楊衛(wèi)濤，白佳飛

(陜西燃氣集團交通能源發(fā)展有限公司，陜西 西安 710016)

1 概述

近年來，全國各地LNG加氣站呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢，截至2020年逾4 800座，有力地保障了LNG車輛的燃料加注。由于早期建設(shè)和設(shè)計經(jīng)驗不足，在LNG管道管溝排水設(shè)計方面出現(xiàn)較多技術(shù)細節(jié)問題。特別是在我國南方地區(qū)和北方雨水較多區(qū)域，LNG加氣站因雨水、積雪、地表及地下滲水造成工藝管溝和防護堤內(nèi)積水難以排出，產(chǎn)生管溝內(nèi)結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象，給LNG加氣站安全運行帶來風險[1-2]。防護堤為露天敞開設(shè)計，雨雪天氣易造成防護堤內(nèi)積水，并且防護堤內(nèi)為易燃易爆低溫場所，液化天然氣溫度為-162 ℃，遇到常溫水產(chǎn)生天然氣蒸氣云，造成運行安全風險，因此需及時排出防護堤內(nèi)積水。此外，應(yīng)關(guān)注LNG管道保冷的有效性[3]。

2 LNG管道保冷方式及管溝積水形式

目前大部分LNG管道采用的保冷材料一旦浸水就會失效，所以防止LNG管道管溝積水尤為重要。管溝進水后難以排出，積水將造成LNG管道保冷材料損壞，工藝管道保冷失效見圖1。

圖1 工藝管道保冷失效

LNG加氣站加氣區(qū)的工藝管道采用管溝敷設(shè)，且均進行保冷處理。管溝為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在管溝內(nèi)壁做防水處理[4]，預(yù)防管溝積水，但由于部分地區(qū)地下水位高、管溝蓋板密封質(zhì)量及管溝內(nèi)壁防水效果差等原因，管溝積水現(xiàn)象普遍存在。

2.1 工藝管道保冷方式

① 采用LNG真空管道

LNG真空管道保冷效果好，但存在以下缺點。

a.LNG真空管道使用2 a后，一般出現(xiàn)真空度下降，保冷失效，真空管道外壁出現(xiàn)大量凝結(jié)水，BOG量明顯上升。需定期對真空管道現(xiàn)場抽真空，維護難度和費用較高[5]。

b.LNG真空管道內(nèi)設(shè)有波紋管補償段，當LNG加氣站非連續(xù)加氣時，將出現(xiàn)升溫和預(yù)冷交替的工況，易造成波紋管補償段疲勞開裂，使LNG從抽空閥處噴出，存在較大安全隱患。如果更換損壞的真空管道，需要重新定制，更換時必須從始端拆到損壞的管段，然后再按反向順序進行安裝，費時費力。出現(xiàn)此類故障后，LNG加氣站必須停運，造成較大經(jīng)濟損失[6]。

c.供貨期長。LNG真空管道需要定制，且在生產(chǎn)車間內(nèi)抽真空，制造時間較長，供貨期長，一般30 d以上，影響LNG加氣站運營。

d.維修工作量大。真空管道有2種連接方式，法蘭連接和焊接連接。法蘭連接時間長易漏氣，焊接連接當真空管道需更換時，必須對所有管道置換后再進行動火更換，維修工作量較大。

② 采用304不銹鋼管道外包保冷材料

采用304不銹鋼管道外包高性能保冷材料的方式，雖保冷效果不如真空管道，但規(guī)避了LNG真空管道的缺點，能夠滿足加氣站生產(chǎn)運行需要，優(yōu)點是施工簡單快速、成本低、維護簡單、使用安全，缺點是對保冷材料要求較高。

經(jīng)對2種保冷方式對比，采用304不銹鋼管道外包保冷材料方式更適合地下LNG工藝管道。因此，如何解決工藝管道管溝積水是影響LNG加氣站管道安全運行的關(guān)鍵[7]。

2.2 管溝積水形式

① 地表滲水

LNG管道管溝地表滲水多出現(xiàn)在南方地區(qū)，此地區(qū)氣候濕潤、多雨，地表水多從混凝土伸縮縫、管溝通風孔進入管溝。

② 地下滲水

地下滲水多出現(xiàn)在地下水位較高位置，針對此種情況，目前的防水材料不能達到相關(guān)要求，地下水滲入管溝，形成積水。

③ 水蒸氣冷凝

LNG加氣站加氣作業(yè)時，LNG溫度約為-150 ℃，工藝管道外表面溫度很低，空氣中的水蒸氣凝結(jié)，形成的水滴積存于管溝內(nèi)部。長此以往，將在管溝內(nèi)積水。

3 管溝積水解決方案研究

3.1 研究目標

研究目標：實現(xiàn)管溝和防護堤內(nèi)積水遠程自動化排水[8]，避免管溝內(nèi)管道保冷失效、結(jié)冰，提高LNG加氣站安全運行可靠性，避免修復管道保冷結(jié)構(gòu)發(fā)生改造費用，促進LNG加氣站經(jīng)濟效益的提升。

3.2 利用TRIZ理論的因果鏈分析[9]

確定研究的關(guān)鍵點為改進防爆泵功能[10]、實現(xiàn)自動化控制、改變積液池結(jié)構(gòu)、提升安全可靠性。利用TRIZ理論(發(fā)明問題解決理論)的因果鏈分析，設(shè)計一種LNG加氣站積液池裝置。

3.3 利用TRIZ理論確定研發(fā)方案

利用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾、物理矛盾、物-場模型3種方法進行研究論證[9]，設(shè)計一種LNG加氣站積液池裝置[11](簡稱積液池裝置)，見圖2。積液池裝置主要由防護堤積液池、管溝積液池、管道泵、潛液泵、智能控制柜、管道及其他附屬設(shè)施組成。LNG加氣站積液池裝置運行過程如下。

① 管溝積液池積水排出過程

當管溝積液池1內(nèi)積水達到一定水位時，管溝積液池1內(nèi)的液位傳感器3感知，通過智能控制柜控制雙輸出軸防爆電機4啟動，并切換為管道泵模式，第1離合器5分離，第2離合器7吸合，帶動管道泵8開始工作。管溝積液池1內(nèi)的積水依次經(jīng)管道泵進水管10、管道泵8、管道泵排水管11、總排水管9排出，直至管溝積液池1內(nèi)水位降低至低水位后，自動停止。

② 防護堤積液池積水排出過程

當防護堤積液池2內(nèi)積水達到一定水位時，防護堤積液池2內(nèi)的液位傳感器3感知，通過智能控制柜控制雙輸出軸防爆電機4啟動并切換為潛液泵模式，第2離合器7分離，第1離合器5吸合，帶動潛液泵6開始工作。防護堤積液池2內(nèi)的積水依次經(jīng)潛液泵6、潛液泵排水管12、總排水管9排出，直至防護堤積液池2內(nèi)水位降低至低水位后，自動停止。

③ 管溝積液池與防護堤積液池積水排出過程

當管溝積液池1、防護堤積液池2內(nèi)積水同時達到一定水位時，管溝積液池1內(nèi)的液位傳感器3和防護堤積液池2內(nèi)的液位傳感器3同時感知，通過智能控制柜控制雙輸出軸防爆電機4啟動并切換為雙泵模式，第1離合器5和第2離合器7均吸合，帶動管道泵8和潛液泵6同時工作，直至將管溝積液池1、防護堤積液池2內(nèi)水位降低至低水位后，自動停止。

④ 雙輸出軸防爆電機工作特點

雙輸出軸防爆電機4可根據(jù)水位高低調(diào)整工作頻率，水位較高時工作頻率高，排水量大；水位較低時工作頻率低，排水量小。

⑤ 注水管工作過程

當管道泵進水管10內(nèi)無水時，管道泵8無法正常工作。此時，通過智能控制柜控制雙輸出軸防爆電機4啟動并切換為潛液泵模式，第2離合器7分離，第1離合器5吸合，帶動潛液泵6工作，同時控制潛液泵6出口與注水管14入口之間的潛液泵互鎖電磁閥打開，潛液泵6出口與潛液泵排水管12入口之間的潛液泵互鎖電磁閥關(guān)閉。防護堤積液池2內(nèi)的積水依次經(jīng)潛液泵6、注水管14進入管道泵進水管10。由于管道泵進水管10入口處設(shè)置有單向閥18，管內(nèi)積水不會流入管溝積液池1，管道泵進水管10逐漸被注滿。當注水管14內(nèi)壓力達到一定值時，壓力傳感器17感知，注水作業(yè)停止，潛液泵6出口與注水管14入口之間的潛液泵互鎖電磁閥關(guān)閉。

⑥ 循環(huán)管工作過程

當溫度傳感器19感知環(huán)境溫度較低時，為了防止管道泵進水管10發(fā)生結(jié)冰，通過智能控制柜控制雙輸出軸防爆電機4啟動并切換為管道泵模式，第1離合器5分離，第2離合器7吸合，帶動管道泵8工作，同時控制管道泵8出口與循環(huán)管13入口之間的管道泵互鎖電磁閥打開，管道泵8出口與管道泵排水管11入口之間的管道泵互鎖電磁閥關(guān)閉。管溝積液池1內(nèi)的積水依次經(jīng)管道泵進水管10、管道泵8、循環(huán)管13回流至管溝積液池1。積水不斷循環(huán)流動，防止結(jié)冰。

⑦ 燃氣報警單元工作過程

燃氣報警單元23用于探測燃氣體積分數(shù)，并在發(fā)生燃氣泄漏時進行報警。智能控制柜可根據(jù)燃氣報警單元23的探測信號控制雙輸出軸防爆電機4停止工作。

圖2 LNG加氣站積液池裝置1.管溝積液池 2.防護堤積液池 3.液位傳感器 4.雙輸出軸防爆電機 5.第1離合器 6.潛液泵 7.第2離合器 8.管道泵 9.總排水管 10.管道泵進水管 11.管道泵排水管 12.潛液泵排水管 13.循環(huán)管 14.注水管 15.管道泵互鎖電磁閥組 16.潛液泵互鎖電磁閥組 17.壓力傳感器 18.單向閥 19.溫度傳感器 20.潛液泵保護罩 21.保護罩進水孔 22.過濾網(wǎng) 23.燃氣報警單元 24.傳動軸

4 方案經(jīng)濟性分析

以某LNG加氣站為例進行經(jīng)濟性分析。積液池裝置的設(shè)備費為40×104元，運行年限為10 a。設(shè)備維護費0.2×104元/a，電費0.3×104元/a。按照改造一次費用為40×104元，如果不使用該裝置，每10 a改造3次工藝管道保冷結(jié)構(gòu)，費用共為120×104元。使用該裝置后，平均每年節(jié)省費用12×104元，即每年收入12×104元。

① 靜態(tài)分析

a.總投資收益率

總投資收益率表示項目總投資的贏利水平，按下式[12]計算：

(1)

式中RROI——總投資收益率

AEBIT──運營期內(nèi)每年的凈收益，元/a，取11.5×104元/a

I──項目總投資，元，取40×104元

經(jīng)計算，總投資收益率為28.75%。

b.靜態(tài)投資回收期

方案靜態(tài)投資回收期為項目總投資與運營期內(nèi)每年凈收益的比值。經(jīng)計算，本項目單站的靜態(tài)投資回收期為3.48 a。

② 動態(tài)分析

a.財務(wù)凈現(xiàn)值

項目運營期內(nèi)第1年凈現(xiàn)金流為-28.5×104元,第2～10年凈現(xiàn)金流均為11.5×104元。財務(wù)凈現(xiàn)值計算式[12]為:

(2)

式中P──財務(wù)凈現(xiàn)值，元

t——運營期，a

ΔCt──每年凈現(xiàn)金流，元/a

i──行業(yè)基準投資收益率，取8%

經(jīng)計算，本項目的財務(wù)凈現(xiàn)值大于0，所以技術(shù)方案在經(jīng)濟上可行。

b.財務(wù)內(nèi)部收益率

財務(wù)內(nèi)部收益率實質(zhì)是使項目在計算期內(nèi)財務(wù)凈現(xiàn)值等于0時，根據(jù)式(2)計算的投資收益率。經(jīng)計算，財務(wù)內(nèi)部收益率大于行業(yè)基準收益率8%，技術(shù)方案可行。

5 成果轉(zhuǎn)化

LNG加氣站積液池裝置取得國家發(fā)明專利和實用新型專利[11]，并在陜南地區(qū)LNG加氣站成功推廣應(yīng)用4臺，運行效果良好，有效解決了LNG加氣站工藝管溝積水和防護堤積水問題，提升了LNG加氣站安全運行可靠性，促進LNG加氣站運行效益提升。后續(xù)將同LNG加氣站設(shè)備制造廠家協(xié)作，將該成果作為加氣站設(shè)備的組成部分，探索產(chǎn)業(yè)化推廣，更好地服務(wù)于行業(yè)健康安全發(fā)展。