液化天然气(LNG)气化站设计优化

2022-09-12

液化天然气气化站 (以下简称LNG气化站) 是对无法使用管输天然气城镇的主要气源或过渡气源, 也是许多使用管输天然气供气城镇的补充气源或调峰气源。从2000年至今, 我院在广东、广西、江苏、山东、福建、江西、河南、辽宁、吉林等多省市已设计LNG气化站几十座, 规模从2×50m3到12×150m3不等。“质量高、工期快、投资低”是每个气化站建设的基本要求, 所以设计必须优化。

1 LNG气化站工艺简介

LNG气化站主要包括卸车台、低温储罐、增压系统、气化系统及调压、计量和加臭系统。LNG通过低温槽车运到气化站, 槽车通过卸车增压器进行增压, 在压差作用下, 通过卸车台的管道进入站内的低温储罐。低温储罐通过储罐增压器使储罐压力达到一定值, 罐内LNG通过出液管道进入气化器, LNG经过气化器汽化后变成气态然后通过调压、计量和加臭后输送城市中压燃气管道。

2 设计优化的重要性

设计质量决定项目的经济效益, 当确定了项目的建设方案后, 要想确保LNG供气流程先进适用、向用户供气安全可靠、工程造价合理、运行后经济效益高, 关键在于工程设计。据西方国家分析, 不到建设工程全寿命费用1%的设计费对工程造价的影响度占75%以上, 可见设计质量对整个工程建设的重要性。

具体影响LNG气化站造价的主要因素有设备选型、总图设计、电气设施、消防设施、自控方案等。

根据以往经验, 通常工程直接费约占项目总造价的70%, 设备费又占工程直接费的48%~50%, 设备费中主要是LNG储罐的费用。

3 优化设计的主要内容

3.1 气化站工程方案的优化

气化站工程包括土建工程 (包括给排水) 、工艺设备安装工程 (包括仪表电气) 、消防安装工程, 各部分在投资总额中所占比例不同。典型的气化站可分为储存系统、输送系统、气化系统、调压与计量加臭系统、消防系统、电气与仪表控制系统和配套辅助工程系统, 这些系统设备的大小、处理的能力决定于气化站的供气能力, 也就是说气化站的设计储气规模和气化能力, 决定了气化站的投资。对于土建工程, 除综合楼外, 辅助用房、消防水池、道路工程、给排水, 电气, 仪表工程均与储气规模有关。

城市气源有主气源、辅助气源、过渡性气源、调峰气源、备用气源等不同的形式燃气供应对不同的气源有不同的要求, 一般对主气源和辅助气源要求安全、稳定、可靠;对调峰气源和备用气源除要求与主气源有互换性外, 还要求气源供应有保障, 工艺设备简单, 投运时间短。因此, 在工程项目投资前期应根据城市规划、长输管线到达的时间, 对气化站建设性质, 建站条件气源供应能力与方式, 材料及设备等, 进行方案论证、经济分析比较后, 在工程设计前应进行气化站方案优化设计。

3.2 储罐设计优化

(1) 真空罐为双层金属罐, 内罐为耐低温的不锈钢压力容器, 外罐采用碳钢材料夹层填充绝热材料, 并抽真空。真空罐是在工厂制造试压完毕后整体运输到现场。

LNG总储存量在1000m3以下, 一般采用多台真空罐集中储存, 目前国内真空罐单罐容积最大可以做到150m3。真空罐工艺流程比较简单, 一般采用增压器给储罐增压物料靠压力自流进入气化器, 不使用动力设备, 能耗低, 因此国内外的小型LNG气化站基本上全部采用真空罐形式。

(2) 子母罐的内罐是多个耐低温的不锈钢压力容器, 外罐是一个大碳钢容器罩在多个内罐外面, 内外罐之间也是填充绝热材料, 夹层通入干燥氮气, 以防止湿空气进入。储罐的内罐在工厂制造、试压后运到现场, 外罐在现场安装。

储存规模在1000m3~5000m3的储配站可以根据情况选用储罐或常压罐储存, 由于内罐运输要求, 目前国内单台储罐最大可以做到2500m3, 采用储罐的气化工艺流程与真空罐大致相同, 由于夹层需要通氮气, 装置中多了一套氮气装置。

(3) 常压罐的结构有双金属罐, 还有外罐采用预应力混凝土结构的;有地上罐, 还有地下罐, 20000m3以下的多为双金属罐。

常压罐的内外罐均在现场安装制造生产周期较长。

L N G低温常压储罐的操作压力为15k Pa, 操作温度为-162℃, 为平底双壁圆柱形。其罐体由内外两层构成, 两层间为绝热结构, 为保冷层。内罐用于储存液化天然气, 而外壳则起保护、保冷作用。为了减少外部热量向罐内的传入, 所设计的内外罐是各自分离并独立的。罐项是自立式拱顶, 内罐罐项必须有足够的强度及稳定性以承受由保冷材料等引起的外部压力和由内部气体产生的内部压力。

储罐采用珠光砂为保冷材料, 并充入干燥的氮气, 保证夹层微正压, 绝热材料与大气隔离, 避免了大气压力或温度变化的影响以及湿空气进入内、外罐间保冷层, 增加了保冷材料的使用寿命, 有效保证和提高了保冷材料的使用效果。在设计和制造绝热结构时, 必须注意采用防潮措施。

储罐总容量通常为3~5天高峰月平均日用气量确定。同时还应考虑气源点的个数、气源厂检修时间、气源运输周期、用户用气波动情况等因素。对气源的要求是不少于2个供气点。若只有1个供气点, 则储罐总容量还要考虑气源厂检修时能保证正常供气。

为防止储罐内LNG充装过量或运行中罐内LNG太少危及储罐和工艺系统安全, 在储罐上分别设置测满口与差压式液位计两套独立液位测量装置, 其灵敏度与可靠性对LNG储罐的安全至关重要。在向储罐充装LNG时, 通过差压式液位计所显示的静压力读数, 可从静压力与充装质量对照表上直观方便地读出罐内LNG的液面高度、体积和质量。当达到充装上限时, LNG液体会从测满口溢出, 提醒操作人员手动切断进料。储罐自控系统还要设高限报警 (充装量为罐容的85%) 、紧急切断 (充装量为罐容的95%) 、低限报警 (剩余LNG量为罐容的10%) 。

3.3 气化系统设计优化

储罐自动增压与L N G气化靠压差推动, 随着储罐内LNG的流出, 罐内压力不断降低, 正常运行中需要将储罐内压力维持在一定范围, 才能使LNG气化持续下去。储罐的增压是利用自动升压调节阀和储罐自增压气化器实现的。当储罐内压力低于自动升压调节阀的设定开启值时, 自动升压调节阀打开, 储罐内LNG利用液位差流入自增压气化器 (因此自增压气化器的安装高度应低于储罐的最低液位) , 在自增压气化器中液态LNG经过与空气换热气化成气态天然气, 然后气态天然气流入储罐, 将罐内压力升至设定工作压力。利用该压力将罐内LNG输送至空温式气化器气化, 气化后的天然气 (压力通常为0.6MPa) 经过调压 (通常调至0.2MPa~0.4MPa) 、计量、加臭后, 输送至城市中压燃气管网。结合国内在运行LNG气化站的实际调查结果, 在夏季空温式气化器天然气出口温度可达15℃可直接输送至城市管网。在冬季或雨季, 气化器气化效率大大降低, 尤其是在寒冷的北方, 冬季时气化器出口天然气的温度 (比环境温度低约10℃) 远低于0℃而成为低温天然气。为防止低温天然气直接进入城市中压管网导致管道、阀门等设施发生低温脆裂, 另外低温天然气密度大会产生较大的供销差, 因此气化后的天然气需再经水浴式加热器或电加热NG复热器将其温度升到10℃左右, 然后再经调压计量加臭输送至城市燃气管网。

空温式气化器的连续工作时间一般为6h~8h, 如若超过8h, 则出气温度会降低长时间使用, 气化器结霜严重, 会导致气化效率降低, 需要另外备用一套切换使用。另外, 气化器布置的疏密程度以及气化器距离相邻建构筑物的距离都对气化器气化效率有较大影响, 因此在总图布置时, 应结合工艺管线布置, 站区用地范围, 站区美观的情况下适当增大相邻气化器或周边建构筑物的距离, 以利于气化器的对外换热。

3.4 工艺和材料的设计优化

工艺专业设计应在满足运行和规范要求的同时兼顾总图美观和操作方便, 符合生产场所基本要求和地形特征, 合理配置设备、工艺管线。在LNG储罐的进出液总管上增设连通管, 既可用于LNG储罐间的倒罐, 又可对LNG液相管进行冷循环, 保持管道处于低温状态。站内设置的氮气钢瓶为紧急切断气动阀门提供气源, 有条件的场站可采用压缩空气作为紧急切断阀的动力 (建空气压缩机房) 。根据LNG气化站的规模选择调压装置。通常设置两路调压装置, 调压器选用带指挥器、超压切断的自力式调压器。计量采用涡轮流量计。加臭剂采用四氢噻吩, 加臭以隔膜式计量泵为动力, 根据流量信号将加臭剂注入燃气管道中。

阀门选型设计:工艺系统阀门应满足输送LNG的压力和流量要求, 同时必须具备耐—196℃的低温性能。常用的LNG阀门主要有升压调节阀、降压调节阀、紧急切断阀、低温截止阀、安全阀、止回阀等。阀门材料为0Crl8Ni9。LNG管道通常采用奥氏体不锈钢管, 材质为0Crl8Ni9, 虽然其具有优异的低温机械性能, 但冷收缩率高达0.003。站区LNG管道在常温下安装, 在低温下运行前后温差达180℃, 存在较大的冷收缩量和温差应力, 通常采用“门形”补偿装置来补偿工艺管道的冷收缩。由于L N G阀门和LNG管道单价较高, 且在工艺管道投资中所站比重较大, 因此选择合理的管径和阀门数量对减少投资尤为重要。不同的设计方案, 在满足工艺要求的情况下, 较小的管径, 阀门和管件规格也相应较小, 很明显的会节省投资。LNG管道中包含大量的阀门由于法兰随温度变化容易产生微小泄漏因此理想状态是阀门都采用焊接连接, 尽量减少法兰接头的数量, 以减少液化天然气泄漏的可能性。但是由于周期性检修和临时检修的需要, 系统内必须要有法兰连接, 以便于管道断开、隔离、置换和吹扫。特别是在储罐和管道连接部位必须在根部阀前设置法兰连接, 以便于储罐的周期检验。

3.5 围堰的设计优化

储罐周围必须设置防护堤, 阻止一旦外泄的低温液体流向其他地方。储罐安装位置、储罐间距、防护堤设置的重要性都应给予高度重视。围堰容积应能够容纳储罐内总的液化天然气量, 储罐钢筋混凝土基础高度应当高于围堰内的液化天然气液位高度。防止储罐裙座支撑被低温液体接触导致脆裂, 导致更大事故发生。经过围堰的管线或电缆仪表管槽都不能经过围堰开孔, 避免低温液体沿管线间隙泄露到外面。同样, 围堰内的排水也必须通过泵由围堰顶部排出, 不允许采用重力排水法。

3.6 消防水系统设计优化

消防设计的原则就是以防为主, 防消结合。一是防火灾发生。在生产区设置多个可燃气体报警探头, 并和储罐液相出口紧急切断阀联锁, 一旦发现泄漏, 紧急切断阀可立即关闭, 防止LNG大量泄出;第二是一旦发生火灾能自救。消灭初期火灾, 控制较大火灾, 防止火灾扩大蔓延, 给消防队前来灭火争取时间。水在LNG站场与其它消防系统的用途不同, 水既不能控制也不能熄灭LNG站场的火灾, 水遇到LNG火灾时, 只会加速LNG的气化, 进而加快其燃烧速度。对火灾的控制反而起到相反的作用。因此水在LNG站场主要是用来冷却其它受到火灾热辐射的储罐或设备, 防止火灾继续蔓延。在围堰处增加泡沫发生器, 一旦发生LNG泄漏, 可以通过在LNG表面覆盖泡沫方法, 减少LNG蒸发速度。另外, 在有条件的地方, 消防水系统与城市供水管网相连, 在连接处设置止回阀, 稳定站内水压, 防止站内消防水倒流至城市供水管网。同时也可以将消防水池的容量设计减小, 节省投资。

3.7 电气设计优化

根据工艺生产设备对供电可靠性的要求, 站区供电通常按二类负荷设计, 两路电源供电, 一路引自市电系统, 另一路由自备柴油发电机 (应急启动型) 提供。在电网供电断开情况下柴油发电机自动起动并自动投入供电母线, 以保证消防设备在消防事故情况下可靠运转。

消防设备用电负荷和生产办公负荷不同时工作。大容量用电设备采用降压起动。建筑物的照度应符合现行国家标准《工业企业照明设计标准》GB50034的规定。灯具形式视其环境不同采用防爆、防水、防尘或普通型。仪表控制间、配电室等重要场所设置平时/应急照明两用灯具, 应急时间不少于30min。

3.8 气化站办公用房的设计优化

气化站土建安装工程的投资较大, 主要有综合楼、辅助用房、消防水池、站区道路、场地工程。其中综合楼占较大的比例。目前所建LNG综合楼一般是两层或者多层, 面积较大, 考虑了公司办公功能, 大多超过600m2。而LNG气化站所建位置一般都远离市区, 公司主要办公一般都在市内, 综合楼利用率较低。从气化站正常运行角度考虑, 设计一个监控室、一个站长室、一个会议室、一个休息室、一个工具室和两个洗手间, 面积大约在200m2即可以满足使用, 由两层楼改为单层设计, 这样可以减少不少的投资。

4 设计质量的重要性

设计质量间接影响着投资, 不能片面为节约投资, 不重视设计优化, 进而出现设计的不合理或影响正常使用。有些质量差的设计图纸, 各专业图纸间相互矛盾, 造成施工返工、停工的现象, 如:储罐区和气化区管线标高不一致;工艺管线布置不合理, 管道交叉较多, 弯头设置位置不合理等, 造成质量缺陷或安全隐患, 进而造成投资的浪费。

5 施工阶段的设计优化

设计不是完成施工图就算结束, 在实际施工中, 因现场条件的改变, 或者因前期基础资料提供的不完整, 或者设计考虑不周全, 施工图可能存在不合理的地方, 现场施工时发现问题, 不应教条的执行“严格按图施工的条例”, 应及时对合理的建议联系设计院作必要的修改, 对不确定的问题, 也及时反馈到设计院, 搞清楚设计思路通过设计变更再进行下一步施工。