LNG加壓氣化調(diào)峰站運行實踐的研究

摘 要

摘要：結(jié)合實際的LNG加壓氣化調(diào)峰站的生產(chǎn)運行實踐，論述了LNG加壓氣化調(diào)峰站的工藝流程、低溫?zé)N泵及高壓空溫式氣化器的配置與運行中存在的問題，分析了5種安全事故，提出了防范措
摘要：結(jié)合實際的LNG加壓氣化調(diào)峰站的生產(chǎn)運行實踐，論述了LNG加壓氣化調(diào)峰站的工藝流程、低溫?zé)N泵及高壓空溫式氣化器的配置與運行中存在的問題，分析了5種安全事故，提出了防范措施。
關(guān)鍵詞：LNG氣化站；加壓氣化；調(diào)峰
Research on Operation Practice of LNG Pressure Vaporizing and Peak-shaving Station
ZHAO Yuan-wei，YANG Guang
Abstract：Combined with the operation practice of LNG pressure vaporizing and peak-shaving station，the technological process of the station，the configuration of low-temperature hydrocarbon pump and high-pressure air-heated vaporizer and the problems existing in the operation are discussed. Five kinds of safety accidents are analyzed，and the prevention measures are put forward.
Key words：LNG vaporizing station；pressure vaporization；peak-shaving
   深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)所屬的梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站位于福田梅林坳一路深圳市燃?xì)饣貎?nèi)，總占地面積為19640m2，它主要擔(dān)負(fù)著深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)天然氣安全應(yīng)急和小時調(diào)峰任務(wù)，平均小時氣化能力為4×104m3/h，最大小時氣化能力為6×104m3/h，日供氣規(guī)模為30.83×104m3/d。
1 LNG加壓氣化調(diào)峰站工藝[1]
    LNG由LNG槽車通過公路運輸至LNG加壓氣化調(diào)峰站，在卸車臺利用卸車增壓器對LNG槽車增壓，由靜壓差將LNG送至LNG立式儲罐。調(diào)峰供氣時，立式儲罐中的LNG利用靜壓差進(jìn)入低溫泵，加壓至高壓或次高壓，進(jìn)入氣化器氣化，再經(jīng)復(fù)熱、調(diào)壓、計量、加臭后進(jìn)入城市次高壓管網(wǎng)。BOG為罐頂蒸發(fā)氣和日常操作過程中的可回收氣態(tài)天然氣，通過BOG加熱器加熱后經(jīng)調(diào)壓、計量、加臭后送入中壓管網(wǎng)。EAG為緊急放空氣，通過EAG加熱器加熱后送至放空管集中放散。LNG加壓氣化調(diào)峰站工藝流程見圖1。
 

2 核心設(shè)備配置及運行管理
梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站分為5個功能區(qū)域低溫儲罐區(qū)、氣化區(qū)、復(fù)熱區(qū)、調(diào)壓計量區(qū)、卸車區(qū)、輔助區(qū)。低溫儲罐區(qū)設(shè)置6臺低溫儲罐，每臺低溫儲罐容積為150m3；配置6臺低溫?zé)N泵，采用美國ACD浸潤型離心泵，配置方式為1臺泵對應(yīng)1臺儲罐，泵在儲罐外單獨設(shè)立；氣化區(qū)設(shè)有12臺空溫式高壓氣化器，分3組，每組4臺，每臺氣化器設(shè)計氣化量為5000m3/h，實現(xiàn)2主1輔同時在線模式；復(fù)熱區(qū)設(shè)有1臺水浴式復(fù)熱器，設(shè)計流量為6×104m3/h，與主氣化器串聯(lián)使用；調(diào)壓計量區(qū)設(shè)有調(diào)壓計量橇、BOG加熱器、EAG加熱器，實現(xiàn)調(diào)壓、計量、加臭及BOG、EAG的日常排放功能；卸車區(qū)設(shè)有3個卸車臺、1臺100t地磅以及槽車回車場。其中，低溫?zé)N泵及高壓空溫式氣化器為梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站核心設(shè)備。
2.1 低溫?zé)N泵
    梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站采用美國TC-34 ACD浸潤型離心泵，這種全浸潤型的泵優(yōu)于一般的立式泵，泵和電機(jī)完全浸沒于LNG中，運行可靠，起動迅速，必需氣蝕余量很低。另外，全浸潤型的泵采用干膜潤滑，沒有傳動軸的密封問題，不會有LNG因密封不嚴(yán)而泄漏。而一般的立式泵，采用惰性氣體密封，在惰性氣體壓力不足時，會造成傳動軸處LNG泄漏，影響運行及站區(qū)安全。
    鑒于梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站是深圳市第一個城市燃?xì)釲NG調(diào)峰站，擔(dān)負(fù)城市應(yīng)急供氣功能，站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備選型突出應(yīng)急保障能力，根據(jù)安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較結(jié)果，采用6臺泵的方案，即單臺儲罐對應(yīng)單臺泵，4開2備。泵型采用全浸潤型變頻調(diào)速低溫泵，其優(yōu)點是應(yīng)急供氣安全性高，調(diào)峰供氣靈活，調(diào)峰范圍寬，可有效地避免大泵模式下烴泵的頻繁起停；缺點是烴泵間的水力平衡及實際運行操作復(fù)雜。為有效解決多臺烴泵間的水力平衡問題，在設(shè)計階段，廠站工藝在設(shè)備布局和工藝配管上采取了嚴(yán)格的對稱設(shè)置，烴泵出口設(shè)置控制閥；在實際運行階段，運行操作中控制調(diào)整不同位置烴泵起動順序和烴泵流量。對操作復(fù)雜可能帶來的誤操作，通過建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)險評估體系和嚴(yán)格的安全管理監(jiān)督體系，實現(xiàn)廠站所有操作的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，降低誤操作等不安全行為的發(fā)生概率[2]。
2.2 高壓空溫式氣化器
    梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站采用美國高壓空溫式氣化器，單臺氣化能力為5000m3/h，氣化器的主要翅片管采用12翅片結(jié)構(gòu)。
    由于氣化器帶液運行和空溫復(fù)熱時，溫度應(yīng)力的交替影響易產(chǎn)生疲勞斷裂，因此，大氣化量空溫式氣化器必須考慮溫度應(yīng)力消除措施。梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站氣化器采用了單行程結(jié)構(gòu)，有效地避免了多行程氣化器不同翅片的溫度應(yīng)力。
    實際運行中發(fā)現(xiàn)梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站的空溫式氣化器在運行中存在以下不足之處：
    ① 梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站所采用的高壓空溫式氣化器與其他強(qiáng)制氣化式氣化器相比，突出特點是運行成本低，但在實際運行過程中遇到氣化器實際氣化量不能達(dá)到設(shè)計氣化量的問題。因此，出現(xiàn)氣化器工作切換時間大大縮短的情況(原設(shè)計在滿足出口溫度條件下，夏季運行8h后切換、冬季運行6h后切換)，運行過程中只能人為切換，氣化器在原設(shè)計切換時間內(nèi)難以滿足設(shè)計出口溫度要求。通過與氣化器設(shè)備廠家多次探討，對問題的分析如下：
    a. 氣化器設(shè)備廠家對LNG介質(zhì)特點考慮不足。
    b. 氣化器設(shè)計時為減小氣化器本身的溫度應(yīng)力采取了單行程結(jié)構(gòu)，但可能未充分考慮液體流態(tài)問題，經(jīng)過加壓的液體在氣化器中流速過快，造成低溫液體加熱時間過短。
    c. 工藝設(shè)計考慮烴泵、氣化器匹配問題不足，烴泵出液為氣液混流，工藝管道布置從烴泵出口到氣化器進(jìn)口采取了3種規(guī)格的管徑，且管件較多，影響了低溫液體流態(tài)。
    為改善氣化器工作狀況，計劃加大氣化器前后壓差，改善管內(nèi)流體狀況，減小設(shè)備內(nèi)液體流速。但由于實際工藝限制，通過減小氣化器進(jìn)口閥開度來加大設(shè)備前后壓差的效果并不明顯。
    ② 高壓空溫式氣化器運行時由于氣化器低溫造成周圍空氣產(chǎn)生大量霧氣，一定程度地影響了操作員工的正常操作。氣化器工作期間冷量較大，氣化器基礎(chǔ)施工未考慮防凍問題，其基礎(chǔ)在投產(chǎn)半年后砼粉化嚴(yán)重；氣化區(qū)后常溫管道由于溫差變化較大造成漆面脫落嚴(yán)重。因此，后期重新對氣化器基礎(chǔ)進(jìn)行了防凍處理，效果較好。下一步將針對氣化器運行時產(chǎn)生的霧氣采取有效的回收或有組織排放措施。
3 安全事故分析及防范措施[2～5]
3.1 LNG分層及翻滾
    不同組成的LNG混裝或LNG長期儲存可造成LNG組成和密度發(fā)生改變，這主要與LNG中的氮含量密切相關(guān)。由于液體密度差可能形成兩個相對穩(wěn)定的液面層，當(dāng)外界熱量傳入罐內(nèi)時，兩個液相層引發(fā)傳質(zhì)和傳熱并相互混合，液層表面也開始蒸發(fā)，下層由于吸收了上層的熱量，將大量蒸發(fā)氣化。這時，往往伴隨表面蒸發(fā)率的驟增，這將給儲罐的安全運行帶來嚴(yán)重的威脅。
    因此，為了防止LNG儲罐發(fā)生分層及翻滾情況，主要的防范措施有：①采用定期內(nèi)部攪拌或輸出部分液體的方法來消除分層；②控制裝入儲罐LNG組成和密度的變化范圍；③不同產(chǎn)地、不同氣源的LNG分開儲存。
    目前梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站經(jīng)常向管網(wǎng)供氣，LNG儲存時間較短，發(fā)生LNG分層及翻滾的概率較小。但是，為了防止儲罐LNG出現(xiàn)分層及翻滾，日常運行安排供氣時，采取輪換儲罐供氣方式，防止某一個儲罐儲存時間較長。值班人員加強(qiáng)對儲罐壓力的監(jiān)控、對儲罐安全放散系統(tǒng)的維護(hù)等安全防范措施。另外，目前深圳LNG氣源來源較多，由于LNG組成不同，易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，盡量采用不混裝方式，必須混裝時，將輕質(zhì)的LNG充注到重質(zhì)LNG儲罐中時采用底部充裝方式，將重質(zhì)的LNG充注到輕質(zhì)LNG儲罐中時采用頂部充裝方式。特別對組成差異較大的氣源，儲存時間較長時，采用獨立的儲罐儲存。
3.2 間歇泉現(xiàn)象
    LNG充裝管道較長，管道閥門處會有較多的漏冷，管內(nèi)產(chǎn)生的BOG積聚到一定的壓力上升到儲罐液面，這部分BOG溫度較高，上升時與液體進(jìn)行熱交換，液體大量蒸發(fā)，使儲罐內(nèi)壓力驟然上升，有可能導(dǎo)致儲罐安全閥開啟。在管內(nèi)液體被BOG推向儲罐的同時，管內(nèi)空間被排空，罐內(nèi)液體會迅速補(bǔ)充到管內(nèi)，又重新開始BOG的積聚過程，一段時間后再次形成噴發(fā)，這種間歇式噴發(fā)稱為間歇泉。
    為了有效消除間歇泉現(xiàn)象，改善低溫管道的保冷措施效果明顯。我國早期的氣化站低溫管道采取聚氨酯Pu保冷材料，它的極限耐冷溫度只有-65℃，在LNG的運行溫度下其物理特性非常脆弱，起不到低溫管道的保冷作用。新型保冷材料三聚酯(PIR聚異三聚氰酸酯)其極限耐冷溫度為-200℃，低溫情況下物理性質(zhì)穩(wěn)定，保冷效果非常明顯。目前，國內(nèi)某些氣化站已采用真空管保冷，其保冷效果更加突出，但由于其成本較高及施工難度較大，只是在關(guān)鍵部位采用。
    梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站低溫管道保冷材料采用三聚酯材料，效果十分明顯。這也保證了低溫泵對進(jìn)口管道保冷的嚴(yán)格要求，避免低溫泵運轉(zhuǎn)過程中的氣蝕現(xiàn)象。
3.3 急冷
    急冷是管道、設(shè)備在極短時間內(nèi)降溫的現(xiàn)象，是由于LNG的超低溫和液體特征引起的。急冷的結(jié)果是低溫密封面泄漏以及低溫管道撓曲。由于在管道、設(shè)備不同材質(zhì)間溫變收縮不同導(dǎo)致密封面變形，管道的頂部和底部的溫度梯度導(dǎo)致管道撓曲等，此類現(xiàn)象可能導(dǎo)致事故。為避免類似事故產(chǎn)生，主要應(yīng)采取以下措施：
    ① 設(shè)計施工階段充分考慮LNG低溫造成的管道收縮，采取合理的補(bǔ)償方式。
    ② 運行過程中嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備預(yù)冷制度，嚴(yán)禁熱態(tài)直接進(jìn)液，特別是在烴泵高壓出液前一定要對烴泵出液管段下游管道充分預(yù)冷。
3.4 快速相變(冷爆炸)
    當(dāng)LNG大量泄漏遇到水(集液池中的雨水)的情況下，由于LNG的密度比水小，因此LNG浮在水面上。由于水與LNG之間有非常高的熱傳遞速率，水與LNG間的接觸面激烈地蒸發(fā)，使得其接觸面壓力迅速升高，發(fā)生冷爆炸。
    因此，雖然目前LNG都設(shè)置有消防水系統(tǒng)，但只能用來滅儲罐周邊火災(zāi)、降溫或水幕墻隔離以防止大量LNG擴(kuò)散。在廠站管理中如遇到儲罐區(qū)大量的LNG泄漏，嚴(yán)禁用水直接噴淋到LNG或LNG蒸氣上。日常管理中，應(yīng)加強(qiáng)員工教育，改變員工一遇到火災(zāi)或燃?xì)庑孤┚陀盟畤娏艿乃季S定勢，分清情況，在不同情況、不同地點采取不同的應(yīng)急措施。
3.5 低溫凍傷與低溫麻醉
    LNG的溫度一般在-162℃左右，在LNG站接觸LNG低溫操作或者LNG發(fā)生泄漏時，其低溫可引發(fā)人員低溫凍傷、低溫麻醉。當(dāng)人體直接接觸時，皮膚表面會粘在低溫物體表面上，皮膚及皮膚以下組織凍結(jié)，很容易撕裂，并留下傷口。LNG加壓氣化調(diào)峰站高壓運行，工藝復(fù)雜，管道設(shè)備多，操作人員接觸到低溫的可能性大增，因此，配備優(yōu)良防低溫裝備十分必要。
4 結(jié)論
    LNG加壓氣化技術(shù)在國內(nèi)還是一個新興事物，深圳市梅林LNG加壓氣化調(diào)峰站采用的加壓氣化工藝在國內(nèi)城市應(yīng)急調(diào)峰方面積累了較豐富的實踐經(jīng)驗。
    ① LNG加壓氣化調(diào)峰站設(shè)計時，低溫泵、高壓氣化器等核心設(shè)備的選型十分重要，核心設(shè)備間的匹配及整個工藝布局的合理性更是關(guān)鍵。
    ② 高壓空溫式氣化器運行時由于氣化器低溫造成周圍空氣產(chǎn)生大量霧氣，一定程度地影響了操作員工的正常操作，建議采用空溫式氣化器的氣化站在設(shè)計時應(yīng)考慮消除霧氣手段。
    ③ 在實際運行中，技術(shù)人員和操作員工必須熟悉各設(shè)備的特點，掌握工藝布局，熟知事故機(jī)理，采取技術(shù)手段進(jìn)行事故防范。另外，必須加強(qiáng)員工的日常培訓(xùn)和應(yīng)急預(yù)案的演練。
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(本文作者：趙原偉 楊光 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東深圳 510040)