LNG城市供气站的工艺设计与运行管理

LNG城市供气站的工艺设计与运行管理摘要：液化天然气(LNG)主要成份为甲烷，另有少量乙烷、丙烷等烃类，几乎不含水、硫、二氧化碳等物质，以其密度高、运输方便、环保、经济等优点，已成为管输天然气供应范围以外城市的主气源和过渡气源。本文论述了液化天然气气化站的工艺流程、工艺设计要点和运行管理措施。关键词：LNG气化站；工艺流程；工艺设计；运行管理LNG(液化天然气)已成为目前无法使用管输天然气供气城市的主要气源或过渡气源，也是许多使用管输天然气供气城市的补充气源或调峰气源。LNG气化站凭借其建设周期短以及能迅速满足用气市场需求的优势，我国广东已进口的LNG项目，LNG气化站建成后，已将LNG汽化后通过管道输至广州、深圳、佛山、番禺、东莞、惠州等城市，用于发电及作为工业和民用清洁燃料，成为我国第一个真正意义上的LNG应用工程。在我国东南沿海众多经济发达城市，北京、上海、福建、青岛等也都在规划或建设LNG接收站，从国外进口LNG，用于发电、石油化工、工业、民用燃料。同时，在东北地区以及四川、陕西、山西、江苏、云南、贵州等地相继发现新的天然气储量可供开发利用，因此要充分发挥国家与地方大型天然气开发和小型区域利用相结合。共同开发各种天然气资源，实现天然气多元化，把我国城市天然气利用提高至较高水平。LNG气化站相继在连云港、安徽蚌埠、六安、滁州、河南新乡、山东日照、潍坊，新疆、江苏等地能源紧缺的中小城市建成，成为永久供气设施或管输天然气到达前的过渡供气设施。国内LNG供气技术正处于发展和完善阶段，本文以近年来已建成投产的部分LNG气化站及为例，对其工艺流程、设计与运行管理进行探讨。1.LNG气化站工艺流程液化天然气(LNG)是将天然气经过脱水、脱重烃、脱酸性气体等净化处理后，采用节流、膨胀或外加冷源制冷工艺，在常压和-162℃条件下液化而成。液化天然气无味、无色、无毒、无腐蚀性，体积约是常压下气态天然气体积的1/600。LNG因具有运输效率高、用途广、供气设施造价低、见效快、方式灵活等特点，目前已经成为无法使用管输天然气供气城市的主要气源或过渡气源，同时也成为许多使用管输天然气供气城市的补充气源或调峰、应急气源。作为城市利用LNG的主要设施，LNG气化站凭借其建设周期短、能方便及时的满足市场用气需求的特点，已成为我国东南沿海众多经济较发达及能源紧缺地区的永久供气设施或管输天然气到达前的过渡供气设施。LNG气化站的工艺设备及装置主要有LNG储罐、BOG储罐、LNG汽化器及增压器、调压、计量与加臭装置、阀门与管材管件等。液化天然气由低温槽车运至气化站，利用槽车自带的增压器给槽车储罐增压，利用压差将LNG送入LNG储罐，进行卸车。通过储罐增压器将LNG增压，进入空温式气化器，LNG吸热气化发生相变，成为天然气。当天然气在空温式气化器出口温度较低时，需要经水浴式加热器气化并调压、计量、加臭后送入城市高(中)压管网。1．1.LNG卸车工艺LNG通过公路槽车或罐式集装箱车从LNG液化工厂运抵用气城市LNG气化站，利用槽车上的空温式升压气化器对槽车储罐进行升压(或通过站内设置的卸车增压气化器对罐式集装箱车进行升压)，使槽车与LNG储罐之间形成一定的压差，利用此压差将槽车中的LNG卸入气化站储罐内。卸车结束时，通过卸车台气相管道回收槽车中的气相天然气。卸车时，为防止LNG储罐内压力升高而影响卸车速度，当槽车中的LNG温度低于储罐中LNG的温度时，采用上进液方式。槽车中的低温LNG通过储罐上进液管喷嘴以喷淋状态进入储罐，将部分气体冷却为液体而降低罐内压力，使卸车得以顺利进行。若槽车中的LNG温度高于储罐中LNG的温度时，采用下进液方式，高温LNG由下进液口进入储罐，与罐内低温LNG混合而降温，避免高温LNG由上进液口进入罐内蒸发而升高罐内压力导致卸车困难。实际操作中，由于目前LNG气源地距用气城市较远，长途运输到达用气城市时，槽车内的LNG温度通常高于气化站储罐中LNG的温度，只能采用下进液方式。所以除首次充装LNG时采用上进液方式外，正常卸槽车时基本都采用下进液方式。为防止卸车时急冷产生较大的温差应力损坏管道或影响卸车速度，每次卸车前都应当用储罐中的LNG对卸车管道进行预冷。同时应防止快速开启或关闭阀门使LNG的流速突然改变而产生液击损坏管道。1．2.LNG气化站流程与储罐自动增压①LNG气化站流程LNG气化站的工艺流程见图1。图1室温式LNG气化站工艺流程Fig．1ProcessflowofLNGvaporizingstation②储罐自动增压与LNG气化靠压力推动，LNG从储罐流向空温式气化器，气化为气态天然气后供应用户。随着储罐内LNG的流出，罐内压力不断降低，LNG出罐速度逐渐变慢直至停止。因此，正常供气操作中必须不断向储罐补充气体，将罐内压力维持在一定范围内，才能使LNG气化过程持续下去。储罐的增压是利用自动增压调节阀和自增压空温式气化器实现的。当储罐内压力低于自动增压阀的设定开启值时，自动增压阀打开，储罐内LNG靠液位差流入自增压空温式气化器(自增压空温式气化器的安装高度应低于储罐的最低液位)，在自增压空温式气化器中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内，将储罐内压力升至所需的工作压力。利用该压力将储罐内LNG送至空温式气化器气化，然后对气化后的天然气进行调压(通常调至0．4MPa)、计量、加臭后，送入城市中压输配管网为用户供气。在夏季空温式气化器天然气出口温度可达15℃，直接进管网使用。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产生低温脆裂，也为防止低温天然气密度大而产生过大的供销差，气化后的天然气需再经水浴式天然气加热器将其温度升到10℃，然后再送入城市输配管网。通常设置两组以上空温式气化器组，相互切换使用。当一组使用时间过长，气化器结霜严重，导致气化器气化效率降低，出口温度达不到要求时，人工(或自动或定时)切换到另一组使用，本组进行自然化霜备用。在自增压过程中随着气态天然气的不断流入，储罐的压力不断升高，当压力升高到自动增压调节阀的关闭压力(比设定的开启压力约高10%)时自动增压阀关闭，增压过程结束。随着气化过程的持续进行，当储罐内压力又低于增压阀设定的开启压力时，自动增压阀打开，开始新一轮增压。2.LNG气化站工艺设计2．1.设计决定项目的经济效益当确定了项目的建设方案后，要采用先进适用的LNG供气流程、安全可靠地向用户供气、合理降低工程造价、提高项目的经济效益，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，设计质量对整个建设工程的效益至关重要。影响LNG气化站造价的主要因素有设备选型(根据供气规模、工艺流程等确定)、总图设计(总平面布置、占地面积、地形地貌、消防要求等)、自控方案(主要是仪表选型)。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。2．2.气化站设计标准至今我国尚无LNG的专用设计标准，在LNG气化站设计时，常采用的设计规范为：GB50028—2006《城镇燃气设计规范》、GB50016-2006《建筑设计防火规范》、GB50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》、GB50494—2009《城镇燃气技术规范》，目前国内LNG气化站设计按照GB50028—2006《城镇燃气设计规范》和GB50494—2009《城镇燃气技术规范》设计，实践证明安全可行。2．3.LNG储罐的设计储罐是LNG气化站的主要设备，占有较大的造价比例。应按储存规模、设备投资、建造周期、占地面积等综合因素进行储罐设计。2．3．1.LNG储罐形式的确定目前，国内外常用的LNG低温储槽有常压储存、子母罐带压储存及单罐带压储存3种方式。常压罐投资最省，占地面积小，维护方便，运行费用低，但保温性能较差，排液需要低温泵，运行费用稍高，施工周期稍长。子母罐运行费用低，操作简单，而保温性能较单罐差，绝热材料使用量多，占地面积较大，投资最大。单罐施工周期较短，投资居中，运行费用低，操作简单，保温效果好，可靠，技术成熟，但运输较麻烦，占地面积大，管路和阀门多。LNG供气站采用何种储罐方式，主要取决于其储存量。2．3．2.LNG储罐结构设计LNG储罐按结构形式可分为地下储罐、地上金属储罐和金属/预应力混凝土储罐3类。地上LNG储罐又分为金属子母储罐和金属单罐2种。金属子母储罐是由3只以上子罐并列组装在一个大型母罐(即外罐)之中，子罐通常为立式圆筒形，母罐为立式平底拱盖圆筒形。子母罐多用于天然气液化工厂。城市LNG气化站的储罐通常采用立式双层金属单罐，其内部结构类似于直立的暖瓶，内罐支撑于外罐上，内外罐之间是真空粉末绝热层。储罐容积有50m³和100m³，多采用100m³储罐。对于100m³立式储罐，其内罐内径为3000mm，外罐内径为3200mm，罐体加支座总高度为17100mm，储罐几何容积为105．28m³。2．3．3.设计压力与计算压力的确定目前，绝大部分100m³立式LNG储罐的最高工作压力为0．8MPa。按照GB150—1998《钢制压力容器》的规定，当储罐的最高工作压力为0．8MPa时，可取设计压力为0．84MPa。储罐的充装系数为0．95，内罐充装LNG后的液柱净压力为0．062MPa，内外罐之间绝对压力为5Pa，则内罐的计算压力为1．01MPa。外罐的主要作用是以吊挂式或支撑式固定内罐与绝热材料，同时与内罐形成高真空绝热层。作用在外罐上的荷载主要为内罐和介质的重力荷载以及绝热层的真空负压。所以外罐为外压容器，设计压力为-0．1MPa。2．3．4.100m³LNG储罐的选材正常操作时LNG储罐的工作温度为-162．3℃，第一次投用前要用-196℃的液氮对储罐进行预冷，取储罐的设计温度为-196℃。内罐既要承受介质的工作压力，又要承受LNG的低温，要求内罐材料必须具有良好的低温综合机械性能，尤其要具有良好的低温韧性，因此内罐材料采用0Crl8Ni9（相当于ASME标准的304）。根据内罐的计算压力和所选材料，内罐的计算厚度和设计厚度分别为11．1mm和12．0mm。作为常温外压容器，外罐材料选用低合金容器钢16MnR，其设计厚度为10．0mm。2．3．5.接管设计开设在储罐内罐上的接管口有：上进液口、下进液口、出液口、气相口、测满口、上液位计口、下液位计口、工艺人孔8个接管口。内罐上的接管材质都为0Cr18Ni9。为便于定期测量真空度和抽真空，在外罐下封头上开设有抽真空口(抽完真空后该管口被封闭)。为防止真空失效和内罐介质漏入外罐，在外罐上封头设置防爆装置。2．3．6.液位测量装置设计为防止储罐内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。储罐自控系统还设有高限报警(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％)。2．3．7.绝热层设计LNG储罐的绝热层有以下3种形式：①高真空多层缠绕式绝热层。多用于LNG槽车和罐式集装箱车。②正压堆积绝热层。这种绝热方式是将绝热材料堆积在内外罐之间的夹层中，夹层通氮气，通常绝热层较厚。广泛应用于大中型LNG储罐和储槽，例如立式金属LNG子母储罐。③真空粉末绝热层。常用的单罐公称容积为100m3和50m3的圆筒形双金属LNG储罐通常采用这种绝热方式。在LNG储罐内外罐之间的夹层中填充粉末(珠光砂)，然后将该夹层抽成高真空。通常用蒸发率来衡量储罐的绝热性