LNG加氣站管道預(yù)冷裝置研發(fā)與應(yīng)用

張 鵬, 戴 航, 王 娜, 白佳飛

(陜西燃?xì)饧瘓F(tuán)交通能源發(fā)展有限公司, 陜西 西安 710016)

1 概述

目前,全國各地LNG加氣站建設(shè)呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢,截至2022年底,全國已建成LNG加氣站逾5 000座。預(yù)冷是LNG加氣站投產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵且風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)。目前,LNG加氣站工藝管道預(yù)冷介質(zhì)主要為經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性好的液氮,采用液氮槽車進(jìn)行預(yù)冷。該預(yù)冷方式作業(yè)程序復(fù)雜,且存在液氮調(diào)配難、預(yù)冷成本高、手動操作不規(guī)范、安全風(fēng)險大、預(yù)冷溫度和壓力無法實時監(jiān)測、自動化程度低、預(yù)冷質(zhì)量不高等突出問題,給LNG加氣站后期安全運(yùn)行帶來一定風(fēng)險[1-2]。針對上述問題,本文研制出一種LNG加氣站管道預(yù)冷裝置(簡稱預(yù)冷裝置,實物見圖1)。

圖1 新型LNG加氣站管道預(yù)冷裝置實物

2 LNG加氣站管道預(yù)冷裝置

2.1 結(jié)構(gòu)

預(yù)冷裝置主要包括控制柜、填充液氮的預(yù)冷泵池、設(shè)置在預(yù)冷泵池中的低溫潛液泵,以及用于連接預(yù)冷泵池和待預(yù)冷管道的液相管路、回流管路。液相管路、回流管路通過金屬軟管、專用連接器連接待預(yù)冷管道。預(yù)冷泵池上設(shè)置有連通外部的放散管路。預(yù)冷泵池出入口、回流管路和液相管路上均設(shè)置有截止閥?；亓鞴苈泛鸵合喙苈?靠近待預(yù)冷管道的一端)以及專用連接器上均設(shè)置溫度傳感器和壓力傳感器。

2.2 預(yù)冷方法

2.2.1與待預(yù)冷管道的連接

本裝置與待預(yù)冷管道的連接方式為管道直連。當(dāng)待預(yù)冷管道比較長時,為實時監(jiān)測待預(yù)冷管道的狀況,保證預(yù)冷質(zhì)量,待預(yù)冷管道中間使用專用連接器連接。

預(yù)冷裝置完成液氮充裝,液氮預(yù)冷裝置液相管路出口用第1金屬軟管與待預(yù)冷管道進(jìn)口連接;液氮預(yù)冷裝置回流管路進(jìn)口用第2金屬軟管與待預(yù)冷管道出口連接;專用連接器的入口通過第3金屬軟管與待預(yù)冷管道的中間出口連接,專用連接器的出口通過第4金屬軟管與待預(yù)冷管道的中間入口連接,形成預(yù)冷回路。

2.2.2預(yù)冷過程

① 第1步:打開低溫潛液泵、放散閥(圖2中未畫出)、液相管路的第2手動截止閥和回流管路的第4手動截止閥、第2電動閥、第3手動截止閥,打開并調(diào)節(jié)預(yù)冷泵池出口的第1手動截止閥、第1電動閥,將液氮的流速控制在4～6 m/s。液氮進(jìn)入待預(yù)冷管道再經(jīng)過回流管路返回預(yù)冷泵池,完成一次循環(huán)。然后關(guān)閉低溫潛液泵,通過溫度傳感器、壓力傳感器現(xiàn)場讀取或通過控制柜讀取管路溫度、壓力。

圖2 預(yù)冷裝置進(jìn)行LNG加氣站管道預(yù)冷的工藝流程

② 第2步:重復(fù)第1步多次,直至回流管路上的溫度傳感器讀數(shù)降至-51 ℃。

③ 第3步:調(diào)節(jié)預(yù)冷泵池出口的第1手動截止閥,將液氮的流速控制在18～22 m/s,當(dāng)液氮完成一次循環(huán)后,關(guān)閉低溫潛液泵,觀察管路溫度、壓力。

④ 第4步:重復(fù)第3步多次,直至回流管路上的溫度傳感器讀數(shù)降至-162 ℃,關(guān)閉低溫潛液泵,停止循環(huán)。

⑤ 第5步:當(dāng)液相管路的壓力傳感器的讀數(shù)為0時,關(guān)閉放散閥,使得預(yù)冷泵池和待預(yù)冷管道之間形成密閉回路,打開低溫潛液泵控制液氮在密閉回路中循環(huán)30 min,流速為5 m/s,待溫度穩(wěn)定后,關(guān)閉低溫潛液泵,完成預(yù)冷。

2.2.3預(yù)冷過程中的監(jiān)控

通過溫度傳感器、壓力傳感器實時監(jiān)測預(yù)冷過程中的溫度、壓力,可以在控制柜的顯示屏上讀取。當(dāng)溫度、壓力出現(xiàn)異常時,控制柜控制潛液泵停止工作,也可通過第1急停按鈕、第2急停按鈕人工控制潛液泵停止工作。

2.2.4預(yù)冷后清理

預(yù)冷完畢,通過放散管路對待預(yù)冷管道內(nèi)的液氮進(jìn)行放散,拆除金屬軟管、專用連接器,清理現(xiàn)場。

2.3 預(yù)冷效果

采用預(yù)冷裝置預(yù)冷,通過分階段合理控制液氮流速,使待預(yù)冷管道逐步冷卻,提高了預(yù)冷過程的穩(wěn)定性。預(yù)冷裝置已取得國家實用新型專利[3]和外觀設(shè)計專利[4-5],并榮獲陜西省科技工作者創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎、2022年度中國創(chuàng)新方法大賽二等獎。

3 預(yù)冷裝置優(yōu)點

① 創(chuàng)新性。預(yù)冷裝置集多檢測手段、多安全設(shè)施于一體,可提升管道預(yù)冷作業(yè)的安全性和可靠性,實現(xiàn)預(yù)冷作業(yè)全過程控制。

② 實用性。預(yù)冷裝置的預(yù)冷效率高、準(zhǔn)備時間短、應(yīng)用廣,實際運(yùn)行參數(shù)達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

③ 安全性。預(yù)冷裝置設(shè)置實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、安全報警聯(lián)鎖和緊急停車等功能。控制集成度高,勞動強(qiáng)度降低,安全系數(shù)較高。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

某公司有LNG加氣站若干座,對于新建或改造的加氣站,需要進(jìn)行預(yù)冷。該公司擁有1套預(yù)冷裝置,預(yù)冷裝置除自用外,還可以對外租賃。對使用該預(yù)冷裝置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)性分析的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計算得知,從靜態(tài)分析來看,使用預(yù)冷裝置的總投資收益率為27.71%,大于行業(yè)基準(zhǔn)投資收益率(為8%);靜態(tài)投資回收期較短,僅為3.6 a;從動態(tài)分析來看,財務(wù)凈現(xiàn)值為82.47×104元,大于0。分析結(jié)果說明,使用預(yù)冷裝置的技術(shù)方案在經(jīng)濟(jì)上可行。