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LNG气化站的工艺设计

时间:2011-07-06


LNG 气化站的工艺设计
大 | 中 | 小 2007/10/29 12:26 sjclng

LNG 气化站的工艺设计---论文作者:李佩铭

焦文玲

摘要: 摘要:论述了液化天然气气化站的工艺流程,针对 LNG 气化站主要设备的工艺 设计问题作了主要探讨,并介绍了 LNG 气化站的安全设计。 关键词: 关键词:LNG 气化站;工艺流程;工艺设计 Technological Design of LNG Vaporizing Station LI Pei-ming, JIAO Wen-ling , (School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China) Abstract: The article introduces technological flow of LNG vaporizing station, mainly discusses technological design on the main facilities of LNG vaporizing station and introduces safe design in LNG vaporizing station. Key words: LNG vaporizing station;process flow;technological design 0 引言 液化天然气(LNG)[1]是将天然气经过脱水、脱重烃、脱酸性气体等净化处理后, 采用节流、膨胀或外加冷源制冷工艺,在常压和-162℃条件下液化而成。液化天 然气无味、无色、无毒、无腐蚀性,体积约是常压下气态天然气体积的 1/600。 LNG 因具有运输效率高、用途广、供气设施造价低、见效快、方式灵活等特点, 目前已经成为无法使用管输天然气供气城市的主要气源或过渡气源, 同时也成为 许多使用管输天然气供气城市的补充气源或调峰、 应急气源。 作为城市利用 LNG 的主要设施,LNG 气化站[1-4]凭借其建设周期短、能方便及时的满足市场用气需 求的特点,已成为我国东南沿海众多经济较发达、但能源紧缺地区的永久供气设 施或管输天然气到达前的过渡供气设施。 1 LNG 气化站的工艺流程[3] 液化天然气由低温槽车运至气化站,利用槽车自带的增压器给槽车储罐增压,利 用压差将 LNG 送入 LNG 储罐,进行卸车。通过储罐增压器将 LNG 增压,进入空 温式气化器,LNG 吸热气化发生相变,成为天然气。当天然气在空温式气化器出 口温度较低时,需要经水浴式加热器气化并调压、计量、加臭后送入城市高(中) 压管网。图 1 为送入城市中压管网的空温式 LNG 气化站工艺流程图。

2 LNG 气化站的工艺设计 LNG 气化站的工艺设备及装置主要有 LNG 储罐、BOG 储罐、LNG 气化器及增压 器、调压、计量与加臭装置、阀门与管材管件等。 2.1 LNG 储罐的设计[3-5] 2.1.1 LNG 储罐形式的确定 储罐形式的确定[6]考虑储存规模、设备投资、建造周期、占地面积等综合因素。 目前,国内外常用的 LNG 低温储槽有常压储存、子母罐带压储存及单罐带压储 存 3 种方式[6]。常压罐投资最省,占地面积小,维护方便,运行费用低,但保温 性能较差, 排液需要低温泵, 运行费用稍高, 施工周期稍长。 子母罐运行费用低, 操作简单, 而保温性能较单罐差, 绝热材料使用量多, 占地面积较大, 投资最大。 单罐施工周期较短,投资居中,运行费用低,操作简单,保温效果好,可靠,技 术成熟,但运输较麻烦,占地面积大,管路和阀门多。 LNG 供气站采用何种储罐方式, 主要取决于其储存量[4]。 储存量在 1200~5000m3 可采用子母罐带压储存和常压储槽储存, 子母罐的单罐容积一般在 600~ 1750m3。储存量在 1200m3 以下的城市 LNG 气化站,基本都采用真空罐带压储 存。受运输和整体吊装条件的限制,单罐容积多采用 100m3,个别站用 50m3。 2.1.2 设计压力与计算压力的确定 目前,绝大部分 100m3 立式 LNG 储罐的最高工作压力为 0.8MPa。按照 GB150—1998《钢制压力容器》的规定,当储罐的最高工作压力为 0.8MPa 时, 可取设计压力为 0.84MPa。 考虑到储罐的充装系数、 液柱净压力和内外罐间的高 真空,内罐的计算压力[6]般取为 1.01MPa.外罐的主要作用是以吊挂式或支撑式 固定内罐与绝热材料,同时与内罐形成高真空绝热层。作用在外罐上的荷载主要 为内罐和介质的重力荷载以及绝热层的真空负压。外罐为外压容器,设计压力[3] 一般取为-0.1MPa。 2.1.3 100m3LNG 储罐的选材、接管设计及液位测量装置设计[3-8] 正常操作时,LNG 储罐工作温度为-162.3℃,第一次投用前要用-196℃的液氮对 储罐进行预冷,取储罐的设计温度为-196℃。内罐既要承受介质的工作压力,又 要承受 LNG 的低温,内罐材料必须具有良好的低温综合机械性能,故采用 0Cr18Ni9(相当于 ASME 标准的 304)。据内罐的计算压力和所选材料,内罐的计 算厚度和设计厚度分别为 11.1mm 和 12mm.作为常温外压容器,外罐材料选用 16MnR,设计厚度为 10mm。 开设在储罐内罐上的接管口有上进液口、下进液口、出液口、气相口、测满口、

上液位计口、下液位计口、工艺人孔等 8 个接管口。为便于定期测量真空度和抽 真空,在外罐下封头上开设有抽真空口(抽完真空后该管口被封结)。为防止真空 失效和内罐介质漏入外罐, 在外罐上封头设置有防爆装置。 为防止储罐内 LNG 充装过量或运行中罐内 LNG 太少危及储罐和工艺系统安全, 在储罐上分别设置测满口与差压式液位计两套独立液位测量装置[8], 其灵敏度与 可靠性对 LNG 储罐的安全至关重要。在向储罐充装 LNG 时,通过差压式液位计 所显示的静压力读数, 可从静压力与充装质量对照表上直观方便地读出罐内 LNG 的液面高度、体积和质量。当达到充装上限时,LNG 液体会从测满口溢出,提醒 操作人员手动切断进料。储罐自控系统还设有高限报警(充装量为罐容的 85%)、 紧急切断(充装量为罐容的 95%)、低限报警(剩余 LNG 量为罐容的 10%)。 2.2 BOG 缓冲罐的设计 对于调峰型 LNG 气化站,为了回收非调峰期接卸槽车的余气和储罐中的 BOG(Boil Off Gas,蒸发气体),或对于天然气混气站为了均匀混气,常在 BOG 加热器的出口增设 BOG 缓冲罐,其容量按回收槽车余气量设置。 2.3 增压器的设计 当储罐内的低温液体向外排出时,储罐内的压力会逐渐下降。为了保持储罐内的 压力稳定,必须对储罐进行增压。低温容器的增压系统主要有低温泵增压系统、 外部气源增压系统和自增压系统。低温泵增压系统是在排液口设置低温泵,利用 泵的机械功使低温液体增压,并向气化器输液。但低温泵要求外部安装条件比较 严格,不适于小型供气系统。外部气源增压系统是利用外来的气源实现增压和排 液过程,但需要额外的 CNG 储罐和高压天然气。自增压系统是目前各种低温储 罐最常用的增压系统,是将部分的 LNG 排出储罐,经气化器气化后,再返回至 储罐的气相空间,从而达到储罐增压的目的。 2.4 气化器的设计 LNG 的气化应满足当地的气候条件及工艺要求,可选用的气化器[10]有加热式气 化器和环境式气化器。加热式气化器的气化热源为蒸汽或热水等。现通常采用的 加热式气化器是水浴式气化器。环境式气化器采用自然环境的热源,如大气、海 水或地热水。 现通常采用的环境式气化器是空温式气化器。 空温式气化器是 LNG 供气站向城市用户供气的主要气化设施。冬季环境温度较低时,即当空温式气化 器出口天然气温度低于 5℃时,则需要在空温式气化器后串联加热式气化器加热 天然气。 空温式气化器的优点是运行成本低,缺点是气化器体积大、投资高、在冬季和雨 天气化器出口温度较低。水浴式气化器的优点是气化器体积小、投资较低、气化 器出口温度稳定,缺点是运行费用很高,1 台水浴式气化器的年运行费用可购买 1 台空温式气化器。 所以, 除东北等少数寒冷地区外, 基本都采用空温式气化 LNG 流程。为了防止冬季和雨天空温式气化器出口天然气的温度低,损坏后续的管道 并加大供销差, 在空温式气化器的出口常串接 1 台水浴式加热器。 空温式气化器 和加热式气化器的选型,应根据高峰小时用气量和气化器的气化能力来确定。 2.5 调压计量与加臭装置设计[10] 根据 LNG 供气站的规模选择调压装置。通常设置 2 路调压装置,选用带指挥器、 超压切断的自力式调压器。计量采用涡轮流量计,加臭剂采用四氢噻吩,加臭以 隔膜式计量泵为动力,根据流量信号将臭味剂注入天然气管道中。 2.6 阀门与管道管件选型设计[3-6] 2.6.1 阀门选型设计

工艺系统阀门应满足输送 LNG 的压力和流量要求,同时必须具备耐-196℃的低 温性能。常用的 LNG 阀门主要有:增压调节阀、减压调节阀、紧急切断阀、低温 截止阀、安全阀、止回阀等。其中增压调节阀、减压调节阀、紧急切断阀宜采用 进口,其余可采用国产阀门。阀门材料为 0Cr18Ni9。 2.6.2 管道管件法兰选型设计 (1)介质温度小于或等于-20℃的管道采用输送流体用不锈钢无缝钢 (GB/T149762002),材质为 0Cr18Ni9。管件均采用材质为 0Cr18Ni9 的无缝冲压 管件(GB/T1245290)。法兰采用凹凸面长颈对焊钢制管法兰(HG20592297),材 质为 0Cr18Ni9;法兰密封垫片采用金属缠绕式垫片(0Cr18Ni9)。 (2)介质温度大于-20℃的工艺管道,当管径小于或等于 DN200 时,采用输送流 体用无缝钢管(GB/T8163),材质为 20 号钢;当管径大于 DN200 时采用 ERW(高 频直缝电阻焊)焊接钢管[11](GB/T30412001),材质为 Q235B。管件均采用 20 号 钢无缝冲压管件(GB/T12459290)。法兰采用 20 号钢突面带颈对焊钢制管法兰 (HG20592297)。法兰密封垫片采用柔性石墨复合垫片(HG20629297)。 LNG 工艺管道安装除必要的法兰连接外, 均采用焊接连接。 低温工艺管道用聚胺 脂管托和复合聚乙烯管壳进行绝热。碳钢工艺管道作防腐处理。 2.6.3 防止冷收缩设计 用作 LNG 管道的奥氏体不锈钢虽具有优异的低温机械性能,但冷收缩率高达 3‰[9]。站区 LNG 管路在常温下安装,在低温下运行,前后温差高达 180℃,存 在着较大的冷收缩量和温差应力,通常采用“门形”补偿装置对工艺管道进行冷收 缩补偿。 3 LNG 气化站的安全设计 对于 LNG 的气化供应环节,主要考虑的是安全问题,所以工程设计和 LNG 气化 站运行的安全就是防止天然气泄漏、消除可能导致燃烧的因素以及满足 LNG 设 备的防火及消防要求。为了防止低温 LNG 设备超压,引起超压排放和爆炸,在 装置中还应设有 BOG 系统、放散系统和氮气吹扫系统等[9]。另外,由于 LNG 的 低温特性,操作人员应做好必要的防护。 安全设计需要相关规定的限制,我国应该尽快颁布 LNG 设计规范,以指导 LNG 应用领域的设计、 施工安装和运行管理。 LNG 气化器的选型必须考虑供气站所在 地域的环境气温,对东北等寒冷地区,应采用水浴式和空温式气化器并联运行方 式气化 LNG。LNG 储罐的工作压力、设计压力、计算压力分别有不同的定义和 特定用途,不能将计算压力误作为设计压力标注于 LNG 储罐铭牌上,这将导致 储罐安全阀的开启压力设定过高而危及储罐安全。 4 结束语 作为当今城市燃气的重要来源,LNG 的发展方兴未艾。LNG 的气化工艺技术成 熟,安全可靠,气化后为那些远离天然气输气管道或暂时无法建设输气支线的中 小城镇提供了气源保证。今后,LNG 气化站的发展将为更多的城镇带来便利,大 力发展 LNG 事业成为当今能源发展的重点之一。


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