溫式氣化器適用于外界大氣溫度高、溫度較恒定的場(chǎng)所。對(duì)于我國(guó)氣候條件，一般采用空溫式氣化器和水浴式氣化器相結(jié)合的方式，在環(huán)境氣溫低或空溫式氣化器除霜階段，開(kāi)啟水浴式氣化器，提高供氣保障，同時(shí)節(jié)省能源。

4.2 BOG加熱器

BOG加熱器主要是給回收BOG提供熱量，BOG加熱器處理量按照槽車卸車后氣相天然氣量與儲(chǔ)罐日常BOG蒸發(fā)量綜合來(lái)設(shè)計(jì)[10-13]，設(shè)卸車產(chǎn)生BOG量為1，儲(chǔ)罐正常儲(chǔ)存產(chǎn)生天然氣量為2，則加熱器處理量為：

其中，為BOG加熱器的處理量，m3/h；P為卸車后槽車內(nèi)壓力，MPa；2為卸車后槽車內(nèi)壓力，MPa；為槽車體積，m3；為BOG回收時(shí)間，h；為日蒸發(fā)率，對(duì)于LNG儲(chǔ)罐一般以滿罐為基準(zhǔn)日蒸發(fā)率見(jiàn)表3；為儲(chǔ)罐數(shù)量；l為L(zhǎng)NG的密度，kg/m3；V為儲(chǔ)罐有效容積（一般按照儲(chǔ)罐充裝90%計(jì)算）；ρ為標(biāo)況下天然氣的密度。

表3 LNG 儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率控制要求[14]

4.3 EAG加熱器

EAG空溫式加熱器設(shè)備能力按照LNG儲(chǔ)罐的最大安全放散量進(jìn)行計(jì)算[10]。一般對(duì)于150 m3的儲(chǔ)罐產(chǎn)生的EAG為500 m3/h，因此加熱器的處理量也應(yīng)該選擇500 m3/h。

5 安全措施

液化天然氣火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為甲A類液體，在儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中需考慮易燃、易爆、泄露、低溫等安全隱患，在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，主要從以下幾個(gè)方面保證LNG儲(chǔ)存運(yùn)輸安全。

5.1 設(shè)計(jì)方面

（1）根據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，裝置區(qū)域、氣化站與周邊建構(gòu)筑物滿足安全間距。

（2）LNG氣化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣化設(shè)備表面結(jié)霜，為防止冷凝水深入地面（尤其是濕陷性黃土地區(qū)），導(dǎo)致地面基礎(chǔ)凍裂，氣化裝置所在區(qū)域地基處理應(yīng)考慮防凍和防滲措施[15]。

（3）考慮到LNG為-162 ℃液體，為了避免冷收縮而損害管道和設(shè)備，一方面，管道及儲(chǔ)罐材料應(yīng)選擇耐低溫材料，且一般采用彎管和膨脹節(jié)作為管道補(bǔ)償措施；另一方面，在管道及設(shè)備進(jìn)料時(shí)應(yīng)考慮保冷與預(yù)冷措施[16]。

（4）設(shè)置BOG加熱器與回收罐，防止LNG自然蒸發(fā)導(dǎo)致儲(chǔ)罐或設(shè)備爆炸。

（5）設(shè)置液化天然氣安全放散系統(tǒng)，對(duì)放散低溫天然氣設(shè)置加熱器，使其達(dá)到安全放散的要求后，引至放空火炬進(jìn)行放空。

（6）設(shè)置緊急切斷系統(tǒng)，事故狀態(tài)時(shí)，迅速隔斷事故與其他設(shè)備，避免事故擴(kuò)大。

（7）設(shè)置完善的火災(zāi)及泄漏監(jiān)測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，杜絕事故發(fā)生。

5.2 操作、人員管理方面

（1）規(guī)范操作規(guī)程、組織所有崗位人員進(jìn)行學(xué)習(xí)，并實(shí)施考核制度，合格后持證上崗。

（2）定期或不定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查與維修保養(yǎng)，保證系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

（3）強(qiáng)化管理，建立合理的安全預(yù)案，定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

（4）成立應(yīng)急小組，在突發(fā)情況時(shí)，能夠及時(shí)控制事故蔓延，降低事故危害及經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié) 論

目前，隨環(huán)保理念深入社會(huì)，LNG“高效、環(huán)保、清潔、價(jià)廉”的優(yōu)點(diǎn)使得其在能源結(jié)構(gòu)中具有不可取代的地位，建設(shè)安全、高效、節(jié)能的LNG氣化站是擴(kuò)大LNG應(yīng)用的基礎(chǔ)，但由于LNG固有的特性，LNG氣化站的建設(shè)也有一定的風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮影響因素，對(duì)工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面分析，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要，本文為L(zhǎng)NG氣化站設(shè)計(jì)與管理提供了參考。

［1］李十.液化天然氣氣化站的工程設(shè)計(jì)[J]. 冶金能源，2013，32（4）：47-50.

［2］Kaneko M. The Status of Development of Refrigeration Oil with Refrigerant Change[J]., 1972, 21(9): 495–503.

［3］Lee J H, Jaeyeol L, Yoo S. Development of Innovative LNG Production, Transportation, and Regasification System[J]., 2011, 94(10): 1013-1037.

［4］陳雙慶. LNG在中小城市的應(yīng)用研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

［5］金穎.城市LNG氣化站主要設(shè)備規(guī)模及選型的探討[J].上海煤氣，2006（3）：16-17.

［6］鄭桂友，于京春，劉尚書，等. LNG氣化站的設(shè)計(jì)[J]. 煤氣與熱力，2009（7）：1-3.

［7］熊光德，毛云龍. LNG的儲(chǔ)存和運(yùn)輸[J]. 天然氣與石油，2005，23（2）：17-20.

［8］Chansaem Park, Youngsub Lim, Sangho Lee, et al. BOG Handling Method for Energy Saving in LNG Receiving Terminal[C].21st European symposium on Computer Aided Process Engineering, 2011.

［9］蘭書彬. 液化天然氣氣化站的預(yù)冷技術(shù)[J]. 城市燃?xì)猓?006（3）：19-22.

［10］胡炯華.LNG氣化站的設(shè)計(jì)[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2007（5）：1-3+6.

［11］任金平，馬霞霞，陳叔平，等. LNG調(diào)峰裝置BOG分析與計(jì)算[J]. 低溫與超導(dǎo)，2014（8）：34-37.

［12］Bernatik, P. Senovsky, M. Pitt, LNG as a potential alternative fuel – Safety and security of storage facilities[J]., 2011, 24(1) : 19-24.

［13］Yajun Li, Yue Li, Dynamic optimization of the Boil-Off Gas (BOG) fluctuations at an LNG receiving terminal[J].,2016,30: 322-330.

［14］賀志福.LNG低溫儲(chǔ)罐絕熱性能的驗(yàn)證[J]. 廣州化工，2012（18）：113-114+163.

［15］賀煥婷.LNG氣化站安全評(píng)價(jià)技術(shù)分析與研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2013.

［16］楊偉波. LNG氣化站的技術(shù)安全要素[J]. 上海煤氣，2007（1）：19-21.

Analysis on Design and Equipment Selection of LNG Gasification Station

（China Petroleum Engineering & Construction Corp.，Beijing Company, Beijing 100085, China）

Due to the advantages of convenient transportation, energy saving, environmental protection, economy and security, LNG has become the main gas source of the city which is beyond the range of pipeline gas supply. So, the construction and investment of LNG gasification station is becoming more and more important. In this paper, according to the basic characteristics of LNG, technological processes and main equipments of LNG gasification station were studied and analyzed. Security problems on the design and construction process were discussed. The paper can provide some reference for the optimal design selection and safe operation of LNG gasification station.

LNG vaporizing station; process flow; key technology; safety factors; equipment

2020-01-15

馬玉鵬（1989-），男，中級(jí)工程師，碩士，北京市人，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程專業(yè)，研究方向：從事油氣田地面工程設(shè)計(jì)工作。

TE646

A

1004-0935（2020）05-0508-04