LNG接收站卸料管道專用隧道設(shè)計(jì)探討

付子航

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心

LNG接收站卸料管道專用隧道設(shè)計(jì)探討

付子航

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心

作為常規(guī)地面管架或棧橋管廊方案的替代,LNG接收站卸料管道專用隧道是一種全新的技術(shù)解決方案,具有許多獨(dú)特之處,為此,介紹了目前世界上僅有的兩條卸料管道專用隧道——美國(guó)Dominion Cove Point LNG接收站和日本東京瓦斯Ohgishima LNG接收站卸料管道專用隧道的情況,并以廣東省某地處于前期可行性研究階段的LNG項(xiàng)目為例,分析了國(guó)內(nèi)第一條LNG卸料管道專用隧道工程的內(nèi)部系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)和研究情況,提出了該類型隧道內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮的設(shè)計(jì)特點(diǎn):橫斷面的基本形狀;高等級(jí)安全性的保障;合適的操作和維護(hù)設(shè)施;連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置。該研究成果對(duì)更為廣泛的低溫管道專用隧道內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究具有借鑒和參考意義。

LNG 接收站 低溫管道 專用隧道 設(shè)計(jì)

近年來(lái),在國(guó)內(nèi)液化天然氣(LNG)接收站的研究與建設(shè)過(guò)程中,不斷遇到新的技術(shù)課題和挑戰(zhàn),其中之一,就是LNG接收站卸料管道專用隧道的特殊設(shè)計(jì)問(wèn)題。作為常規(guī)的地面管架或棧橋管廊的替代方案, LNG接收站卸料管道專用隧道內(nèi)部設(shè)置有多種類型的工藝管道和公用系統(tǒng)管道。其受限空間的特點(diǎn)、LNG的低溫特性、距離LNG接收站區(qū)較近及對(duì)高度安全性的要求,使得這種隧道內(nèi)部各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既不同于棧橋管廊和LNG接收站站區(qū)的相關(guān)設(shè)計(jì),也不同于通常的天然氣長(zhǎng)輸管道隧道內(nèi)的設(shè)計(jì)。

為此,主要從使用安全和使用功能角度探討該專用隧道的基本橫斷面設(shè)計(jì)、內(nèi)部管道布置、相關(guān)維護(hù)、安全保障方案及監(jiān)控設(shè)施等特殊問(wèn)題。

1 國(guó)外LNG接收站卸料管道專用隧道介紹

根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)和資料,在全世界諸多運(yùn)行和在建的LNG接收站中,國(guó)外LNG接收站卸料管道專用隧道僅有2條,這2條隧道的共同特點(diǎn)是卸料管道與隧道部分地通過(guò)海底并通過(guò)立管與卸船碼頭相連接,隧道采取充氮密封保護(hù)方案,設(shè)置獨(dú)立隔離的巡檢通道。

1.1 Dom in ion Cove Poin t LNG接收站卸料管道專用隧道

Dominion Cove Point LNG接收站位于美國(guó)馬里蘭州切薩皮克灣,1974年建成,1978年正式運(yùn)營(yíng)后兩年關(guān)停,于2003年7月重新運(yùn)營(yíng)[1],并于2008年開(kāi)始新增兩個(gè)16×104m3儲(chǔ)罐的建設(shè)。

該接收站位于一個(gè)自然保護(hù)區(qū),考慮到環(huán)境保護(hù)部門(mén)的要求和視覺(jué)上的協(xié)調(diào),連接碼頭與接收站儲(chǔ)罐區(qū)的LNG卸料管道放棄了傳統(tǒng)的棧橋方案,而采取了專用隧道的方案[2-3]。卸船碼頭包括2個(gè)卸船平臺(tái),可以同時(shí)卸載2艘LNG運(yùn)輸船。卸船碼頭距離接收站2 414 m,全程采用1 951 m長(zhǎng)的水下隧道(海岸線以外)和地下隧道(陸地部分)相連接。詳見(jiàn)圖1。

圖1 Cove Point LNG接收站碼頭與罐區(qū)實(shí)景圖[1]

LNG卸料管道隧道內(nèi)分為3個(gè)隔離區(qū)間,兩側(cè)空間分別布置一根32″(812.8mm)的LNG管道和一根14″(355.6 mm)的蒸發(fā)天然氣(BOG)返回管道,中間區(qū)布置公用系統(tǒng)管道、通訊儀表電纜及電力電纜,同時(shí)還用作人員巡檢通道。兩側(cè)的低溫管道空間采用充氮密封的方案[2-4]。陸地部分的地下隧道凈寬8.36 m,高5.33 m,全長(zhǎng)336 m。這部分隧道是采用加強(qiáng)混凝土箱函形式的,蓋板及四周均設(shè)置了防水層。水下隧道(海岸線以外)是由20個(gè)連續(xù)組裝、配重、螺栓連接、混凝土外澆灌的鋼板骨架內(nèi)襯構(gòu)成的,全長(zhǎng)1 615 m,凈寬8.36 m,高4.88 m[4]。

1.2 日本東京瓦斯Ohgishima LNG接收站卸料管道專用隧道

Ohgishima LNG接收站位于橫濱灣。為了整體美觀和突出海景的需要,采用了2 000 m長(zhǎng)的盾構(gòu)隧道連接接收站罐區(qū)和海上碼頭(離岸500 m)的方案[5]。其示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 Ohgishima LNG接收站卸料管道隧道示意圖[6]

該低溫管道隧道外徑8.9 m,內(nèi)徑7.2 m,隧道頂部覆土最深達(dá)到60 m。隧道橫斷面采用環(huán)形構(gòu)造,內(nèi)部分為2個(gè)相互獨(dú)立的間隔區(qū),一個(gè)是管道區(qū),另一個(gè)是人員巡檢通道。管道區(qū)內(nèi)布置有40″(1 016 mm)的LNG卸料管道、20″(508 mm)的BOG回氣管道、8″(203.2 mm)的保冷循環(huán)管道以及20″(508 mm)的LPG接收管道、10″(245 mm)的LPG回氣管道、6″(152.4 mm)的LPG循環(huán)管道,此外還有LNG/LPG排氣管道、儀表風(fēng)管道、氮?dú)夤艿篮退艿馈Ｑ矙z通道內(nèi)布置有各類電纜和可燃性氣體濃度、氧氣含量測(cè)試儀器。管道區(qū)采用充氮保護(hù)方案[6]。出于空間利用的需要,隧道內(nèi)管道區(qū)分為3層,最上面一層為L(zhǎng)PG管道層,最下面一層為20″(508 mm)和8″(203.4 mm)的LNG/BOG管道、LNG/LPG排氣管道及公用系統(tǒng)管道,中間層為最大口徑的LNG卸料管道。在隧道頂部和中間層底部安裝有3條測(cè)溫光纜,供隧道內(nèi)溫度檢測(cè)和低溫液體泄漏檢測(cè)使用。在隧道最下面一層底部安裝了8條M 1伴熱電纜。

由于該隧道整體長(zhǎng)度較長(zhǎng),在隧道中間設(shè)置了一個(gè)軸式豎井,既方便隧道內(nèi)部施工期間的強(qiáng)制通風(fēng)換氣和焊接操作排氣,也可作為運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生事故情況下的排氣通道使用。

上述2條國(guó)外LNG卸料管道專用隧道均已長(zhǎng)期運(yùn)行多年,安全記錄良好。

2 國(guó)內(nèi)LNG接收站卸料管道專用隧道設(shè)計(jì)

在國(guó)內(nèi)廣東省某地處于前期可行性研究階段的LNG項(xiàng)目遇到同樣的設(shè)計(jì)問(wèn)題,這將是國(guó)內(nèi)首條、世界第三條LNG管道專用隧道。該LNG站址距離海岸線較遠(yuǎn),由于該地區(qū)生態(tài)旅游的環(huán)境保護(hù)要求, LNG卸料管道無(wú)法考慮地面管架或棧橋管廊方案,而是采用隧道方案穿越碼頭棧橋與接收站罐區(qū)之間的山頭。卸料管道全長(zhǎng)約2 005 m,其中棧橋部分325 m,隧道部分580 m,其余部分1 100 m,隧道出口距離儲(chǔ)罐區(qū)450 m。

在該項(xiàng)目LNG低溫管道隧道研究和設(shè)計(jì)中,對(duì)以下4個(gè)主要方面進(jìn)行了較為深入的研究。

2.1 U形膨脹彎(即π型/門(mén)型補(bǔ)償器)的尺寸、數(shù)量與隧道橫斷面尺寸

隧道橫斷面尺寸與LNG卸料管道U形膨脹彎的尺寸、數(shù)量的關(guān)系如下:膨脹彎的垂臂長(zhǎng)度越小,則隧道內(nèi)LNG管道的膨脹彎數(shù)量越多,隧道橫斷面尺寸較小,低溫管道的費(fèi)用則越高,隧道工程的造價(jià)越低;反之則相反。綜合比選結(jié)果參見(jiàn)圖3。

圖3 隧道寬度與工程造價(jià)關(guān)系圖

如果采用溫差不變形的合金材料管道(36%鎳鋼管,此時(shí)膨脹彎的數(shù)量為0)時(shí),隧道寬度為5 m。此時(shí)管道本身的采辦和安裝造價(jià)非常高(據(jù)了解國(guó)外生產(chǎn)廠商僅有一家,就580 m的較短長(zhǎng)度和U形彎數(shù)量而言,綜合造價(jià)過(guò)高),而且該36%鎳鋼管的焊接非常困難。經(jīng)綜合研究后,隧道內(nèi)設(shè)置的膨脹彎垂臂寬度為8 m,膨脹彎間距為88 m,隧道內(nèi)輪廓擬采用馬蹄形斷面形式,隧道內(nèi)凈尺寸為11 m×8 m。

2.2 隧道內(nèi)采用充氮保護(hù)還是強(qiáng)制通風(fēng)的方案選擇

隧道內(nèi)充氮和強(qiáng)制通風(fēng)是可選擇的兩個(gè)基本安全保障方案,國(guó)外的兩個(gè)工程實(shí)例均是采用管道區(qū)充氮的方案。充氮保護(hù)是為了萬(wàn)一發(fā)生少量LNG或天然氣泄漏時(shí),因隧道內(nèi)幾乎不存在氧氣而阻絕燃燒或爆炸的發(fā)生。在這種條件下,隧道內(nèi)層施工應(yīng)達(dá)到盡可能高的氣密性和水密性。而考慮到進(jìn)入充氮環(huán)境下操作和維護(hù)的困難性,為了減少防腐刷漆維護(hù)的必要性和次數(shù),隧道內(nèi)的其他管道和管廊架均應(yīng)采用不銹鋼材料。可以看出,該方案對(duì)隧道自身的施工要求很高,發(fā)生泄漏情況下的維搶修工作難度也很大。

而強(qiáng)制通風(fēng)方案本質(zhì)上是稀釋泄漏的天然氣濃度以低于其燃爆下限,在工程實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行操作方面較為簡(jiǎn)單,對(duì)隧道施工的氣密性要求一般,便于隧道內(nèi)的巡檢和維修工作,而且附帶有熱量交換功能。結(jié)合現(xiàn)有隧道施工技術(shù)能力、維護(hù)便利程度及事故反應(yīng)時(shí)間等條件,通過(guò)綜合比選和專家論證,本項(xiàng)目因地制宜地采用了強(qiáng)制通風(fēng)的隧道方案,即平時(shí)用隧道頂部的射流風(fēng)扇小流量通風(fēng)、緊急情況下用棧橋側(cè)隧道入口處的大排量鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合的方案。

2.3 隧道內(nèi)空間的布置

隧道內(nèi)包括管道區(qū)域和人員通道兩大區(qū)域。其中工藝管線包括46″(1 168.4 mm)的LNG卸料管道、28″(711.2 mm)的BOG回氣管道、12″(304.8 mm)的保冷循環(huán)管道和4″(101.6 mm)的排氣(VEN T)管道,公用系統(tǒng)管道包括16″(406.4 mm)的消防海水管道及其他小口徑的氮?dú)狻x表風(fēng)、水管道及儀表電纜、電力電纜(參見(jiàn)圖4)。低溫管道均采用焊接連接,不設(shè)任何閥門(mén)或法蘭。此外,作為防冷凍保障方案,在LNG卸料管道底部的管架上,設(shè)置M 1電纜進(jìn)行電伴熱,用于隧道通風(fēng)換熱不足情況下的安全保障,其設(shè)計(jì)能力為18.0 W/m。

圖4 隧道斷面及隧道內(nèi)管道布置圖(棧橋側(cè)視圖)

在充氮方案下必須設(shè)置獨(dú)立的人員檢修通道與逃生通道,但是,如果考慮采用常規(guī)通風(fēng)與緊急強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合的保護(hù)方案,經(jīng)過(guò)有關(guān)評(píng)估,可以取消單獨(dú)隔離的逃生通道設(shè)置。

2.4 監(jiān)控與報(bào)警設(shè)施

為確保對(duì)隧道內(nèi)的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)報(bào)警,隧道內(nèi)還安裝有FGS火氣探測(cè)系統(tǒng)(FGS)、閉路電視系統(tǒng)(CCTV)、公共警報(bào)廣播系統(tǒng)(PAGA)。FGS系統(tǒng)包括感溫探測(cè)器、低溫液體泄漏探測(cè)器、火焰探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、感煙探測(cè)器和含氧度測(cè)試儀等。此外,在隧道進(jìn)出口設(shè)置門(mén)禁管理系統(tǒng),確保進(jìn)入隧道前得到正式的許可和進(jìn)入期間得到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。

3 LNG接收站卸料管道專用隧道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

LNG接收站卸料管道專用隧道內(nèi)部系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)基本功能和高等級(jí)的安全性要求時(shí),應(yīng)著重考慮其下述幾個(gè)基本特征:相對(duì)密閉(受限空間)、易燃易爆介質(zhì)、低溫特性和位置距離接收站罐區(qū)較近等。隧道內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜,如本例LNG項(xiàng)目的卸料管道隧道采取了強(qiáng)制通風(fēng)的方案,不再要求設(shè)置隔離的獨(dú)立人行通道空間,而國(guó)外的兩條隧道受條件限制采用強(qiáng)制通風(fēng)方案是不合適的。一般來(lái)說(shuō),低溫管道隧道設(shè)計(jì)需要考慮下述4個(gè)特殊問(wèn)題,也即相應(yīng)此類低溫管道隧道內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn):

3.1 橫斷面的基本形狀

影響隧道橫斷面形狀的首要因素是隧道內(nèi)管道的布置要求,包括LNG卸料管道、BOG回氣管道、放空(VEN T)管道、相關(guān)公用管道和電(光)纜等。起決定性作用的是最大口徑的LNG管道U形膨脹彎的數(shù)量和膨脹彎的寬度,該兩項(xiàng)參數(shù)應(yīng)與隧道橫斷面進(jìn)行共同優(yōu)化,以滿足綜合工程造價(jià)最低的要求。其他影響因素還包括監(jiān)控設(shè)施的安裝空間、巡邏通道的設(shè)置要求等。

3.2 高等級(jí)安全性的保障

在受限(密閉)空間里布置有各種LNG/天然氣管道有可能形成易燃易爆氣體的混合物,而出于操作和維護(hù)的需要,應(yīng)格外強(qiáng)調(diào)人員的安全性。因此,安全性設(shè)計(jì)應(yīng)在杜絕LNG管道發(fā)生泄漏、盡快地檢測(cè)到微量LNG/天然氣的泄漏及防止隧道內(nèi)積聚形成可燃?xì)怏w混合物3個(gè)層面進(jìn)行考慮。其基本措施應(yīng)因地制宜地在隧道內(nèi)充氮密封和強(qiáng)制通風(fēng)2種方案中進(jìn)行選擇。另外,應(yīng)著重研究是否需要單獨(dú)設(shè)置隔離的人員通道。

3.3 合適的操作和維護(hù)設(shè)施

考慮到隧道及隧道內(nèi)管線應(yīng)滿足LNG接收站設(shè)計(jì)壽命的需要,隧道橫斷面的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足巡檢、維修等維護(hù)性工作的要求,而且應(yīng)盡可能采用免維護(hù)的材料和結(jié)構(gòu)。由于隧道內(nèi)低溫管道與周圍環(huán)境持續(xù)換熱可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)冰等問(wèn)題,尤其當(dāng)LNG或天然氣管道的保溫層溫度低至0℃時(shí)會(huì)因管道的收縮而發(fā)生損壞,而且隧道地表面形成冷凍層后可能會(huì)對(duì)隧道自身的結(jié)構(gòu)性能造成破壞,因此應(yīng)采取措施盡可能地降低隧道內(nèi)的濕度,并考慮安裝加熱設(shè)施。

3.4 連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置

為了確保隧道內(nèi)各種設(shè)施能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行,應(yīng)對(duì)隧道內(nèi)部各種設(shè)施進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控。

4 結(jié)論

通過(guò)介紹國(guó)外LNG卸料管道專用隧道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況,較為詳細(xì)地分析和探討了國(guó)內(nèi)首條LNG卸料管道專用隧道內(nèi)部系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的情況,總結(jié)了該類型隧道內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的特點(diǎn),為國(guó)內(nèi)其他LNG管道專用隧道的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了參照和范例,也為國(guó)內(nèi)其他類型的低溫管道專用隧道的研究提供了有益的借鑒作用。

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A discussion on the design of LNG unloading piping tunnel at LNG receiving term inals

Fu Zihang
(CNOOC Gas&Pow er Group,Beijing 100027,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.89-92,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

A s an alternative scheme for pipe-rackso r trench on the ground,the LNG unloading pipeline tunnelw ith many unique features is a brand-new solution during the construction of a LNG receiving terminal.This paper hereby introduces two LNG unloading pipeline tunnels -Dominion Cove Point LNG Receiving Terminal in the USA and Ohgishima LNG Terminal in Tokyo,Japan - only two of this kind in thewo rld.The paper also introduces the relevant research and design of the inner system of the Chinese first LNG unloading piping tunnel in a LNG terminal of Guangdong,w hich is still in front-end feasibility study.Finally,this paper brings forward four special points necessary to be emphasized,including the basic configuration of transect,high-grade security control,rea-sonable operation and maintenance p revention,the setting of continuousmonito ring system.This paper w ill contribute to the study and design of the inner systems of cryogenic pipeline tunnels.

LNG,receiving terminal,cryogenic pipeline,special tunnel,design

付子航.LNG接收站卸料管道專用隧道設(shè)計(jì)探討.天然氣工業(yè),2010,30(1):89-92.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.026

付子航,1979年生,工程師,碩士;主要從事LNG項(xiàng)目工程建設(shè)和技術(shù)研發(fā)工作。地址:(100027)北京市朝陽(yáng)區(qū)東三環(huán)北路甲2號(hào)京信大廈2846室。電話:(010)84522951,13718557712。E-mail:fuzh@cnooc.com.cn

(修改回稿日期 2009-11-12 編輯 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.026

Fu Zihang,engineer,was bo rn in 1979.He holds an M.Sc.degree,being engaged in LNG engineering construction and technical research.

Add:Room 2846,Jingxin Building,No.Jia 2,No rth(East 3rd)Dongsan Circle Rd.,Chaoyang District,Beijing 100027,P.R.China

Tel:+86-10-8452 2951Mobile:+86-13718557712E-mail:fuzh@cnooc.com.cn