浅谈LNG接收站工艺设备布置与配管

2017-01-05马丽

化工设计 2016年6期

关键词：配管接收站火炬

马丽

浅谈LNG接收站工艺设备布置与配管

马丽

中国成达工程有限公司成都 610041

结合几个LNG接收站设计经验，浅谈LNG接收站工艺设备布置与配管中需要考虑和注意的一些问题。

LNG接收站工艺设备布置配管

天然气(NG)其主要成分由甲烷(CH4)组成。LNG则是通过让常压下气态天然气冷却至-162℃，使之凝结成无色液体。天然气液化后可以大幅节约储运空间和成本，具有的优点：① 运输灵活，天然气液化后的体积缩小620余倍，可在公路、铁路、船舶上高效运输；② 供气设施建设投资少、见效快、方式灵活；③ 用途广，可作为车用燃料、发电燃料、化工原料；④ 气化过程中的冷量可利用；⑤ 较安全可靠，燃点为650 ℃，气相密度0.722kg/m3，比空气轻，稍有泄漏即可飞散。

中国对LNG产业的发展越来越重视，国内多地都正在规划和实施LNG项目，这些项目将最终构成一个LNG接收站和输送管网，加入到我国“西气东输、北气南下、海气登陆、就近外供”四个气源为主体的天然气发展框架。

1 LNG接收站选址和分区

装置的平面布置包括装置的全厂总平面布置和装置内设备平面布置。本文仅就后者进行讨论，对前者只做一些浅述。

另外，本文的论述主要针对南方沿海地区1.6×105～2.0×105t LNG全容式混凝土顶贮罐(FCCR)项目，不考虑防风沙和防寒的影响。

1.1 接收站选址

LNG接收站的主要功能是接收、储存和再气化LNG，并通过管道向电厂和城市用户供气，通过槽车向LNG门站供气。根据功能的选择，LNG接收站场址应考虑的因素：① 应根据其所在地区的地形、地质、水文、气象、交通、消防、给排水、供电、通信、可利用土地和社会生活等条件，对可供选择的具体地址进行技术、经济、安全、环境、征地、拆迁、管理等方面的综合评价，选择最优建站地址；② 应考虑LNG储罐、易燃致冷剂储罐、易燃液体储罐、构筑物和工厂设备与工厂地界线，及其相互间最小净距的规定；③ 应考虑在实际操作的极限内，工厂抗自然力的程度；④ 应考虑可能影响工厂人员或周围公众安全涉及具体位置的其它因素，评定这些因素时，应对可能发生的事故和在设计或操作中采取的安全措施做出整体评价；⑤ 不宜建在抗震设防烈度为8度的IV类场所地区；⑥ 宜位于临近城镇或居民区全年最小频率风向的上风侧；⑦应具有全天候人员疏散条件。

1.2 接收站功能分区

液化天然气接收站总平面应按功能分区布置，可分为码头区、LNG罐区、工艺装置区、槽车装车区、火炬区、公用工程及辅助生产区、外输计量区、冷能利用区、行政办公及生活服务区、海水取排水区。各功能区应布置紧凑并与毗邻功能区相协调。

本文主要讨论工艺设备涉及的码头区、LNG罐区、工艺装置区、槽车装车区和火炬区。

2 LNG接收站工艺设备布置与配管

2.1 码头区

码头区一般都包括两个部分：码头和栈桥。

LNG码头布置方案一般由LNG接收站相关的航道设计院设计确定，与城市规划和港口总体规划相衔接，结合LNG接收站选址、用户布局和外输方式综合确定。

2.1.1 码头平台

码头平台的大小，除了主要考虑操作平台的大小，还需要考虑包括避雷塔的设置，高架消防炮的设置，登船梯的大小和布置，泡沫及干粉等消防设施的布置，码头LNG收集池的布置，码头控制室的大小和布置，以及以上各种设施之间要求的安全距离等综合布置因素的需要。

由于LNG船舶尺度大、干舷较高，使用船舷较危险。为保证船、码头之间人员方便、安全上下，LNG码头应设置登船梯。

LNG码头上没有大型检修件的运输，码头平台一般不考虑检修车辆的通行，只考虑了一般中型车的停靠。

2.1.2 码头操作平台

LNG相对密度小，LNG船舶的尺度大，干舷较高，因此需要在码头平台上建一定高度的操作平台，以满足操作要求。码头操作平台的平面布置、高度、大小主要由设计船型管汇位置确定，并满足液化天然气船舶在当地最大潮差和波浪变动范围内的安全作业要求。

码头操作平台至接收站储罐的净距不应小于150m,同时其最大净距也应根据LNG船泵能力及其他经济、技术条件综合确定。

码头操作平台与码头平台前沿的间距由LNG船在当地最大潮差和波浪变动范围内安全作业要求计算确定，必须保障平台结构和上面所有设施在LNG船发生任何方向和高度偏移时不会与船体有任何碰撞。

码头操作平台的大小除了满足卸料臂及相连配管的需要，还要综合考虑卸料臂检修机具的放置和检修通道需要、卸料臂仪电操控系统和动力系统的布置、登船梯仪电操控系统的布置、泊岸系统的布置等。

2.1.3 码头主设备：卸料臂

LNG卸船码头设有多台液体卸料臂和1台气体返回臂。卸船时，几台液体卸料臂同时工作。当1台卸料臂由于故障而不能使用，卸船操作还可在较低的流速下完成，卸船时间增加，这段增加时间对LNG运输船的卸船安排都是允许的，1台卸船臂故障并不影响接收站的可靠性。当气体返回臂因故障而不能使用，1个液体卸料臂将被用作气体返回臂。因此，卸料臂不设置备用。

卸料臂的布置由卸料臂本身的结构，臂转动范围和LNG运输船的漂移范围综合决定。在复位状态时，相邻液体装卸臂的最小净距应大于600mm；在作业状态时，液体装卸臂的任何部位与码头建筑物、设备、管道等最小间距应大于300mm。

卸料臂的检修主要考虑伸缩轮和旋转升降球阀，如果业主需要固定吊装设施，在码头操作平台顶层设置一个2吨的固定单臂吊车供检修件吊装即可。卸料臂和固定吊车之间通过卸料臂厂商提供的推车运送检修件。顶层平台在布置设备和管道时，要留出卸料臂和固定吊车之间顺畅的检修通道。

2.1.4 栈桥

栈桥的长度主要取决于码头的位置和栈桥接陆域点的选择，栈桥接陆域点则是综合考虑陆域布置决定的管廊接管点决定。栈桥基本没有什么设备，如果栈桥较长，需设置相应数量的膨胀弯。出于工艺操作要求和安全距离的考虑，有时码头控制室也会放置于栈桥膨胀弯上。

栈桥宽度应考虑管廊的宽度，检修车辆的通道，一般不宜小于15m。

消防有要求的，栈桥还需要考虑消防车的通行和荷载。栈桥上的消防供水管应设消火栓，其间距不宜超过60m。

2.1.5 码头和栈桥的配管

码头上的配管主要是考虑与卸料臂连接的几根大直径的冷管。因LNG装卸船管温度低直径大，足够的柔性和尽量短的路径是需要综合考虑的。尤其是液相臂中有1台是气相臂的备用，它涉及的管道操作温度波动范围较大，应力计算需要重点关注。

LNG装卸船管道设置了紧急切断阀，一般把这几个自动阀门都设置在陆域位置紧靠栈桥根部处，同时它们距码头前沿不应小于20m。

栈桥的配管重点是考虑膨胀弯的设置。既要合理设置膨胀弯的数量和尺寸大小，又同时要考虑固定点的推力不能过大。

2.1.6 其它

在码头区域设计中遇到的最大问题是伸缩缝。因为整个码头面积很大，很难完成整体浇注，因此整个码头常由几块结构组成，每块之间保留一定伸缩缝。码头上的设备，结构柱脚都不能放置在伸缩逢上，这必须在设备和平台布置中考虑进去。同时须要求不同的平台之间有相同的沉降，否则还需要考虑不同块上的设备和平台不同沉降带来的影响，甚至后期配管的应力计算也需要考虑不同沉降带来的影响，这将导致设计的复杂化和投资增加。

栈桥也是由一系列的墩台组成，墩台之间可能也保留一定伸缩缝。因此布置管墩时，必须在满足管道跨距要求的基础上错开所有伸缩逢。

2.2 LNG储罐区

2.2.1 储罐及布置

现有的LNG接收站使用的LNG储罐均有长期安全运行的记录，因此，LNG储罐可以被认为是免维修设备，不设备用。

LNG储罐的布置要根据LNG储罐的类型决定。全容式混凝土顶储罐(FCCR)，该储罐为双壁罐,有效容积从几万方到20万方。按照GB/T 20368-2012第5.2.2.4，不需要另外设置防护堤(全容罐的预应力混凝土外罐可以在一定时间内有效储蓄泄漏的LNG液体和气体)。在布置中根据工艺要求，让储罐靠近码头，以利于LNG输入管线尽量缩短。储罐与码头的防火间距应满足规范《液化天然气码头设计规范》JTS165-5-2009要求。储罐区周围应设环形道路，满足施工、检修和消防车辆通行的要求。

同时还要考虑到LNG储罐本身的重量和投资费用，尽量将储罐放置到地基本身较好的位置上，降低储罐对桩深的要求。

2.2.2 LNG低压输送泵

LNG低压输送泵是输送系统中的重要设备，必须设置备用泵，泵的维修应不影响接收站的正常外输操作。每座液化天然气储罐的罐内泵不应少于2台立式潜液泵。

为安全起见，所有的连接管口均设计在罐的顶部。罐顶的泵，大型调节阀和安全阀需要考虑设置固定吊车供吊装检修件。配合LNG储罐周围设置的环行通道，方便施工及大型检修车辆通行。

2.3 工艺区

在工艺区内主要布置工艺设备，设备之间由管廊连接，按照工艺流程顺畅布置，同时满足安全生产和环境保护的要求，兼顾操作、维护、检修、施工和消防的需要。工艺区设备宜露天或半露天布置，由于工艺操作或受自然条件限制时，可将设备布置在建筑物内。

工艺装置区四周设有环行消防通道。工艺区各单元均考虑有预留和建设场地。

2.3.1 蒸发气压缩机

蒸发气的产生主要是由于外界能量的输入造成，如泵运转，外界热量的导入，大气压变化、环境的影响及LNG注入储罐时造成罐内LNG体积的变化。低温往复式压缩机通过逐级调节来实现流量控制，其压缩能力通过储罐的压力来调节。压缩机的最大流量受再冷凝器的能力限制。

蒸发气压缩机对接收站的可靠性操作并没有直接关系，只是从环保和经济效益的角度，尽可能避免BOG气体放空。在蒸发气压缩机或再凝器维修时，允许蒸发气通过火炬排放是最经济的，因此无须设置备用。

(1)设备布置及检修

蒸发气压缩机宜采用卧式对称平衡型或立式迷宫活塞往复式压缩机，所以要重点考虑减振问题。为减少振动一般将压缩机安装在地面，压缩机基础与其它结构基础分离。另外，考虑到NG是可燃气体，在满足防噪音的基础上，压缩厂房宜设置成开敞或半开敞式，并在厂房顶部采取防止气体积聚的措施。

压缩厂房需要设置永久检修设施，多台压缩机可共用一台起重机和检修场地。压缩厂房的高度主要由压缩机高度、检修件尺寸及选用的起重机共同决定。压缩厂房的大小则由压缩机的平面大小、其它辅助设施大小、压缩机机组与厂房墙壁的净距、压缩机检修件临时放置场地大小共同决定。压缩厂房的检修件临时放置场地和大门都在厂房同侧，大门直接连接道路，便于车辆的靠近和检修件的运输。

(2)配管

压缩机配管的防振很重要。为了减少振动，所有配管都布置得较低，而且单独布置在压缩厂房外的低管廊，避免振动对其他管道和管廊带来影响。而较低的配管也节省了对操作平台的需求。

2.3.2 蒸发气再冷凝器

再冷凝器主要有两个功能：① 在再冷凝器中，经加压后的蒸发气与送出的LNG混合后被冷凝为液体(再冷凝器可以利用LNG的冷量，并减少了蒸发气(BOG)压缩功的消耗，节省能量)；② 再冷凝器可作为LNG高压输送泵的入口缓冲容器。

再冷凝是压力容器，应定期进行检查。但在工艺系统设计时，考虑了LNG旁路系统，即使在再冷凝检查时也不会影响接收站的正常运行。再冷凝器维修时，蒸发气通过火炬排放是最经济的，因此，接收站不考虑蒸发气再冷凝器的备用，只设置1台再冷凝器。

再冷凝器除了底层支撑层采用混凝土结构，其它全部可采用钢结构。在最下层平台使用轻质混凝土抹面，以达到LNG防冻的要求。

通过人孔对再冷凝器采取就地检查的方式，所以框架上不设置大型吊装设备。对于平台上的大型调节阀，则可采用在框架梁下设置吊钩的方式供检修。再冷凝器框架布置时，让框架一侧靠近道路，便于拆卸下来的检修件吊装。

2.3.3 LNG高压输送泵

从再冷凝器出来的LNG直接进入LNG高压输送泵，加压后输送到高压气化器。高压输送泵是输送系统中的重要设备，必须设置备用泵，设置备用泵的原则为N+1。泵的维修应不影响接收站的正常外输操作。

液化天然气泵宜露天布置。上方应留出泵体安装和检修所需要的空间。

泵的布置除了满足与再冷凝器之间的高差要求，还应满足所连接管道的柔型设计要求，并应充分考虑相关阀门、仪表和平台梯子的布置空间。

(1)设备布置及检修

LNG高压输送泵布置在露天的密封泵井里，因此不需要设置专门的框架结构用于泵的支撑和操作检修，且由于泵井是密封的，没有积液，也不需要专门配置抽水泵。其它LNG项目也有将泵布置在地面的框架上支撑，考虑到泵的振动，泵体本身需要严格保冷，相应泵管口配管增高需要增设操作平台等几方面因素，笔者认为将泵布置在泵井里是更优化的布置方案。

泵的非操作侧道路扩展到泵附近，吊车可直接吊装需要检修的泵，因此不需要在泵区设置固定检修设施。

(2)配管

配管方面主要考虑管路要有足够的柔性，以及在连接泵各个管口的管线上设置可拆卸法兰方便泵检修。

2.3.4 气化器及相应的辅助设施

(1)气化器

气化器有开架式气化器，管壳式气化器和浸没燃烧式气化器等型式。气化器不是动设备，有较大的可靠性。但它们是输送系统中最重要的设备，设置备用气化器是必须的。气化器维修将安排在外输要求为低值的时间，且每次只维修1台。

如果海水质量好，从经济性角度考虑，首选开架式气化器。气化器靠天然海水作为加热源,既可以节约能耗，对环境保护也十分有利。但其海水需用量大,在满足开架式海水气化器回水高差要求的前提下,布置中要尽可能降低开架式海水气化器的安装高度,以降低海水泵的扬程,减少动力消耗。海水排水渠紧靠气化器，经过换热后的海水可以直接排入海水排水渠，不需要另外的辅助设施。

管壳式气化器对海水质量的要求没那么高，是以丙烷为中间介质来气化LNG，可以避免因温度过低而使海水结冰影响传热效果。

浸没燃烧式气化器操作运行费用较高，正常操作应尽可能不用，只在开架式气化器或管壳式气化器以及海水泵维修时备用。另外它也可用作调峰。

气化器之间的净间距不应小于1.5m。

(2)设备布置及检修

气化器的检修主要是针对换热片。气化器非操作侧道路延展到气化器附近，检修吊车可以靠近。因此气化区不需要设置固定检修设施。

(3)配管

气化器并联布置，配管应注意入口LNG流量的分配。开架式气化器还要注意入口管线水流的均匀分布。

每台气化器液化天然气入口管线上都设置了流量调节阀和紧急切断阀，天然气出口管线上也设置了紧急切断阀。这些紧急切断阀与气化器的距离不应小于15m。

2.4 液化天然气槽车装车区

2.4.1 装车区布置

液化天然气槽车装车区宜位于接收站边缘或接收站外，应避开人员集中活动场所、明火或散发火花的地点及厂区主要人流出入口布置。

汽车槽车装车站周围宜设围墙或围栏独立成区，以便槽车不进入接收站工艺设施就能直接从站外到达LNG汽车装车位置，有利于整个LNG接收站的人员和安全管理。

装车鹤位到储罐、控制室、办公室、维修间等重要设施的距离不应小于15m。装车车位宜采用通过式，当受到场地条件限制时，亦可采用旁靠式；装车鹤位之间的距离不应小于4m。装车台处应设遮阳(雨)罩棚。

槽车装车区没有重型检修件，因此不设固定检修吊装设施。

2.4.2 配管

液化天然气和蒸发气总管上设置了紧急切断阀，紧急切断阀与装车臂的距离不应小于10m。

槽车装车区每个装车撬都设置了水幕保护，配管布置时注意综合考虑雨淋阀的安全间距和就近保护，以及消防水管在管廊上的荷载。

2.5 火炬系统

接收站火炬可采用高架火炬或地面火炬，具体根据项目情况选用。火炬宜位于生产设施全年最小频率风向的下风侧，火炬的防火间距应符合《石油天然气工程设计防火规范》GB50183的有关规定。

在正常操作情况下，火炬筒和火炬分液罐很少维修，但根据相关规范应定期进行检查。在检查维护期间，火炬筒和火炬分液罐间应隔离，以确保接收站的安全。火炬维修期间，放空气体皆排入到蒸发气总管。当BOG总管发生超压时，可通过LNG储罐上安装的安全阀排至大气。因此，火炬和火炬分液罐无须设置备用。

火炬与其它设备设施之间要严格按防火间距要求，远离码头、罐区和工艺设备。火炬分液罐远离火炬布置，既是考虑到安全距离的要求，也是尽量让排往火炬的介质完全气化，因此这一段的管线是用人身防护的绝热形式。LNG项目中的人身防护除了较薄的保冷层这种方式外，还使用了铁丝网在管道外包一圈的形式(这样让管道完全暴露在环境温度中，确保介质的完全气化)。

2.6 配管一般问题

2.6.1 管道系统备用和布置原则

LNG工艺管道有长时间安全使用记录，安装单根总管是完全可靠的，因此，一般接收站仅设有单根总管，其规格尺寸按现在和预期增加的输送能力综合考虑，并在总管上留有将来扩建所需的支管接点。

多层管廊的管道布置，层间距不宜小于2m。低温管道布置在下层，公用工程管道和消防管道应布置在上层。

LNG管道布置在满足管道柔性下应使管道短，弯头数量少，且应减少“液袋”。

宜避免用波纹膨胀节，并应特别注意小支管连接避免薄壁主管破裂或屈曲。

管道应尽量采用地面上露天敷设，不宜采用管沟敷设，以免可燃气体积聚。

2.6.2 阀门安装

(1)正常情况下，工艺介质安全阀应无绝热地安装。

(2)LNG介质为避免泄漏，大多数阀门都采用了焊接连接的方式。

(3)因为工况和安装位置的不同，LNG介质专用的球阀(结构自带泄气孔有泄气方向要求)和蝶阀(三偏心结构在不同工况下的安装方向要求)安装又有正反两种方向的要求，因此在设计和安装中要认真核查球阀和蝶阀的方向，避免在施工安装后再切割下来重新安装。蝶阀安装方向不正确，可能导致关不严或者开启延时。球阀安装方向不正确，可能导致密闭空间气体集聚发生爆炸，所以整个LNG项目，对于阀门安装方向，务必逐一核查。阀门安装情况见图1。

图1 阀门安装简图

2.6.3 阀杆方向

介质为LNG的阀门，因为应用了填料密封的加长阀帽阀，宜安装在水平管段上，并且阀杆垂直向上，以防结冰引起泄漏或误动作。

2.6.4 螺栓

对于螺栓的安装要有足够的抽出空间，尤其在阀门直接连接在设备管口，阀门附近安装有管架，或布置有几个阀门的地方。为了拆卸螺栓时不破坏管道上的保冷层，LNG管道上的法兰不宜与弯头、三通或大小头直接焊接。

2.6.5 绝热

LNG项目主要有LNG和NG两种低温工艺介质，从经济角度考虑，要求减少LNG的气化，因此主要工艺管线的保温要求很高。所以从LNG管线上接出的压力释放和氮气吹扫支管在根部必须有足够长度的保冷直管段后，才能进行工艺要求的配管，以防止这些管线带来的冷损失(而且这些小直径的支管应该尽量靠近固定支架或导向支架，甚至可以在主管上做支撑，以免它们与主管间不同的移动损坏这些支管)。

在绝热类型为防噪音的管道上接支管时，至少保证在支管根部有不短于150mm长的防噪音直管段。如果没有足够直管段(例如该等级可以用焊接管座直接焊法兰)，仍然需要在根部有150mm长的管段防噪音。

2.7 泄漏收集

(1)码头，储罐(罐顶考虑设置集液盘)，装车和工艺区需要根据LNG的泄漏量设置导液管/导液沟和相应大小的LNG收集池，并且收集池与工艺设备之间必须保持足够的距离。

(2)泄漏收集系统应由收集、导液和集液三部分构成。导液沟和集液池应为开敞式设计。

(3)LNG集液池应配泡沫发生器，并按主导风向将其隔开布置，使其安装位置便于主导风向能将泡沫吹向集液池，覆盖收集来的LNG液体。

(4)针对溢流出来的LNG的低温特点,导液沟和集液池需做防冻处理。