LNG氣化站的工藝設(shè)計(jì)

1、LNG氣化站的工藝設(shè)計(jì)摘要：論述了液化天然氣氣化站的工藝流程，針對(duì)LNG氣化站主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題作了主要探討，并介紹了LNG氣化站的安全設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：LNG氣化站；工藝流程；工藝設(shè)計(jì)TechnologicalDesignofLNGVaporizingStationLIPei-ming,JIAOWen-ling(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnologyHarbin150090,China)Abstract:ThearticleintroducestechnologicalflowofLNG

2、vaporizingstation,mainlydiscussestechnologicaldesignonthemainfacilitiesofLNGvaporizingstationandintroducessafedesigninLNGvaporizingstation.Keywords:LNGvaporizingstation;processflow;technologicaldesign0引言液化天然氣(LNG)1是將天然氣經(jīng)過(guò)脫水、脫重燃、脫酸性氣體等凈化處理后，采用節(jié)流、膨脹或外加冷源制冷工藝，在常壓和-162C條件下液化而成。液化天然氣無(wú)味、無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，體積約是常壓下

3、氣態(tài)天然氣體積的1/600。LNG因具有運(yùn)輸效率高、用途廣、供氣設(shè)施造價(jià)低、見(jiàn)效快、方式靈活等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為無(wú)法使用管輸天然氣供氣城市的主要?dú)庠椿蜻^(guò)渡氣源，同時(shí)也成為許多使用管輸天然氣供氣城市的補(bǔ)充氣源或調(diào)峰、應(yīng)急氣源。作為城市利用LNG的主要設(shè)施，LNG氣化站1-4憑借其建設(shè)周期短、能方便及時(shí)的滿足市場(chǎng)用氣需求的特點(diǎn)，已成為我國(guó)東南沿海眾多經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、但能源緊缺地區(qū)的永久供氣設(shè)施或管輸天然氣到達(dá)前的過(guò)渡供氣設(shè)施。1 LNG氣化站的工藝流程3液化天然氣由低溫槽車(chē)運(yùn)至氣化站，利用槽車(chē)自帶的增壓器給槽車(chē)儲(chǔ)罐增壓，利用壓差將LNG送入LNG儲(chǔ)罐，進(jìn)行卸車(chē)。通過(guò)儲(chǔ)罐增壓器將LNG增壓，進(jìn)入空溫式氣

4、化器，LNG吸熱氣化發(fā)生相變，成為天然氣。當(dāng)天然氣在空溫式氣化器出口溫度較低時(shí)，需要經(jīng)水浴式加熱器氣化并調(diào)壓、計(jì)量、加臭后送入城市高（中）壓管網(wǎng)。圖1為送入城市中壓管網(wǎng)的空溫式LNG氣化站工藝流程圖。圖1空溫式LNG氣化站工藝流程圖Fig1ProcessflowofLNGvaporizingstation2 LNG氣化站的工藝設(shè)計(jì)LNG氣化站的工藝設(shè)備及裝置主要有LNG儲(chǔ)罐、BOG儲(chǔ)罐、LNG氣化器及增壓器、調(diào)壓、計(jì)量與加臭裝置、閥門(mén)與管材管件等。2.1 LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)3-52.1.1 LNG儲(chǔ)罐形式的確定儲(chǔ)罐形式的確定6考慮儲(chǔ)存規(guī)模、設(shè)備投資、建造周期、占地面積等綜合因素。目前，國(guó)內(nèi)外常用

5、的LNG低溫儲(chǔ)槽有常壓儲(chǔ)存、子母罐帶壓儲(chǔ)存及單罐帶壓儲(chǔ)存3種方式6。常壓罐投資最省，占地面積小，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低，但保溫性能較差，排液需要低溫泵，運(yùn)行費(fèi)用稍高，施工周期稍長(zhǎng)。子母罐運(yùn)行費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，而保溫性能較單罐差，絕熱材料使用量多，占地面積較大，投資最大。單罐施工周期較短，投資居中，運(yùn)行費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，保溫效果好，可靠，技術(shù)成熟，但運(yùn)輸較麻煩，占地面積大，管路和閥門(mén)多。LNG供氣站采用何種儲(chǔ)罐方式，主要取決于其儲(chǔ)存量4。儲(chǔ)存量在12005000m3可采用子母罐帶壓儲(chǔ)存和常壓儲(chǔ)槽儲(chǔ)存，子母罐的單罐容積一般在6001750m3。儲(chǔ)存量在1200m3以下的城市LNG氣化站，基本都采用真

6、空罐帶壓儲(chǔ)存。受運(yùn)輸和整體吊裝條件的限制，單罐容積多采用100m3,個(gè)別站用50m3。2.1.2 設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力的確定目前，絕大部分100m3立式LNG儲(chǔ)罐的最高工作壓力為0.8MPa。按照GB1501998鋼制壓力容器的規(guī)定，當(dāng)儲(chǔ)罐的最高工作壓力為0.8MPa時(shí)，可取設(shè)計(jì)壓力為0.84MPa?？紤]到儲(chǔ)罐的充裝系數(shù)、液柱凈壓力和內(nèi)外罐間的高真空，內(nèi)罐的計(jì)算壓力6般取為1.01MPa.外罐的主要作用是以吊掛式或支撐式固定內(nèi)罐與絕熱材料，同時(shí)與內(nèi)罐形成高真空絕熱層。作用在外罐上的荷載主要為內(nèi)罐和介質(zhì)的重力荷載以及絕熱層的真空負(fù)壓。外罐為外壓容器，設(shè)計(jì)壓力3一般取為-0.1MPa。2.1.3 1

7、00m3LNG儲(chǔ)罐的選材、接管設(shè)計(jì)及液位測(cè)量裝置設(shè)計(jì)3-8正常操作時(shí)，LNG儲(chǔ)罐工作溫度為-162.3C,第一次投用前要用-196C的液氮對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷，取儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度為-196Co內(nèi)罐既要承受介質(zhì)的工作壓力，又要承受LNG的低溫，內(nèi)罐材料必須具有良好的低溫綜合機(jī)械性能，故采用0Cr18Ni9（相當(dāng)于ASME標(biāo)準(zhǔn)的304）。據(jù)內(nèi)罐的計(jì)算壓力和所選材料，內(nèi)罐的計(jì)算厚度和設(shè)計(jì)厚度分別為11.1mm和12mm.作為常溫外壓容器，外罐材料選用16MnR,設(shè)計(jì)厚度為10mm。開(kāi)設(shè)在儲(chǔ)罐內(nèi)罐上的接管口有上進(jìn)液口、下進(jìn)液口、出液口、氣相口、測(cè)滿口、上液位計(jì)口、下液位計(jì)口、工藝人孔等8個(gè)接管口。為便于定期測(cè)

8、量真空度和抽真空，在外罐下封頭上開(kāi)設(shè)有抽真空口（抽完真空后該管口被封結(jié)）。為防止真空失效和內(nèi)罐介質(zhì)漏入外罐，在外罐上封頭設(shè)置有防爆裝置。為防止儲(chǔ)罐內(nèi)LNG充裝過(guò)量或運(yùn)行中罐內(nèi)LNG太少危及儲(chǔ)罐和工藝系統(tǒng)安全，在儲(chǔ)罐上分別設(shè)置測(cè)滿口與差壓式液位計(jì)兩套獨(dú)立液位測(cè)量裝置8,其靈敏度與可靠性對(duì)LNG儲(chǔ)罐的安全至關(guān)重要。在向儲(chǔ)罐充裝LNG時(shí)，通過(guò)差壓式液位計(jì)所顯示的靜壓力讀數(shù)，可從靜壓力與充裝質(zhì)量對(duì)照表上直觀方便地讀出罐內(nèi)LNG的液面高度、體積和質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到充裝上限時(shí)，LNG液體會(huì)從測(cè)滿口溢出，提醒操作人員手動(dòng)切斷進(jìn)料。儲(chǔ)罐自控系統(tǒng)還設(shè)有高限報(bào)警（充裝量為罐容的85%）、緊急切斷（充裝量為罐容的95%）

9、、低限報(bào)警（剩余LNG量為罐容的10%）。2.2 BOG緩沖罐的設(shè)計(jì)對(duì)于調(diào)峰型LNG氣化站，為了回收非調(diào)峰期接卸槽車(chē)的余氣和儲(chǔ)罐中的BOG（BoilOffGas,蒸發(fā)氣體），或?qū)τ谔烊粴饣鞖庹緸榱司鶆蚧鞖?，常在BOG加熱器的出口增設(shè)BOG緩沖罐，其容量按回收槽車(chē)余氣量設(shè)置。2.3 增壓器的設(shè)計(jì)當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的低溫液體向外排出時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力會(huì)逐漸下降。為了保持儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，必須對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓。低溫容器的增壓系統(tǒng)主要有低溫泵增壓系統(tǒng)、外部氣源增壓系統(tǒng)和自增壓系統(tǒng)。低溫泵增壓系統(tǒng)是在排液口設(shè)置低溫泵，利用泵的機(jī)械功使低溫液體增壓，并向氣化器輸液。但低溫泵要求外部安裝條件比較嚴(yán)格，不適于小型供氣系統(tǒng)。

10、外部氣源增壓系統(tǒng)是利用外來(lái)的氣源實(shí)現(xiàn)增壓和排液過(guò)程，但需要額外的CNG儲(chǔ)罐和高壓天然氣。自增壓系統(tǒng)是目前各種低溫儲(chǔ)罐最常用的增壓系統(tǒng)，是將部分的LNG排出儲(chǔ)罐，經(jīng)氣化器氣化后，再返回至儲(chǔ)罐的氣相空間，從而達(dá)到儲(chǔ)罐增壓的目的。2.4 氣化器的設(shè)計(jì)LNG的氣化應(yīng)滿足當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及工藝要求，可選用的氣化器10有加熱式氣化器和環(huán)境式氣化器。加熱式氣化器的氣化熱源為蒸汽或熱水等?，F(xiàn)通常采用的加熱式氣化器是水浴式氣化器。環(huán)境式氣化器采用自然環(huán)境的熱源，如大氣、海水或地?zé)崴，F(xiàn)通常采用的環(huán)境式氣化器是空溫式氣化器?？諟厥綒饣魇荓NG供氣站向城市用戶供氣的主要?dú)饣O(shè)施。冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，即當(dāng)空溫式氣化器

11、出口天然氣溫度低于5c時(shí)，則需要在空溫式氣化器后串聯(lián)加熱式氣化器加熱天然氣?？諟厥綒饣鞯膬?yōu)點(diǎn)是運(yùn)行成本低，缺點(diǎn)是氣化器體積大、投資高、在冬季和雨天氣化器出口溫度較低。水浴式氣化器的優(yōu)點(diǎn)是氣化器體積小、投資較低、氣化器出口溫度穩(wěn)定，缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用很高，1臺(tái)水浴式氣化器的年運(yùn)行費(fèi)用可購(gòu)買(mǎi)1臺(tái)空溫式氣化器。所以，除東北等少數(shù)寒冷地區(qū)外，基本都采用空溫式氣化LNG流程。為了防止冬季和雨天空溫式氣化器出口天然氣的溫度低，損壞后續(xù)的管道并加大供銷(xiāo)差，在空溫式氣化器的出口常串接1臺(tái)水浴式加熱器。空溫式氣化器和加熱式氣化器的選型，應(yīng)根據(jù)高峰小時(shí)用氣量和氣化器的氣化能力來(lái)確定。2.5 調(diào)壓計(jì)量與加臭裝置設(shè)計(jì)1

12、0根據(jù)LNG供氣站的規(guī)模選擇調(diào)壓裝置。通常設(shè)置2路調(diào)壓裝置，選用帶指揮器、超壓切斷的自力式調(diào)壓器。計(jì)量采用渦輪流量計(jì)，加臭劑采用四氫曝吩，加臭以隔膜式計(jì)量泵為動(dòng)力，根據(jù)流量信號(hào)將臭味劑注入天然氣管道中。2.6 閥門(mén)與管道管件選型設(shè)計(jì)3-62.6.1 閥門(mén)選型設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)閥門(mén)應(yīng)滿足輸送LNG的壓力和流量要求，同時(shí)必須具備耐-196C的低溫性能。常用的LNG閥門(mén)主要有：增壓調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、低溫截止閥、安全閥、止回閥等。其中增壓調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥宜采用進(jìn)口，其余可采用國(guó)產(chǎn)閥門(mén)。閥門(mén)材料為0Cr18Ni9。2.6.2 管道管件法蘭選型設(shè)計(jì)(1)介質(zhì)溫度小于或等于-20C的管

13、道采用輸送流體用不銹鋼無(wú)縫鋼(GB/T149762002),材質(zhì)為0Cr18Ni9。管件均采用材質(zhì)為0Cr18Ni9的無(wú)縫沖壓管件(GB/T1245290)。法蘭采用凹凸面長(zhǎng)頸對(duì)焊鋼制管法蘭(HG20592297),材質(zhì)為0Cr18Ni9;法蘭密封墊片采用金屬纏繞式墊片(0Cr18Ni9)。(2)介質(zhì)溫度大于-20C的工藝管道，當(dāng)管徑小于或等于DN200時(shí)，采用輸送流體用無(wú)縫鋼管(GB/T8163),材質(zhì)為20號(hào)鋼；當(dāng)管徑大于DN200時(shí)采用ERW(高頻直縫電阻焊)焊接鋼管11(GB/T30412001)，材質(zhì)為Q235B。管件均采用20號(hào)鋼無(wú)縫沖壓管件(GB/T12459290).法蘭采用2

14、0號(hào)鋼突面帶頸對(duì)鋼制管法蘭(HG20592297)。法蘭密封墊片采用柔性石墨復(fù)合墊片(HG20629297)。LNG工藝管道安裝除必要的法蘭連接外，均采用焊接連接。低溫工藝管道用聚胺脂管托和復(fù)合聚乙烯管殼進(jìn)行絕熱。碳鋼工藝管道作防腐處理。2.6.3 防止冷收縮設(shè)計(jì)用作LNG管道的奧氏體不銹鋼雖具有優(yōu)異的低溫機(jī)械性能，但冷收縮率高達(dá)3%°9。站區(qū)LNG管路在常溫下安裝，在低溫下運(yùn)行，前后溫差高達(dá)180C,存在著較大的冷收縮量和溫差應(yīng)力，通常采用門(mén)形”補(bǔ)償裝置對(duì)工藝管道進(jìn)行冷收縮補(bǔ)償。3 LNG氣化站的安全設(shè)計(jì)LNG氣化站運(yùn)對(duì)于LNG的氣化供應(yīng)環(huán)節(jié)，主要考慮的是安全問(wèn)題，所以工程設(shè)計(jì)和行的安全就是防止天然氣泄漏、消除可能導(dǎo)致燃燒的因素以及滿足LNG設(shè)備的防火及消防要求。為了防止低溫LNG設(shè)備超壓，引起超壓排放和爆炸，在裝置中還應(yīng)設(shè)有BOG系統(tǒng)、放散系統(tǒng)和氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)等9。另外，由于LNG的低溫特性，操作人員應(yīng)做好必要的防護(hù)。安全設(shè)計(jì)需要相關(guān)規(guī)定的限制，我國(guó)應(yīng)該盡快頒布LNG設(shè)計(jì)規(guī)范，以指導(dǎo)LNG應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工安裝和運(yùn)行管理。LNG氣化器的選型必須考慮供氣站所在地域的環(huán)境氣溫，對(duì)東北等寒冷地區(qū)，應(yīng)采用水浴式和空溫式氣化