王曉海

(上海聚友化工有限公司北京咨詢分公司,北京 100025)

液化天然氣(Liquid Natural Gas)簡稱LNG，指對天然氣進行預處理(脫水等)后通過換熱器不斷降溫以去除甲烷外的大部分烷烴類，最后對其進行降溫(-162℃)使其液化成為LNG。

天然氣供氣的主要方式是管輸天然氣，我國天然氣管網(wǎng)的建設已初具規(guī)模(陜京四線等)，但仍需不斷補充建設。在未敷設管網(wǎng)的城鎮(zhèn)、農(nóng)村等地區(qū)，為解決居民、小型工商業(yè)用戶的用氣，LNG點供無疑是管輸燃氣供應的一種有效補充。

1 LNG點供工藝簡介

LNG點供是集小型儲罐、增壓器、氣化器、加熱器、NG復熱器、調(diào)壓、計量系統(tǒng)、加臭系統(tǒng)、泄漏報警系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)于一體的成套供氣系統(tǒng)。其主要工藝流程見圖1。

圖1 LNG點供主要工藝流程

本工程采用等壓強氣化的方式，LNG低溫汽車槽車將LNG運至項目地，通過控制卸車增壓器的閥門開關(guān),保證槽車罐內(nèi)的壓力滿足卸車要求(通常0.6MPa)，以完成LNG自槽車至儲罐的卸車作業(yè)。通過控制儲罐增壓器的閥門開關(guān)，保證儲罐內(nèi)的壓力滿足供氣要求(通常0.6MPa)，以便于LNG自儲罐至氣化器的輸送，當LNG氣化后的氣相天然氣溫度(≥5℃)滿足用氣要求時，對其調(diào)壓(調(diào)壓器出口壓力根據(jù)用戶用氣要求調(diào)節(jié))、計量、加臭后便可輸送至本工程小型工業(yè)用戶。當冬季時(尤其是我國北方地區(qū))，由于空溫式主氣化器的氣化效果顯著減弱，LNG氣化后的溫度(比環(huán)境溫度低約10℃)遠低于0℃，應先通過NG復熱器進行換熱(加熱后溫度≥5℃)，最后對其調(diào)壓、計量、加臭后送入本工程小型工業(yè)用戶。

2 主要設備選型

2.1 LNG儲罐

LNG點供的液化天然氣儲罐的設計容量通常應根據(jù)3～7天的計算月平均日用氣量來進行設計。綜合考慮本工程的設計用氣量(150Nm2/h)、運輸?shù)软椖繉嶋H情況，經(jīng)計算擬選用LNG儲罐容積為30m3(幾何容積)。

考慮到本工程LNG點供的儲罐容量較小以及成橇的需求，采用真空粉末絕熱的臥式儲罐。其主要設計參數(shù)，工作壓力：0.6MPa，設計壓力：0.8MPa，工作溫度：-162℃，設計溫度：-196℃。

2.2 增壓器

LNG點供的增壓器可分為卸車增壓器和儲罐增壓器兩種類型，臥式是最常采取的結(jié)構(gòu)形式。其中計算卸車增壓器的設計能力時考慮的主要因素為：a、日卸車量；b、卸車速度，一般為1～1.5h/車。設計儲罐增壓器的設計能力時考慮的主要因素為項目的小時最大供氣能力。

綜合考慮經(jīng)濟等因素，本工程增壓器均選用空溫式的氣化器(臥式結(jié)構(gòu))，其詳細設計參數(shù)見表1。

表1 增壓器氣化能力

2.3 氣化器

綜合考慮LNG點供周圍蒸汽或熱水的供應與經(jīng)濟等因素，本工程的主氣化器選用空溫式。

空溫式主氣化器的氣化能力應根據(jù)下游用戶高峰小時流量的1．3～1．5倍進行設計，當其下游用戶為工業(yè)用戶且連續(xù)使用時，按其高峰小時流量的2倍進行設計。為確保下游用戶的持續(xù)穩(wěn)定供氣，本工程選用兩臺150Nm2/h的空溫式氣化器(立式結(jié)構(gòu))作為LNG加熱的主氣化器，其中一臺作為備用。工作壓力：0.6MPa，設計壓力：0.8MPa，工作溫度：-162℃，設計溫度：-196℃。

2.4 加熱器

LNG點供的加熱器一般可分為蒸發(fā)氣(BOG)加熱器和放空氣體(EAG)加熱器兩種類型。一般選擇空溫式、立式結(jié)構(gòu)，根據(jù)氣化器的尺寸大小，可以把主氣化器、BOG氣化器和EAG氣化器合并到一個氣化器組內(nèi)。

2.4.1 BOG加熱器

LNG點供LNG蒸發(fā)氣(BOG)主要來源有以下幾方面：

(1)儲罐的日增發(fā)量：可根據(jù)廠家提供的最大日增發(fā)率計算；

(2)卸車作業(yè)的過程中，儲罐內(nèi)會產(chǎn)生瞬時氣化(即閃蒸)

a、卸車過程中，熱管道中帶來的熱量輸入。此部分熱量與卸車管道的長度、管道保冷絕熱層效果有關(guān)。工程上通常以LNG儲罐正常蒸發(fā)量的10～20倍來作為估算這一部分蒸發(fā)量的依據(jù)，以提高設計效率。

b、卸車過程中，若輸送管道中LNG的溫度(正壓時)比儲罐內(nèi)部壓力下的沸點溫度高，且原儲罐內(nèi)的LNG處于平衡狀態(tài)，此時便會發(fā)生瞬間氣化。

(3)卸車作業(yè)后，槽車罐內(nèi)的氣相天然氣。

BOG氣化器的氣化能力應按蒸發(fā)氣的不同來源綜合考慮后確定。一般以卸車作業(yè)過程中產(chǎn)生的BOG量來計算，而卸車作業(yè)完成后，對槽車罐內(nèi)的氣相天然氣的回收是LNG點供最大的BOG來源，所以BOG氣化器的氣化能力據(jù)此考慮即可，其回收時間可按30min考慮。

2.4.2 EAG加熱器

LNG點供的放空氣體(EAG)主要產(chǎn)生于：a、LNG儲罐、氣化器、LNG管道上兩個切斷閥之間的安全閥的超壓泄放；b、系統(tǒng)事故狀態(tài)下的天然氣泄放。EAG氣化器的氣化能力應按放空氣體的主要來源綜合考慮后確定，通常EAG氣化器的最大量按照LNG儲罐安全閥的起跳量來考慮。綜合考慮經(jīng)濟等因素，本工程加熱器均選用空溫式的氣化器，其詳細設計參數(shù)見表2。

表2 加熱器氣化能力

2.5 NG復熱器

NG復熱器是用于將低溫天然氣加熱至指定溫度的設備，常用的NG復熱器有水浴式電加熱器等。復熱器的設計能力按下游用戶全年中用氣高峰時每小時的用氣量的1．3～1．5倍考慮。本工程NG復熱器選用水浴式電加熱器，其設計參數(shù)，NG流量：150Nm2/h，NG入口工作溫度：-20℃(一般取空溫式氣化器出口溫度，比本工程所在地環(huán)境溫度最低值低約10℃)，NG出口溫度：15℃。

2.6 加臭機

加臭劑采用四氫噻吩(THT)，其注入的過程是PLC系統(tǒng)接收流量計的反饋信號，以隔膜式計量泵為動力將加臭罐內(nèi)的加臭劑壓入進用戶前(一般為調(diào)壓后)的管道中。加臭劑量≥20mg/Nm2，一般應滿足1～3個月用量。

經(jīng)計算，本工程加臭罐容積選取30L。加臭機其工作壓力(注入壓力)應略大于管道內(nèi)壓力，本工程加臭機注入壓力：0.025MPa。

2.7 閥門的選型

LNG點供中涉及到的工藝閥門在滿足其壓力、溫度等輸送條件的情況下，其中液相管道上的閥門應具備一定的耐低溫性(-196℃)。本工程涉及到的工藝閥主要有低溫升壓調(diào)節(jié)閥(閥后取壓)、低溫減壓調(diào)節(jié)閥(閥前取壓)、緊急切斷閥、低溫截止閥等閥門。

a．設計溫度為-196℃的低溫液及低溫氣相的管道閥門應選用低溫截止閥(承插焊)。

b.氣化器出口第一道閥門，選用不銹鋼球閥，出口安全閥選用不銹鋼材質(zhì)。

c.復熱器后及設計溫度為-20℃以上管道閥門，可選用常溫的碳鋼球閥。

3 橇裝化設計

LNG點供項目的橇塊,是指將LNG儲罐、增壓器、氣化器、加熱器、NG復熱器、閥門等集中安裝于一個或多個鋼結(jié)構(gòu)底座上。

3.1 橇塊數(shù)量及尺寸

根據(jù)氣化規(guī)模大小、場地情況和道路運輸條件綜合考慮橇塊數(shù)量和尺寸，LNG點供的橇塊數(shù)量一般可按表3進行劃分。

表3 橇塊數(shù)量劃分

橇塊的設計尺寸應考慮道路運輸?shù)南拗?道路運輸限制要求可參照表4。

表4 超限車輛規(guī)定

結(jié)合項目實際情況，本工程采用LNG點供一體橇的設計方案，即將本項目含LNG儲罐(30m3)在內(nèi)的全部設備及相關(guān)管道等全部集成在一個橇塊上。該橇塊的整體尺寸：14.5m(長)×3m(寬)×3.2m(高)。

3.2 橇塊鋼結(jié)構(gòu)

橇塊鋼結(jié)構(gòu)設計在橇裝化設備設計中是關(guān)鍵，因為既要滿足吊裝要求，又要結(jié)構(gòu)簡單美觀。其設計計算一般可參考GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》。

本工程采取整橇吊裝的方式，選取矩形管200×100×8.0作為鋼構(gòu)底座的主梁。

3.3 設備、管道布置

橇塊的設備、管道布置在滿足工藝功能性的同時，應做到以下幾點要求：

(1)在考慮布置緊湊的同時，應合理規(guī)劃橇塊上的設備布置并結(jié)合設計軟件分析結(jié)果，應盡量確保荷載分布均勻，以免因達不到橇塊鋼結(jié)構(gòu)底座的撓度要求而影響橇塊的整體吊裝穩(wěn)定性。

(2)橇塊的外接管口應盡量集中，接口方向應與項目現(xiàn)場方向一致。

(3)閥門布置時的高度應合理，以便于操作檢修為原則。

(4)盡量做到簡單美觀，如同方向的橇塊接口法蘭面應保持平齊等。

(5)合理設置管路支架，在不需要單獨設置臨時支撐的情況下，可完成對流量計拆卸與安裝的作業(yè)。

(6)考慮橇塊的運輸，應對設備與管路進行必要的臨時支撐設計，避免因運輸導致設備損壞、管線焊縫開裂等情況。

3.4 儀表電氣設計

在滿足相應設計規(guī)范的同時，儀表電氣布置時要與工藝設備管道保持協(xié)調(diào)一致，設計時應做到以下幾點要求：

(1)氣體報警器，設置在橇塊的高點，可以考慮設置在氣化器上。

(2)流量計應保證足夠的可視空間、接線空間和檢修維護空間。

(3)對于儀表點數(shù)比較多的橇塊，可設置儀表接線箱，儀表接線箱的位置，應與項目現(xiàn)場接口一致。

(4)儀表電氣穿線管走向不能影響正常操作，數(shù)量較多時考慮使用槽盒。

3.5 優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)小型LNG氣化站的建設形式，LNG點供橇裝化裝置具有下列優(yōu)勢：

(1)減少現(xiàn)場施工量，縮短施工周期。橇塊一般作為整體進行供貨，橇塊抵達現(xiàn)場后，按設計就位后，只需將各橇塊的管道與電氣設備接線進行連接。

(2)可重復利用。橇塊設計時結(jié)合道路運輸超限規(guī)定進行設計，使橇塊具有更強的可移動性。在天然氣管網(wǎng)實現(xiàn)覆蓋后的地區(qū)，LNG點供橇裝化裝置以其更加靈活的可移動性可實現(xiàn)各橇塊的搬遷使用，提高了LNG點供的重復利用價值。

4 結(jié)束語

LNG點供橇裝化設計保證工程建設質(zhì)量、縮短建設周期的同時，使LNG點供有了更靈活的移動性。LNG點供橇裝裝置憑借其優(yōu)勢，在燃氣管網(wǎng)未覆蓋的城鎮(zhèn)、農(nóng)村等地區(qū)具有很大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。