某氣化站LNG船旁靠臨時(shí)碼頭開(kāi)車(chē)難點(diǎn)及解決措施

陳功劍

中國(guó)技術(shù)進(jìn)出口集團(tuán)有限公司, 北京 100055

0 前言

某大型發(fā)電項(xiàng)目為“一帶一路”項(xiàng)目,電廠裝機(jī)容量為900 MW,建成后可極大改善當(dāng)?shù)氐碾娏?yīng)局面。配套LNG氣化站為電廠提供氣化后的天然氣,氣化站主要由碼頭區(qū)、LNG存儲(chǔ)增壓區(qū)、LNG氣化區(qū)和外輸單元組成。氣源由Floating Storage Unit(FSU)向碼頭提供LNG。

由于碼頭施工難度大,且受疫情影響,整體施工進(jìn)度比氣化站區(qū)等其他設(shè)施慢,為保障在2020年夏季用電高峰之前向當(dāng)?shù)毓╇?采取分步投產(chǎn)方式保障如期發(fā)電供電。先用臨時(shí)碼頭向氣化站區(qū)域供氣,等永久碼頭建成后停止臨時(shí)碼頭,改由永久碼頭向氣化站區(qū)域供氣。因?yàn)闅饣敬a頭接卸船型覆蓋范圍從1×104～14×104m3LNG船型,有常壓艙、帶壓艙的船型。目前暫時(shí)沒(méi)有遇到過(guò)類(lèi)似項(xiàng)目的開(kāi)車(chē)調(diào)試方案[1-4],基于這種情況,制定了帶壓保壓預(yù)冷、LNG填充的方案來(lái)滿(mǎn)足多種工況條件下實(shí)現(xiàn)快速調(diào)試開(kāi)車(chē)的要求。

1 臨時(shí)碼頭供氣方案

1.1 臨時(shí)碼頭概況

利用浮體作為臨時(shí)碼頭,利用永久碼頭的1個(gè)系纜墩,同時(shí)在靠北的河域打下1個(gè)管樁作為另一個(gè)系纜墩。浮體MFP的四根纜繩分別和2個(gè)系纜墩連接。同時(shí),從浮體MFP上放下4個(gè)錨鏈,角度分別為330°、215°、30°和150°。通過(guò)纜繩和錨鏈的方式對(duì)浮體MFP進(jìn)行固定。FSU旁靠在MFP上,FSU通過(guò)6個(gè)纜繩和2個(gè)系纜墩連接防止船體移動(dòng)?？紤]到潮差的影響,FSU和浮體MFP的供料管線采取用軟管進(jìn)行連接(其中一段 270 m 軟管為德國(guó)BRUGG保溫軟管,另外兩段約20 m軟管為不帶保溫軟管)。從浮體MFP到陸地軟管通過(guò)下放到河床底部,沿著河床和氣化站進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)快速供氣。

在正式碼頭投用前需要FSU一直和臨時(shí)碼頭浮體MFP連接。在FSU的供氣過(guò)程中,通過(guò)穿梭船定期向FSU補(bǔ)給LNG,保障FSU的液貨艙能夠穩(wěn)定供氣,參考模型見(jiàn)圖1。由于FSU和浮體MFP的高度會(huì)隨著河潮差變化,且FSU和浮體MFP之間的高度差也會(huì)發(fā)生變化,因此FSU和浮體MFP的軟管長(zhǎng)度需滿(mǎn)足潮位差的變化,可參考圖2。由圖2可知,基準(zhǔn)水位是9.2 m,最高相對(duì)水位可達(dá)6.5 m即最大潮位差達(dá)6.5 m。FSU長(zhǎng)期靠泊在臨時(shí)碼頭上,作為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐向陸地氣化站供氣。

圖1 LNG船和浮體旁靠3D模型圖Fig.1 3D model of berthing between LNG ship and floating body

臨時(shí)方案采用軟管(分別為L(zhǎng)NG軟管和BOG軟管)長(zhǎng)度超400 m,存在多個(gè)U型低點(diǎn),容易形成積液區(qū)。在LNG開(kāi)車(chē)中需防止軟管中形成段塞流,防止段塞流對(duì)氣化站管線和低溫泵等設(shè)備造成沖擊。BOG軟管設(shè)計(jì)承受溫度為-50 ℃,向陸地輸送BOG過(guò)程必須防止BOG過(guò)冷,超出BOG管道的承受極限,因此在浮體MFP上設(shè)置了空溫氣化器,對(duì)BOG管道中的BOG進(jìn)行加熱。臨時(shí)碼頭方案中,由于存在幾段漏熱區(qū),形成了預(yù)冷的瓶頸區(qū)域。因此,臨時(shí)碼頭開(kāi)車(chē)方案需要考慮漏熱區(qū)、積液區(qū)對(duì)調(diào)試的影響。

圖2 LNG船隨環(huán)境變化圖Fig.2 LNG ship change position with environment

1.2 FSU LNG船概況

LNG船有獨(dú)立液貨艙型(MOSS型、SPB型)和薄膜型兩大類(lèi),薄膜型又可分為Gaz Transport System(GTT NO.96)、GTT CSI、GTT MarkⅢ等三種型式[5-8]。以薄膜型LNG運(yùn)輸船為例,該船型由4個(gè)獨(dú)立的液貨艙組成,相鄰液貨艙之間由平面艙壁構(gòu)成艙室[9-10]。該船型的儲(chǔ)槽被安裝在船殼內(nèi),LNG和儲(chǔ)槽的載荷直接傳遞到船殼上。不同的船型,船艙壓力會(huì)有所不同。LNG船不同類(lèi)型液貨艙的壓力及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 LNG船不同類(lèi)型液貨艙的壓力及優(yōu)缺點(diǎn)表

由表1可以看出,不同船型的船艙壓力不同,調(diào)試期間氣化站的BOG壓力也需要作出相應(yīng)的調(diào)整。Type A是常壓艙,Type B和Type A壓力最高可到0.070 MPa,Type C可到0.200 MPa以上。本次調(diào)試期間船型是Type C,壓力可以到0.2 MPa以上。調(diào)試期間的船舶為2.8×104m3的小型LNG船,由1×104m3、1×104m3、0.8×104m33個(gè)LNG液貨艙組成,每個(gè)液貨艙設(shè)置2個(gè)長(zhǎng)軸深井泵,泵流量為450 m3/h。另外,配置1個(gè)甲板艙罐用于調(diào)試,甲板艙罐配置1個(gè)5 m3/h的小型離心泵。艙壓控制在0.28 ～ 0.33 MPa 之間。由于陸地氣化站沒(méi)有大型儲(chǔ)罐,BOG無(wú)法正常均壓,只能通過(guò)壓縮機(jī)直接回收。該項(xiàng)目中LNG船長(zhǎng)期靠泊在碼頭,作為一種LNG儲(chǔ)罐向陸域氣化站提供LNG。因此,在調(diào)試和日常生產(chǎn)中要考慮艙內(nèi)壓力的影響,在不同階段采用不同的壓力控制和流量控制技術(shù)。

2 試車(chē)流程及方案

2.1 基本工藝流程

LNG經(jīng)過(guò)FSU的艙內(nèi)泵(一種離心潛液泵)加壓后,通過(guò)FSU和浮體MFP平臺(tái)相連接的軟管輸送至氣化站儲(chǔ)罐和LNG總管,再經(jīng)過(guò)增壓泵(增壓泵分別為高壓泵和中壓泵,均為離心潛液泵)加壓后輸送至氣化器(氣化器有空溫氣化器和水浴氣化器),經(jīng)過(guò)氣化器加熱氣化的LNG直接輸送至下游電廠用戶(hù)。根據(jù)電廠用氣壓力的不同,LNG增壓泵有兩種規(guī)格,一種是外輸操作壓力為2.6 MPa的變頻高壓泵,另一種是外輸壓力為0.6 MPa帶回流功能的中壓泵。從FSU到儲(chǔ)罐LNG液相管線的壓力和溫度,取決于FSU液貨艙的壓力和溫度,具體工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 氣化站的基本流程圖Fig.3 General process of regasification station

由圖3可知,LNG儲(chǔ)罐和LNG卸料主管是一種并連方式,該方式中LNG儲(chǔ)罐的緩沖能力可根據(jù)儲(chǔ)罐壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),對(duì)中壓泵和高壓泵進(jìn)行保護(hù)。

2.2 開(kāi)車(chē)調(diào)試過(guò)程中難點(diǎn)及解決方案

按照LNG接收站開(kāi)車(chē)調(diào)試的基本步驟[11-15],氣化站需完成水壓試驗(yàn)、氮?dú)庵脫Q、開(kāi)車(chē)前條件檢查等準(zhǔn)備工作才能開(kāi)始調(diào)試[16-20]。此次提供LNG氣源(冷源)是FSU,該LNG船的液貨艙為帶壓艙,壓力為0.28 ～ 0.33 MPa,安全閥啟跳壓力為0.365 MPa,壓力高于薄膜型LNG船,帶壓的LNG或BOG進(jìn)入氣化站極易氣化。一是,臨時(shí)碼頭供氣方案多處采用軟管連接,LNG從FSU的艙內(nèi)泵打出后到碼頭需要經(jīng)過(guò)多段高熱量區(qū)域,預(yù)冷過(guò)程中溫度不容易下降,停泵過(guò)程中軟管內(nèi)LNG極易氣化,溫升速度快；二是,船艙內(nèi)壓力高,在BOG預(yù)冷完成后,管道的LNG填充和儲(chǔ)罐液位要同步進(jìn)行,與此同時(shí),還需要同步建立管道壓力,降低BOG的蒸發(fā)率。本次開(kāi)車(chē)過(guò)程中,由于BOG軟管設(shè)計(jì)承受溫度為-50 ℃,因此在臨時(shí)碼頭MFP上安裝了空溫式氣化器來(lái)確保BOG管線的BOG溫度在-50 ℃以上。另外,由于BOG管線相對(duì)LNG管線調(diào)試簡(jiǎn)單,文中不重點(diǎn)說(shuō)明。LNG管線由于存在幾段漏熱區(qū),形成預(yù)冷的瓶頸區(qū)域,開(kāi)車(chē)不同階段需要采取不同的壓力控制和速度控制技術(shù),其關(guān)鍵就是BOG攜帶的冷量和LNG攜帶的冷量必須大于環(huán)境溫度和軟管交換的熱量,提供的冷量大于環(huán)境溫度輸入的熱量,使漏熱區(qū)的管道能夠呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)?；诖?將開(kāi)車(chē)不同階段的壓力和溫度技術(shù)總結(jié)如下,具體見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)車(chē)中不同階段壓力和溫度控制點(diǎn)表

表2將開(kāi)車(chē)過(guò)程分為不同階段(BOG預(yù)冷、LNG預(yù)冷、LNG填充、LNG供液),采取不同措施,分別控制壓力、溫度、介質(zhì)(BOG或LNG)流量來(lái)滿(mǎn)足不同階段的溫度降低要求,從而成功實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的預(yù)冷開(kāi)車(chē)要求。BOG預(yù)冷和LNG預(yù)冷過(guò)程中需要嚴(yán)格控制溫降速度在5～10 ℃/h之間,防止溫降速度過(guò)快,管道位移過(guò)大,對(duì)管道造成傷害。LNG填充過(guò)程中,由于LNG船上的深井泵流量可達(dá)450 m3/h,需要注意LNG回流至船艙內(nèi)產(chǎn)生大量BOG對(duì)船艙壓力的影響。

2.3 工程實(shí)例

在完成氮?dú)庵脫Q和所有開(kāi)車(chē)前的檢查工作后,將FSU上LNG外輸管線和BOG管線導(dǎo)通,使FSU上的BOG能夠進(jìn)入LNG管道系統(tǒng)。開(kāi)啟FSU管匯平臺(tái)上的LNG出口閥,對(duì)氣化站進(jìn)行BOG預(yù)冷時(shí),首先預(yù)冷LNG儲(chǔ)罐,預(yù)冷過(guò)程中BOG從儲(chǔ)罐的頂部進(jìn)液對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷,溫度降低到-60 ℃時(shí),開(kāi)啟底部進(jìn)液閥同時(shí)關(guān)閉儲(chǔ)罐BOG管線排放閥。此時(shí)FSU啟動(dòng)5 m3/h甲板泵向LNG管線泵入LNG,并逐步升高LNG管線壓力,LNG管線的平衡壓力通過(guò)LNG儲(chǔ)罐的BOG排放閥控制。LNG總管溫度降低至-110 ℃后,啟動(dòng)FSU上的深井泵向LNG管線和LNG儲(chǔ)罐填充LNG。氣化站內(nèi)設(shè)置有4個(gè)150 m3LNG真空儲(chǔ)罐,作為低溫中壓泵和高壓泵的緩沖罐,儲(chǔ)罐液位高報(bào)警值為17 m。當(dāng)LNG儲(chǔ)罐液位升高至10 m時(shí),LNG填充過(guò)程結(jié)束。氣化站可以逐步建立氣化外輸。

圖4和圖5是按照表2中制定的調(diào)試策略開(kāi)車(chē)成功后,氣化站LNG總管壓力和LNG高壓泵出口壓力曲線。從FSU至氣化站的中壓泵和高壓泵之間有一段DN300的LNG管道,該管道為L(zhǎng)NG總管,總管壓力穩(wěn)定在 0.4 MPa 左右;高壓泵出口壓力由于下游管網(wǎng)用氣的變化,存在一定幅度的波動(dòng),但總體控制平穩(wěn),實(shí)現(xiàn)一次性開(kāi)車(chē)成功。

圖4 LNG總管壓力曲線圖Fig.4 Pressure curve of main LNG pipe

圖5 LNG高壓泵出口壓力控制曲線圖Fig.5 High-pressure pump pressure curve

成功開(kāi)車(chē)后,為防止輸送LNG時(shí)產(chǎn)生氣泡影響泵的平穩(wěn)運(yùn)行,需平衡好氣化站、FSU的流量、壓力、溫度變化,其中重點(diǎn)注意碼頭總管壓力和溫度變化,一旦壓力和溫度跨過(guò)LNG相圖的液相區(qū)進(jìn)入氣液兩相區(qū),需快速采取措施,防止對(duì)低溫泵的氣蝕。

以上開(kāi)車(chē)調(diào)試過(guò)程中難點(diǎn)及解決方案主要針對(duì)工藝流程方面,在執(zhí)行以上調(diào)試工作時(shí),還需要密切關(guān)注管道位移,船舶的橫移、縱移和回轉(zhuǎn)在合理控制范圍內(nèi)。一旦超出設(shè)計(jì)范圍,可能會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生破壞性的影響,需要停止調(diào)試工作,重新分析采取措施。

3 結(jié)論

FSU作為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐向陸地氣化裝置提供氣源的項(xiàng)目，開(kāi)車(chē)中一定要注意LNG船型不同,船艙壓力也不一樣,需要根據(jù)LNG船艙壓力來(lái)劃分不同的預(yù)冷開(kāi)車(chē)階段。預(yù)冷前需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的保冷情況進(jìn)行評(píng)估,通過(guò)漏熱量來(lái)計(jì)算系統(tǒng)預(yù)冷階段能夠?qū)嵤┙禍厮枰淖畹屠淞?從而確定預(yù)冷調(diào)試過(guò)程中需要的BOG量和LNG量。