賈保印

(中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012)

天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃明確了“十三五”期間的供氣目標(biāo)，《關(guān)于加快儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)和完善儲(chǔ)氣調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制的意見(jiàn)》中要求加快形成與國(guó)內(nèi)消費(fèi)需求相適應(yīng)的儲(chǔ)氣能力及完善的調(diào)峰應(yīng)急機(jī)制，推進(jìn)天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)[1]。與儲(chǔ)氣庫(kù)和氣田調(diào)峰相比，液化天然氣(LNG)接收站具有快速、靈活等特點(diǎn)，利用LNG接收站進(jìn)行調(diào)峰，不但可滿足較大的瞬時(shí)調(diào)峰量，而且運(yùn)行成本較低[2-3]，預(yù)計(jì)到2035年，中國(guó)LNG站場(chǎng)將增加至約40座。LNG站場(chǎng)是具有天然氣凈化及液化、液化天然氣儲(chǔ)存及裝運(yùn)、液化天然氣接卸及再氣化功能的站場(chǎng)，如基荷型天然氣液化工廠、調(diào)峰型液化工廠、液化天然氣接收站、液化天然氣中轉(zhuǎn)站、液化天然氣儲(chǔ)配站、液化天然氣氣化站等。

LNG站場(chǎng)中天然氣外輸需借助天然氣外輸管線，而天然氣外輸管線通常分為L(zhǎng)NG站場(chǎng)內(nèi)天然氣外輸管線(站內(nèi)管線，下同)和站外天然氣外輸管線(站外管線，下同)，站內(nèi)管線包含LNG氣化器出口至站場(chǎng)界區(qū)內(nèi)的管線；站外管線包含界區(qū)至用戶、首站或分輸站管線。站內(nèi)管線和站外管線因承包商的不同，分別由上游LNG站場(chǎng)工程承包商(接收站承包商，下同)和管道工程承包商(管道承包商，下同)負(fù)責(zé)，接收站承包商和管道承包商設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)理念、工藝方案等均存在較大的差異，但隨著現(xiàn)階段定量分析工具、站場(chǎng)設(shè)計(jì)一體化的推進(jìn)，雙方在天然氣外輸管線、首站設(shè)計(jì)的差異越來(lái)越引起設(shè)計(jì)人員、安全審查人員、政府主管部門(mén)以及建設(shè)單位的關(guān)注和重視。

基于上述情況，筆者介紹了LNG站場(chǎng)外輸管線的主要流程及設(shè)計(jì)原理，分析了產(chǎn)生上述差異的原因和規(guī)范依據(jù)，并結(jié)合站內(nèi)和站外管線的設(shè)計(jì)規(guī)范和習(xí)慣，推薦出適合LNG站場(chǎng)外輸管線的設(shè)計(jì)原則和方法，并給出確定安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定值的取值依據(jù)和重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。

1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和主要問(wèn)題

為了便于描述和分析現(xiàn)有工藝流程及原理，以某LNG站場(chǎng)示例項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行工藝參數(shù)為例，天然氣組成和工藝參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

1.1 天然氣外輸?shù)湫凸に嚵鞒?/h3>

來(lái)自LNG站場(chǎng)的天然氣經(jīng)站內(nèi)管線和站外管線進(jìn)行天然氣外輸，站內(nèi)管線設(shè)置有壓力變送器、緊急切斷閥等，設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)流量見(jiàn)圖1。該流程在LNG站場(chǎng)配置中應(yīng)用最廣。

表1 天然氣組成和工藝參數(shù)

表2 天然氣輸送管線的主要工藝操作參數(shù)

圖1 天然氣外輸?shù)湫凸に嚵鞒淌疽?/p>

由圖1可見(jiàn)：當(dāng)壓力變送器探測(cè)壓力高高(PAHH)信號(hào)后，聯(lián)鎖信號(hào)進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))聯(lián)鎖，關(guān)閉緊急切斷閥，避免下游站外管線超壓甚至損壞；站外管線設(shè)置有首站，首站具有計(jì)量、清管等功能。站內(nèi)管線的設(shè)計(jì)壓力同LNG站場(chǎng)內(nèi)相同，站外管線首站設(shè)計(jì)參數(shù)同長(zhǎng)輸管線相同，站內(nèi)和站外管線設(shè)計(jì)壓力分別為15，10 MPa，差異較大。

1.2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，站外管線的閥室與接收站的距離根據(jù)不同等級(jí)地區(qū)推薦上限值來(lái)確定，即若該地為四級(jí)地區(qū)、三級(jí)地區(qū)、二級(jí)地區(qū)、一級(jí)地區(qū)，1#閥室與接收站的距離應(yīng)分別為8，16，24，32 km。當(dāng)1#閥室切斷閥發(fā)生誤關(guān)斷，若LNG站場(chǎng)仍持續(xù)按照已有設(shè)定流量值進(jìn)行天然氣外輸，會(huì)導(dǎo)致1#閥室上游天然氣管線壓力迅速升高。此外，通常情況下LNG站場(chǎng)的首站設(shè)置有切斷閥或開(kāi)關(guān)閥，正常操作過(guò)程中上述閥門(mén)存在誤操作關(guān)閉或失電失氣關(guān)閉的工況，一旦首站中閥門(mén)關(guān)閉，LNG站場(chǎng)外輸通道將會(huì)被切斷，而LNG站場(chǎng)的天然氣還在不斷地外輸，直至站內(nèi)管線上的壓力變送器觸發(fā)設(shè)定值，聯(lián)鎖關(guān)閉站內(nèi)管線的緊急切斷閥，但由于站內(nèi)關(guān)管線尺寸較大，緊急切斷閥的關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)，通常為30～40 s，在緊急切斷閥的關(guān)閉期間，會(huì)造成站外管線尤其是首站系統(tǒng)的超壓，因此需要特別關(guān)注站內(nèi)管線上的壓力變送器聯(lián)鎖設(shè)定值，但目前仍無(wú)法完全解決站外管線的超壓?jiǎn)栴}，甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)，影響裝置的安全。由此可見(jiàn)，采用調(diào)整站內(nèi)管線上壓力高高聯(lián)鎖設(shè)定值的方法不能從根本上解決站外管線超壓的問(wèn)題。

2 原因分析及解決措施

2.1 原因分析

通常情況下，國(guó)內(nèi)LNG站場(chǎng)的站內(nèi)管線和站外管線分別有接收站承包商和管道承包商分別實(shí)施，其設(shè)計(jì)原則和安全性評(píng)估均符合各自行業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)規(guī)定。LNG站場(chǎng)站內(nèi)管線按照LNG站場(chǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行實(shí)施；站外管線按照長(zhǎng)輸管線的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行實(shí)施。雙方負(fù)責(zé)各自工作范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)，除了界面溝通外，對(duì)LNG站場(chǎng)、站外管線的設(shè)計(jì)缺乏有效的溝通，極少?gòu)腖NG站場(chǎng)、天然氣外輸管線等總體統(tǒng)籌考慮。但隨著現(xiàn)階段定量分析工具、站場(chǎng)設(shè)計(jì)一體化的推進(jìn)，雙方在天然氣外輸管線、首站設(shè)計(jì)的差異越來(lái)越引起設(shè)計(jì)人員、安全審查人員、政府主管部門(mén)以及建設(shè)單位的關(guān)注。

導(dǎo)致上述現(xiàn)象的最終原因是站內(nèi)管線和站外管線設(shè)計(jì)壓力選取的標(biāo)準(zhǔn)不同，站內(nèi)管線設(shè)計(jì)壓力的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)高壓泵出口的最大關(guān)閉壓力設(shè)定的，示例工程項(xiàng)目中站內(nèi)管線設(shè)計(jì)壓力為15 MPa，上述規(guī)范的設(shè)計(jì)原則同傳統(tǒng)化工、煉油工業(yè)、精細(xì)化工等行業(yè)的設(shè)計(jì)原則相同，被國(guó)內(nèi)主要工程公司和行業(yè)規(guī)范所認(rèn)可。站外管線設(shè)計(jì)壓力的標(biāo)準(zhǔn)則是根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照最大操作壓力或所連接管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力來(lái)確定，示例工程項(xiàng)目中站外管線設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，與站內(nèi)管線設(shè)計(jì)壓力相差5 MPa。當(dāng)站內(nèi)管線和站外管線連接時(shí)就會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)壓力不一致的現(xiàn)象，也存在安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2.2 解決措施

2.2.1 采用安全閥或爆破片

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是避免站內(nèi)管線和站外管線系統(tǒng)的超壓。安全閥或爆破片通常作為最后一級(jí)安全保護(hù)措施，通過(guò)將超壓介質(zhì)泄放至安全區(qū)域或火炬系統(tǒng)以避免因超壓而產(chǎn)生的潛在安全危害，但針對(duì)處理量極大的可燃、易燃的工藝系統(tǒng)，采用安全閥作為安全保護(hù)措施的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可操作性較差，此類系統(tǒng)主要有[4-5]：①上下游管線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力差別較大的系統(tǒng)。正常情況下可通過(guò)壓力控制閥減壓，但下游堵塞時(shí)會(huì)導(dǎo)致下游低壓系統(tǒng)超壓，通常泄放量按照全流量考慮，該系統(tǒng)的安全閥數(shù)量較多，運(yùn)維期間的成本較高。②具有毒性的系統(tǒng)。如苯、甲苯等作為介質(zhì)，采用安全閥處理超壓工況，無(wú)法滿足環(huán)保要求。③已有項(xiàng)目的改擴(kuò)建階段。已有的安全閥等設(shè)施不足以應(yīng)對(duì)新增大量烴類物流泄放，增設(shè)新的安全閥又難以實(shí)現(xiàn)，因此不適宜選用安全閥。④排放量極大的系統(tǒng)。該系統(tǒng)整個(gè)火炬系統(tǒng)的投資較大。

2.2.2 采用高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)

高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)(high integrity pressure protection system，HIPPS) 已廣泛應(yīng)用在石油化工、油氣儲(chǔ)運(yùn)、海洋平臺(tái)領(lǐng)域。IEC61508標(biāo)準(zhǔn)《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》將HIPPS定義為高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)，是一種基于安全儀表保護(hù)的獨(dú)立的控制系統(tǒng)，通常用于安全等級(jí)要求較高的工藝設(shè)施[6]。該技術(shù)一方面降低了被保護(hù)對(duì)象的設(shè)計(jì)壓力，另一方面還可以作為主動(dòng)防御安全設(shè)施，已被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[7-16]。

HIPPS的主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性較大和成本較低，可使泄壓裝置的尺寸更小或數(shù)量更少。HIPPS設(shè)計(jì)可以通過(guò)使用低危險(xiǎn)故障率的元件，或通過(guò)引入額外的儀表來(lái)監(jiān)控HIPPS，并對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)，進(jìn)而達(dá)到具有比機(jī)械泄壓裝置更高的可用性和可靠性。因此，HIPPS可以作為一種降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，用于特別高風(fēng)險(xiǎn)的工藝單元(如含劇毒物質(zhì))。在某些情況下，HIPPS可以與減壓裝置協(xié)同使用以達(dá)到較高的保護(hù)水平，HIPPS系統(tǒng)的應(yīng)用也得到了管理部門(mén)的認(rèn)可。TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定：高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)完全符合監(jiān)察規(guī)程的要求，可作為替代安全泄放裝置的保護(hù)措施，既節(jié)省了投資，又保證了閥門(mén)可靠的關(guān)斷。采用HIPPS可替代安全閥，保證裝置的安全，滿足規(guī)范的設(shè)置要求。

采用HIPPS系統(tǒng)的LNG站場(chǎng)站內(nèi)管線的工藝流程見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)：來(lái)自LNG站場(chǎng)的天然氣經(jīng)站內(nèi)管線和站外管線進(jìn)行天然氣外輸，站內(nèi)管線設(shè)置有HIPPS系統(tǒng)，HIPPS系統(tǒng)由3個(gè)SIL3的壓力變送器、控制器及2個(gè)SIL3的緊急切斷閥等組成。當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到壓力高高(PAHH)信號(hào)后，HIPPS系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)聯(lián)鎖在3～5 s關(guān)閉緊急切斷閥，避免下游站外管線超壓甚至損壞。站內(nèi)管線的設(shè)計(jì)壓力為15 MPa，同LNG站場(chǎng)內(nèi)相同，站外管線首站設(shè)計(jì)參數(shù)同長(zhǎng)輸管線相同，為10 MPa。

2.2.3 采用安全切斷閥

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，當(dāng)壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障危及下游供氣設(shè)施安全時(shí)，應(yīng)設(shè)置可靠的壓力安全裝置，即安全切斷閥。正常運(yùn)行時(shí)，安全切斷閥的設(shè)定值高于監(jiān)控調(diào)壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值，處于全開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)測(cè)量值大于安全切斷閥的設(shè)定值時(shí)，及時(shí)切斷供氣管路并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以保證下游設(shè)施的安全。安全切斷閥關(guān)閉后，應(yīng)在人工現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)關(guān)閉原因后才能將其開(kāi)啟，安全切斷閥為自力式并獨(dú)立設(shè)置，以保證在任何情況下避免監(jiān)控調(diào)壓閥與安全切斷閥之間的相互影響[17-21]。將安全切斷閥系統(tǒng)應(yīng)用于LNG站場(chǎng)站外管線，工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 采用安全切斷閥系統(tǒng)的天然氣外輸工藝流程示意

由圖3可見(jiàn)：來(lái)自LNG站場(chǎng)的天然氣經(jīng)站內(nèi)管線和站外管線進(jìn)行天然氣外輸，站內(nèi)管線設(shè)置有壓力變送器、緊急切斷閥等。當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到壓力高高(PAHH)信號(hào)后，聯(lián)鎖信號(hào)進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))聯(lián)鎖，關(guān)閉緊急切斷閥，避免下游站外管線超壓甚至損壞。站外管線設(shè)置有安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥等，站內(nèi)管線的設(shè)計(jì)壓力同LNG站場(chǎng)內(nèi)相同，站外管線壓力調(diào)節(jié)閥前設(shè)計(jì)壓力同LNG站場(chǎng)、站內(nèi)管線相同，壓力調(diào)節(jié)閥后設(shè)計(jì)壓力同長(zhǎng)輸管線設(shè)計(jì)壓力相同。

2.2.4 工藝方案適用性和安全性分析

采用安全閥或爆破片的局限性及投資均較大，潛在危害風(fēng)險(xiǎn)較高，不適合高壓、大流量管線系統(tǒng)。采用HIPPS系統(tǒng)符合石油化工、煉油及LNG行業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)定，也符合AP1521—2014《Pressurerelieving and Depressuring Systems》和 TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)管線和站外管線的安全。采用安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器對(duì)下游管線進(jìn)行壓力保護(hù)，符合GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)管線和站外管線的安全。后2種工藝設(shè)計(jì)均能維持下游工藝管線系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，但由于規(guī)范體系不同，壓力管道的許可級(jí)別及監(jiān)管法規(guī)也存在差異，在實(shí)際工程實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際定位、工程投資以及設(shè)計(jì)范圍等進(jìn)行方案比選后確定最優(yōu)化工藝流程。

采用HIPPS系統(tǒng)及安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器等措施在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥的聯(lián)鎖觸發(fā)值、閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間等因素的影響，其設(shè)定值和關(guān)閉時(shí)間應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、工藝管道幾何容積的不同進(jìn)行設(shè)定。因此，針對(duì)具體系統(tǒng)可以采用動(dòng)態(tài)模擬[22-28]工具進(jìn)行定量分析，合理地設(shè)定值觸發(fā)點(diǎn)和閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間，保證HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能。

3 結(jié)論

分析了現(xiàn)有天然氣外輸工藝流程中存在的問(wèn)題，優(yōu)選出適合LNG站場(chǎng)外輸管線的設(shè)計(jì)原則和方法，并給出確定安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定值的取值和關(guān)閉時(shí)間的定量方法，得到以下結(jié)論。

1)現(xiàn)有工藝流程中首站或分輸站閥門(mén)失效關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致站外管線的超壓，通過(guò)調(diào)整站內(nèi)管線上壓力高高聯(lián)鎖設(shè)定值的方法可靠性較差，無(wú)法解決站外管線超壓的問(wèn)題?，F(xiàn)有體系存在風(fēng)險(xiǎn)的原因主要是站內(nèi)管線和站外管線設(shè)計(jì)壓力選取原則及參照規(guī)范不同。

2)從經(jīng)濟(jì)性角度分析，安全閥上并不完全適用于石油化工領(lǐng)域的超壓工況。采用HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥能夠保證站內(nèi)管線和站外管線的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際定位、工程投資以及設(shè)計(jì)范圍等因素進(jìn)行綜合比選，以確定最優(yōu)化工藝流程。

3)HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥的聯(lián)鎖觸發(fā)值、閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間等因素會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性，推薦采用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)進(jìn)行定量分析，合理地設(shè)定值觸發(fā)點(diǎn)和閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間，保證HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能。