董 芳

(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

LNG因其綠色、環(huán)保及成本優(yōu)勢(shì)將成為新能源的重要發(fā)展方向，隨著市場(chǎng)對(duì)LNG需求的不斷增加，泵送深冷流體技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外低溫學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題[1]。本文以某LNG項(xiàng)目接收站工程工藝處理設(shè)施單元高壓泵設(shè)計(jì)為例，對(duì)其平面布置、基礎(chǔ)高度確定及管道設(shè)計(jì)等進(jìn)行探討。

1 LNG高壓泵的平面布置

目前，全球LNG接收站工程的設(shè)計(jì)主要參照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)NFPA 59A“Standard for the Production，Storage，and Handling of Liquefied Natural Gas(LNG)”和歐盟EN 1473“Installation and equipment for liquefied natural gas-Design of onshore installations”。我國(guó)關(guān)于LNG的主要標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 20368-2012《LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》，SY/T 6711-2014《LNG接收站安全技術(shù)規(guī)程》等。

根據(jù)裝置設(shè)備布置的一般要求，將LNG高壓泵按照工藝流程順序和同類(lèi)設(shè)備集中的原則在管廊一側(cè)成排布置。LNG泵的類(lèi)型多為低溫潛液泵，是LNG產(chǎn)業(yè)鏈中的重要設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛[2]。雖然泵體本身占地面積較小，但因管道需盡量通過(guò)自然補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)其柔性的要求，和閥門(mén)密集的特點(diǎn)，需充分考慮泵體間距及泵中心到管廊的距離。

2 LNG高壓泵基礎(chǔ)高度的確定

LNG低溫潛液泵的外型及安裝方式見(jiàn)圖1。泵體在安裝時(shí)利用泵筒外壁上的支耳支撐在泵池上方，并用螺栓將支耳固定在泵基礎(chǔ)上，所有管嘴以泵體為中心向四周開(kāi)設(shè)。根據(jù)工藝流程要求，同泵體直接相連的主管均設(shè)有低點(diǎn)排凝線，泵本體亦設(shè)有排凝線，各排凝管道均需以一定的坡度步步低坡向工藝處理設(shè)施單元排凝總管。因此排凝總管的高度決定了泵排凝管道的高度，從而影響了與排凝管道相關(guān)的主管標(biāo)高的設(shè)置，而同泵體直接相連的管道標(biāo)高又需要結(jié)合設(shè)備圖紙中泵嘴相對(duì)于泵基礎(chǔ)的高差及管道布置等因素綜合考慮。由此可見(jiàn)，LNG高壓泵基礎(chǔ)高度的影響因素較多且相互關(guān)聯(lián)，因此要先理清整個(gè)單元排凝管路的設(shè)計(jì)，繼而反推其他相關(guān)管道的布置方式，并結(jié)合廠家圖紙最終選定合適的泵基礎(chǔ)高度。

圖1 LNG高壓泵外型及安裝方式圖

3 LNG高壓泵的管道設(shè)計(jì)

3.1 LNG管道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1.1 管道材質(zhì)

LNG是將天然氣冷卻到-162℃左右凝結(jié)的液體，是天然氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)闹饕问健?162℃的超低溫條件要求輸送LNG的管道材料具有良好的低溫韌性、抗腐蝕性能、焊接性能，同時(shí)由于管道在常溫下安裝、低溫下使用，材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)盡量小。目前，國(guó)內(nèi)LNG接收站管道所用的材料多為奧氏體不銹鋼材料，而9%鎳鋼以其優(yōu)良的綜合性能，在未來(lái)有望成為L(zhǎng)NG管道的主流材料[3]。

3.1.2 管道柔性

低溫管道系統(tǒng)的柔性主要通過(guò)管道的自然補(bǔ)償及膨脹彎來(lái)實(shí)現(xiàn)，禁止使用波紋管膨脹節(jié)，因此接收站內(nèi)大部分LNG管道都應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析，從而合理設(shè)置膨脹彎的位置以滿(mǎn)足管道所需膨脹量。另外，若是將大量LNG直接送入常溫管道，可能導(dǎo)致管道收縮而損壞管路，所以管道在投入使用前需進(jìn)行預(yù)冷[3]。通常采用的預(yù)冷介質(zhì)為液氮(其常壓下的沸點(diǎn)為-196℃)，有些接收站也直接采用LNG進(jìn)行預(yù)冷。因此做管道應(yīng)力分析時(shí)也要充分考慮管道開(kāi)工預(yù)冷的工況。

3.1.3 保冷材料

GB/T 22724《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計(jì)》指出，絕熱材料的質(zhì)量和類(lèi)型應(yīng)根據(jù)易燃度、吸氣率、絕熱材料對(duì)潮氣的敏感性、溫度梯度、低溫性能等幾個(gè)方面予以考慮[4]。目前LNG管道采用較多的保冷材料有：聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)、丁腈橡膠及二烯烴泡沫(LT+LTD) 。其中前兩種材料組合可用于硬質(zhì)保冷管道，后兩種材料組合可用于柔性保冷管道。

3.1.4 保冷支架

LNG管道保冷支架并不像常規(guī)煉油裝置管道支架形式多種多樣，由于管道外保冷材料較厚、不銹鋼管道不能直接焊接鋼材料支架等特點(diǎn)，保冷支架基本為管卡型(管托型)。如果有導(dǎo)向或止推的要求，則通過(guò)在支撐梁上或管托底板焊接金屬擋塊的方式實(shí)現(xiàn)。由于支架形式的特殊性和單一性，在管道設(shè)計(jì)初期就需將支架的可實(shí)現(xiàn)性一并考慮在內(nèi)。另外，為了保證支架安裝時(shí)同管道保冷材料更好的銜接，要求在支架生產(chǎn)過(guò)程中即預(yù)留出金屬管卡長(zhǎng)度范圍外的保冷層過(guò)渡段(見(jiàn)圖2)，因此在計(jì)算管道焊縫同支架間距時(shí)應(yīng)將此過(guò)渡段長(zhǎng)度也考慮在內(nèi)。

圖2 LNG管道保冷支架

3.2 LNG高壓泵的管道設(shè)計(jì)

圖3 LNG高壓泵平面布置及管道設(shè)計(jì)

LNG高壓泵的主要管道有：入口線、出口線、放空線、回流線、保冷循環(huán)線、排凝線、氮?dú)饷芊饩€及氮?dú)獯祾呔€等。圖3為某LNG項(xiàng)目接收站工程工藝處理設(shè)施單元高壓泵的平面布置及進(jìn)出口和回流管道走向。

3.2.1 泵入口管道設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程要求，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG液體經(jīng)罐內(nèi)低壓泵送入工藝處理設(shè)施單元的LNG高壓泵升壓，泵入口線經(jīng)一個(gè)調(diào)節(jié)閥步步低進(jìn)入泵體，且水平管段保持一定的坡度，這樣可以使LNG液體快速流入泵體(見(jiàn)圖3)。排凝線從調(diào)節(jié)閥前的管道底部接出，其作用是當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉后，將閥前聚集的LNG液體排入凝液收集系統(tǒng)，避免管道內(nèi)液體的集聚造成局部氣化。而調(diào)節(jié)閥后的LNG液體則通過(guò)管道坡度流入泵體內(nèi)部，也避免了管道內(nèi)部積液。

泵入口管道內(nèi)的LNG液體為低壓LNG，管壁較薄，因此相對(duì)同口徑的高壓管線而言其管道柔性要好一些，但仍需考慮低溫工況下管道的自然補(bǔ)償，例如從總管接出時(shí)在管道軸向及水平方向分別走一小段“L”型，用以避免總管遇冷形變時(shí)對(duì)分支管道產(chǎn)生的拉力將焊接部位撕裂。

對(duì)泵嘴的保護(hù)主要考慮將不同工況下管道形變傳遞到泵嘴上的力降到最低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以從三方面考慮：一是通過(guò)自然補(bǔ)償?shù)姆绞?，即在接近泵體處設(shè)置一小段“π”型補(bǔ)償器；二是將距泵嘴最近的支架安裝成彈簧用以吸收泵體在不同工況中產(chǎn)生的上下位移；三是在入口線較長(zhǎng)段水平管道上選取合適的位置設(shè)置固定支架，作用是阻隔支架兩端管道形變的相互影響。

3.2.2 泵出口管道設(shè)計(jì)

泵出口管道的壓力較高，根據(jù)工藝流程要求，LNG液體經(jīng)高壓泵升壓后輸送至氣化器。出口線經(jīng)一個(gè)孔板流量計(jì)、雙止回閥、一個(gè)調(diào)節(jié)閥和一個(gè)手動(dòng)切斷閥后接入總管(見(jiàn)圖3)。工藝流程要求最后一個(gè)切斷閥的位置要盡量靠近管道匯管處。為滿(mǎn)足工藝要求，同時(shí)考慮閥門(mén)的檢修操作，最終將此閥門(mén)放于管橋外側(cè)，并盡量靠近管橋側(cè)梁，且在其旁側(cè)設(shè)置檢修平臺(tái)。泵出口管道的排凝設(shè)置在雙止回閥后盡量靠近閥體處，作用同樣是當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉后，將集聚在管道內(nèi)的LNG液體送入排凝系統(tǒng)。

泵出口線由于壓力升高，管壁相應(yīng)加厚，在管道柔性設(shè)計(jì)方面應(yīng)設(shè)置足夠的補(bǔ)償點(diǎn)。具體措施可以從以下幾點(diǎn)考慮：在泵體前端設(shè)置“π”型補(bǔ)償器來(lái)吸收管道的軸向位移；管線從泵嘴接出后，通過(guò)設(shè)置一段立管來(lái)減小泵體與管道垂直位移不一致時(shí)對(duì)泵嘴受力的影響；管道接入總管前在水平方向上通過(guò)改變走向來(lái)避免管道形變?cè)斐山涌p處的撕裂；通過(guò)在較長(zhǎng)段水平管道上選取合適的位置設(shè)置固定支架，來(lái)阻隔支架兩端管道形變的相互影響。

3.2.3 泵放空管道設(shè)計(jì)

圖4 LNG高壓泵放空管道軸測(cè)圖

泵放空管道的布置方式見(jiàn)圖4。根據(jù)工藝流程要求，泵放空管道經(jīng)一道切斷閥后匯入總管，繼而接入再冷凝器。為保護(hù)管嘴，放空線接出后同樣設(shè)置“π”型補(bǔ)償器以增強(qiáng)管道柔性。

由于放空氣體延管道上升時(shí)會(huì)夾帶少量LNG液體，為使液體快速回流至泵體內(nèi)，應(yīng)在放空管道水平段設(shè)置一定的坡度。坡度的具體數(shù)值可根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商及工藝要求綜合確定。另外，根據(jù)工藝要求，放空總管最低點(diǎn)的標(biāo)高應(yīng)高于再冷凝器的高高液位。

3.2.4 泵回流管道設(shè)計(jì)

泵回流線要求從泵出口線上方引出，經(jīng)一個(gè)切斷閥、一個(gè)止回閥及兩個(gè)調(diào)節(jié)閥接入總管，回流至再冷凝器(見(jiàn)圖3)?？紤]到LNG管道局部上U會(huì)使得LNG氣化并集聚氣體，因此回流管道引出后步步高經(jīng)管橋側(cè)梁接入總管，閥門(mén)設(shè)置于平臺(tái)上便于支撐和操作檢修。由于泵回流管道上閥門(mén)相對(duì)較多，因此盡量將閥門(mén)布置的緊湊些，但也要預(yù)留足夠的直管段以保證支架的安裝。

3.2.5 泵保冷循環(huán)管道設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程要求，泵的保冷循環(huán)線從泵出口線上雙止回閥后接出，經(jīng)兩道切斷閥及一個(gè)限流孔板后接入總管，進(jìn)而輸送至氣化器。同回流線一樣，在管道設(shè)計(jì)中亦不能存在局部上U。保冷循環(huán)線的口徑一般較小，閥門(mén)數(shù)量少，管道設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，方便進(jìn)行操作檢修即可。

3.2.6 泵排凝管道設(shè)計(jì)

LNG高壓泵的排凝管道根據(jù)壓力不同分為兩類(lèi)：低壓排凝管道和高壓排凝管道。其中低壓排凝管道主要收集泵體和泵入口管道中的凝液，而后排入工藝處理設(shè)施單元內(nèi)低壓排凝系統(tǒng)；而高壓排凝管道主要收集泵出口管道和保冷循環(huán)管道中的凝液，而后排入工藝處理設(shè)施單元內(nèi)高壓排凝系統(tǒng)。每條排凝管道第一個(gè)切斷閥應(yīng)盡量靠近主管根部，且接出點(diǎn)應(yīng)靠近主管閥門(mén)，從而盡量減少死區(qū)。為了使管道中收集的凝液迅速進(jìn)入排凝系統(tǒng)防止氣化，除泵體本身的排凝管道外，其他排凝管道應(yīng)從主管底部接出，并設(shè)置一定的坡度且步步低接入排凝總管。管道柔性方面同樣需考慮排凝支管在接入總管前通過(guò)設(shè)置“L”型來(lái)滿(mǎn)足，避免因總管位移過(guò)大將支管焊接處撕裂，造成泄漏。

3.2.7 泵氮?dú)饷芊夤艿涝O(shè)計(jì)

由于高壓泵電機(jī)的接線盒是防爆的，為防止LNG沿電纜泄漏到接線盒而遇到電火花產(chǎn)生爆炸，要對(duì)屏蔽電機(jī)的外接電力系統(tǒng)進(jìn)行密封和保護(hù)，通常的做法是在外接電纜和接線盒之間設(shè)置氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，作用是阻斷LNG可能進(jìn)入電機(jī)接線盒的通道[5]。氮?dú)饨尤霑r(shí)應(yīng)在閥前將管道材質(zhì)變?yōu)榈蜏夭讳P鋼，以防止LNG經(jīng)管道泄漏而造成事故的發(fā)生。

3.2.8 氮?dú)獯祾吖艿涝O(shè)計(jì)

接收站LNG管道一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是閥門(mén)兩端設(shè)置的氮?dú)獯祾呔€較多，氮?dú)獯祾叩哪康氖窃谕９z修時(shí)將管路里殘存的LNG吹凈，從而避免大量氣化造成危險(xiǎn)。同常規(guī)煉油裝置不同，LNG管道氮?dú)獯祾咄ǔＲ哉组y組的形式出現(xiàn)，一條管路上的切斷閥較多，其作用是避免LNG由吹掃管路泄漏，另外根部吹掃閥也應(yīng)選用低溫不銹鋼以增強(qiáng)其安全性。

氮?dú)獯祾呔€按管道壓力分為高壓和低壓兩種，其區(qū)別為低壓吹掃線上低溫不銹鋼切斷閥只有一個(gè)，而高壓線上均為雙閥。基于吹掃閥組較為密集的特點(diǎn)和在接入點(diǎn)就近布置的要求，如何將眾多的氮?dú)獯祾吆侠聿贾帽愠蔀楦邏罕霉艿啦贾弥械挠忠粋€(gè)難點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

LNG高壓泵的平面布置要充分考慮工藝管道的口徑、管道柔性、閥門(mén)操作檢修和氮?dú)獯祾唛y組所需空間等因素。高壓泵基礎(chǔ)高度的選擇要綜合考慮整個(gè)排凝系統(tǒng)的布置方案，其中排凝總管、分支管道的標(biāo)高以及泵嘴相對(duì)于基礎(chǔ)的高差影響較大。高壓泵的管道布置首先要滿(mǎn)足工藝流程要求，特別注意入口管道的坡度要求、出口管道最后一道切斷閥要靠近匯管布置的要求、放空管道切斷閥布置在泵頂部平臺(tái)的要求、回流管道從出口管道上方引出的要求等。LNG高壓泵閥門(mén)兩端的氮?dú)獯祾唛y組數(shù)量較多，要充分考慮閥門(mén)的檢修操作空間和布置方案的合理性。