碳減排背景下小型LNG接收站設備選型和工藝計算

卞楊燕

（武漢江漢化工設計有限公司，湖北武漢 430223）

我國是全球最大的碳排放國，過量的碳排放會導致氣候變暖、溫室效應等環(huán)境問題，減少碳排放量具有長久而深遠的意義。截至2019年，我國已經是全世界碳排放量最多的國家，碳排放量占全球碳排放量比重達27.92%。2020年9月，中國提出二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。液化天然氣（LNG）的主要成分是甲烷，還有少量的乙烷、丙烷以及氮等其他成分，經凈化和超低溫常壓液化后，為無色無味的液體。LNG作為清潔燃料，燃燒后排放的二氧化碳量少，是解決溫室效應、城市空氣污染以及酸雨問題的理想能源。故LNG已經廣泛應用于多個工業(yè)領域，LNG接收站的建設也保持著蓬勃發(fā)展的趨勢。

廣東某電廠為給燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組提供LNG氣源，擬建設LNG接收站作為循環(huán)供熱機組的配套備用燃料氣源?，F(xiàn)就此接收站的流程和設備選型計算進行分析和總結，為今后同類裝置的設計提供參考。本項目中 LNG的存儲量為1 200m3，氣化量為10.76×104m3（標）/h。

1 流程圖

裝有LNG的槽車經過卸車后將LNG送至LNG儲罐，儲罐內LNG經增壓泵增壓后送至氣化器，氣化后的LNG用作電廠燃料。LNG儲罐內蒸發(fā)氣（BOG）將壓縮機增壓后送至燃料氣管網。同時，在卸車期間，抽取部分天然氣用作LNG槽車增壓卸車，如表1所示。

圖1 LNG接收站工藝流程圖

2 設備選型

2.1 LNG裝卸臂選型

根據《國務院安委會辦公室關于進一步加強危險化學品安全生產工作的指導意見安委〔2008〕26號》中第16條規(guī)定：在危險化學品槽車充裝環(huán)節(jié)，推廣使用萬向充裝管道系統(tǒng)代替充裝軟管，禁止使用軟管充裝液氯、液氨、液化石油氣、液化天然氣等液化危險品、故LNG的裝卸均需使用液體裝卸臂進行操作。

根據《HG/T 21608—2012 液體裝卸臂工程技術要求》，液體裝卸臂分為陸用和船用兩大類，其中陸用的包括有AL系列和BL系列，AL2503、AL2504適用于底部液下裝卸，而根據LNG的卸車特點，LNG卸車需使用裝卸臂的氣相及液相裝卸臂同時操作，故LNG槽車卸車需采用AL2513型液體裝卸臂。

LNG裝卸臂采用雙臂帶立柱結構[4]，氣相口用于BOG回氣，液相口用于LNG的卸車。立柱用于支撐裝卸臂，保證臂的使用壽命及現(xiàn)場管線不受損傷。旋轉接頭是液體裝載臂最關鍵部位之一，其應用于裝卸臂承載力較大的部位，以確保設備長期的使用。在裝卸過程中保持密封性能良好且轉動靈活，使用壽命長。旋轉接頭承載力大、轉動靈活、密封性能優(yōu)越、可靠，同一規(guī)格的鶴管各旋轉接頭應完全一致，具有互換性。內臂與接口及外臂相連接，通過旋轉接頭和彎管組合可在水平面上回轉。外臂與內臂及垂管通過連接管連接，為鶴管的主體部分，外臂與內臂可以實現(xiàn)水平方向和垂直方向范圍的回轉。外臂在工作范圍內自由回轉，實現(xiàn)與罐車對接。彈簧缸平衡系統(tǒng)用于平衡外臂及垂管的重量，可實現(xiàn)在工作范圍內的隨意平衡。

裝卸臂前段安裝氮氣吹掃閥門，用于裝卸前對裝卸臂前段空氣的置換和裝卸后對裝卸臂內LNG和BOG的吹掃。

2.2 LNG儲罐選型

LNG接收站的主要設備是LNG儲罐，當低溫LNG貯罐有效容積小于（包括）150m3時，可選用真空粉末或真空多層絕熱的方式，制作完成后輸送至現(xiàn)場安裝[3]；當有效容積大于150m3時，可選擇現(xiàn)場組裝，罐型包括有①子母罐；②球罐；③圓筒罐；④集群罐；⑤常壓罐等五種型式。其中子母罐、球罐、圓筒罐、集群罐方案的內罐均為壓力罐，常壓罐的方案適合于中、大型儲存規(guī)模，因為本項目LNG儲存總罐容僅為1 200m3，不考慮采用常壓罐型式。

子母罐[3]的保溫性能與真空粉末絕熱球罐相比較差，由于夾層無法抽真空，夾層厚度通常選擇比較厚，造成夾層容積較大，絕熱材料使用過多，且因為子罐排列的原因，設備的外形尺寸也比較大。對于球罐而言，加工精度難以保證，現(xiàn)場組裝技術難度大，成形時材料利用率最低。圓筒形貯罐的夾層充填或包扎絕熱材料并抽真空，適用于容器200～1 000m3，工作壓力0.2～1.0MPa。集群罐建站模式中的貯罐可在制造廠整體制造（包括抽真空合格）完工后交用戶有利于保證質量，減少建站周期，當單罐容積小于等于150m3時，運輸方便。LNG罐型的選擇要求安全可靠、投資低、壽命長、技術先進，結構有高度完整性，便于制造及運輸易維護?？紤]到子母罐維護難，現(xiàn)在基本逐漸被淘汰；球罐、圓筒罐現(xiàn)場施工難度大，實際應用案例比較少，故本項目采用8座150m3真空粉末半冷凍式LNG儲罐（較低溫度和較低壓力）的集群罐建造方案。

2.3 LNG增壓泵選型

LNG增壓泵主要用于LNG的輸送、裝車和增壓。大型LNG儲罐采用的增壓泵型式主要為立式罐內潛液泵，而像本項目的小型LNG儲罐一般采用的是罐外安裝的立式潛液泵。目前國際上生產LNG潛液泵的廠家主要有日本的Nikkiso、Shinko及Ebara等[1]。國內能生產低溫潛液泵的廠家屈指可數，本項目使用的為大連深藍制造的罐外潛液泵，采用電動機與泵共軸，使得運轉更加穩(wěn)定；采用泵送介質LNG進行軸承潤滑，因為電動機浸沒在LNG中，介質不導電，無防爆要求，采用泵送介質LNG對電動機進行冷卻，冷卻效果也比較好。

在LNG增壓泵的工程設計過程中，需注意以下幾點：

（1）LNG增壓泵在啟動前，需要對泵進出管線及泵進行預冷，若在實際配管中泵出口管路上存在高點，需要對高點處的氣體進行放空。

（2）在泵入口管線上需設置氮氣吹掃管線，主要有兩種原因：①為了保證LNG泵穩(wěn)定運行，防止LNG泵中濕氣遇冷凝水結冰，在泵預冷運行前需進行氮氣干燥吹掃，保證露點低于-40℃；②泵在停運檢修時，需要將筒體內介質排出，此時需向筒體內充入氮氣，對筒體內的LNG或BOG進行置換。

（3）由于LNG泵在啟動時會造成筒體內的部分LNG汽化，排氣回流管線需呈“無袋形”布置回LNG儲罐，因為泵的排氣管線中肯定會存在氣液兩相排放，導致排氣管線中低點存液，形成“液封”，造成排氣管線堵塞，泵內氣體無法順利排出會使得泵無法正常運行。

2.4 氣化器選型

LNG的氣化應滿足當地氣候條件及工藝要求，對于小規(guī)模的LNG接收站，一般采用環(huán)境式氣化器和加熱式氣化器。

2.4.1 環(huán)境式氣化器

環(huán)境式氣化器是利用自然環(huán)境自動加熱，如大氣。對于小型氣化站，一般采用空浴式氣化器，維護成本較低。

空浴式氣化器的核心是換熱裝置，國內空溫式氣化器的換熱裝置多采用防銹鋁合金翅片管，為了達到額定處理量，只能增加翅片，這樣就會造成設備過于龐大，無形中增加了造價。由于氣化器內部按管內低溫液體、管外常溫空氣進行換熱。在運行過程中換熱面會結霜結冰，影響換熱效果，所以要求氣化器的運行時間按照不低于8h設計。

同時，考慮到運輸限制，單臺空浴式氣化器最大氣化能力僅為5 000m3（標）/h，同時需考慮布置占地及切換備用。

2.4.2 加熱式氣化器

加熱式氣化器的氣化熱源為蒸汽或熱水等。由于水浴式較蒸汽加熱式具有加熱均勻的優(yōu)勢，現(xiàn)普遍采用水浴式氣化器。

根據現(xiàn)場情況選用合適的水源作為熱源，本項目采用循環(huán)回水作為熱源，經檢測，由于海水返混，循環(huán)回水中的氯離子的含量高達2 850mg/L，故氣化器中的殼體、封頭、管板、法蘭、換熱管等均需采用鈦材，以防止腐蝕。

2.5 BOG壓縮機選型及計算

本項目中BOG的來源主要有以下幾個方面：

（1）為保證LNG儲罐壓力的平衡，需要根據卸車量抽取同等體積的BOG，以本項目為例，液態(tài)天然氣的進料量為4 848m3/d，若每天卸車18h，則壓縮機需抽取的BOG的量為：

折合標立=1 756/16.776[2]×22.414=2 346m3（標）/h

其中儲罐操作工況下（0.3MPaG，-146℃時），BOG的密度為6.52kg/m3；

LNG的分子量為16.776kg/kmol；

（2）儲罐每日的蒸發(fā)量，按照《GB/T 18442—2019 低溫絕熱壓力容器》計算，LNG儲罐每日蒸發(fā)率需≤0.167 6%（質量百分數）。本項目共有8個150m3LNG儲罐。

則LNG的抽取量V2=8×150×400×0.001676/24=33.52kg/h

（3）卸車管線中的BOG

本項目中保冷材料導熱系數為0.027 5W/m˙℃，卸車管線長度為160m，保溫層厚度為0.11m，卸車管徑為0.125m，極端最高溫度為38.3℃，LNG的潛熱為477kJ/kg。

則BOG的處理量：

（4）LNG泵做功產生的熱量輸入

一般泵轉化的熱量可轉化成BOG的比例取0.24，本項目中LNG泵的軸功率為160kW，共有2臺，泵效率為0.65。由于泵做功引入熱量所產生的BOG計算為：

目前，在LNG接收站的設計中，BOG的處理工藝主要為再冷凝工藝和直接壓縮外輸工藝[2]。

再冷凝工藝[2]是在正常操作工況下，低壓BOG壓縮機將BOG壓縮至一定壓力后，與從LNG罐低壓泵送出的LNG在再冷凝器中混合，由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，通過再冷凝器可以使BOG再冷凝，再經過高壓泵加壓后送到氣化器氣化外輸。此工藝使用的BOG壓縮機一般為低溫無油往復式壓縮機，此類壓縮機的類型一般有立式迷宮密封式和臥式對置平衡式。

直接外輸工藝即將BOG經過空溫器加熱，再經過壓縮機加壓后經計量后送至用戶。此工藝對應的是常溫BOG壓縮機，可采用普通的機型，但是流程復雜，壓縮級數與輔助設備比較多，故調節(jié)的靈活性降低，占地面積較大。

實際選型時，需考慮工藝要求及工藝參數，還需要綜合考慮效率、可靠性、價格及運行成本來選擇BOG壓縮機。

2.6 放散

天然氣為易燃易爆的介質，所以應集中進行放散。集中放散裝置的匯集總管，應將放散物加熱成比空氣輕的氣體后方可排入放散總管，放散總管管口高度應高于距其25m的建、構筑物2m以上，且距離地面不得小于10m。

根據《SY/T 10043—2002 泄壓和減壓系統(tǒng)指南》中規(guī)定，放散塔一般都是按照最大排放量的出口速度選定尺寸，出口速度不低于152m/s。

3 結束語

2021年是中國“碳中和”元年，綠色清潔能源的利用勢在必行，LNG接收站會在更多的行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。以槽車運輸LNG出發(fā)點，對LNG接收站中的卸車、儲存、增壓、氣化、BOG處理、放散等工序的工藝特點做了總結，為小型LNG接收站（天然氣總儲存容積不大于2 000m3）的設備選型及工藝計算提供了借鑒。