LNG接收站火炬管網系統設計比較

仇德朋徐國鋒 鹿曉斌 陳景生 曲順利

中海油山東化學工程有限責任公司 濟南250101

1 LNG接收站簡述

1.1 LNG資源［1］

液化天然氣(LNG)是一種特殊商品。該產業技術含量高，投資大，聯系緊密，合同關系復雜，具有顯著的鏈系特征，通常稱為LNG產業鏈。該產業鏈包括上游氣田開發、天然氣液化、LNG運輸、LNG接收站和輸氣管線及各燃氣用戶等環節，環環相扣，緊密相連。

上游氣田開發、天然氣液化工廠的建設時間長、投資大。從LNG接收站到各燃氣用戶，涉及到國民經濟的許多領域，與國計民生息息相關，建設投資也十分龐大，而且LNG的供應也有較嚴格的要求，不允許天然氣供應有任何一次意外的中斷。因此，LNG產業鏈的各個環節都必須安全、可靠、緊密、穩定地運行。

1.2 LNG接收站［2］

接收站的功能是接卸由LNG船舶運來的LNG并儲存在LNG儲罐內，再經高壓泵加壓氣化后通過輸氣管線外輸或直接利用低壓泵將LNG通過槽車外運，供下游用戶使用。

目前LNG接收站技術已相當成熟，LNG接收站設計將充分考慮工藝技術的先進性和可靠性，確保長期穩定、安全可靠的向下游供氣。LNG接收站主要由以下系統組成。

1.2.1 卸船系統(低壓系統)

LNG接收站卸船工藝系統采用一根液相總管(100%能力)、一根氣相平衡總管線和一根LNG循環保冷管線的設計。無卸船時，通過LNG循環管線以小流量循環來保持卸船總管處于低溫狀態。該設計已有長時間安全、可靠運行的記錄，與雙總管設計比較，單總管可節約投資。

通常設計要求完成卸料作業的時間不超過30h，最大卸船時，三臺液體卸船臂同時工作。

1.2.2 LNG儲罐(低壓系統)

通常LNG儲罐選用安全、可靠的全容式混凝土頂儲罐(FCCR)。全容式混凝土頂儲罐的最大操作壓力比金屬頂儲罐高。在卸船操作時，可利用罐內蒸發氣自身壓力將氣體直接返回到LNG運輸船上，而無需設置返回氣風機進行加壓。

1.2.3 蒸發氣(BOG)處理(低壓系統)

蒸發氣的產生主要是由于外界能量的輸入造成，如泵運轉、外界熱量的導入。大氣壓的變化以及LNG注入儲罐時造成罐內LNG體積的變化也是產生蒸發氣的原因。在卸船操作時蒸發氣的產生量是無卸船操作時的數倍。

按照LNG接收站對蒸發氣的處理方式的不同，接收站氣化工藝分為兩種:直接輸出工藝和再冷凝工藝。兩種工藝并無本質上的區別，僅在蒸發氣體的處理上有所不同。

1.2.4 LNG高壓輸送、氣化及計量(高壓系統)

正常情況下，LNG從再冷凝器直接進LNG高壓輸送泵，加壓后輸送至高壓氣化器。高壓輸送泵通常為潛液式電動多級泵，泵與電動機整體安裝于泵筒內，泵筒相當于泵的外殼，通過進出口法蘭與外部管道連接。

高壓輸送泵是輸送系統中的重要設備，啟動臺數根據接收站的外輸氣量來確定。LNG高壓輸送泵外輸流量可通過泵出口管線即氣化器入口的流量調節閥進行控制，也可根據外輸天然氣總管的壓力變化自動控制，保證外輸天然氣總管中的壓力穩定。

1.2.5 火炬及放空系統(低壓系統)

火炬系統用于處理蒸發氣總管超壓排放的氣體，以及下游輸氣管需檢修時管道中殘留的高壓氣體。當同時發生因接收站事故需將蒸發氣排至火炬的情況和因外輸管線檢修需將殘存的高壓天然氣排火炬的情況時，應優先將蒸發氣總管中的氣體排至火炬，防止接收站蒸發氣超壓事故發生。

為防止空氣進火炬及連接火炬的總管，應連續向火炬頭通入低流量氮氣，以維持系統微正壓。

以下著重介紹火炬管網系統，主要針對國內通常采用的兩種不同的工藝進行比較，并分析各自的優缺點。

2 LNG接收站火炬系統

2.1 火炬系統作用［3］

LNG接收站的火炬系統主要由火炬管網、火炬筒體、火炬頭、火炬分液罐等組成。其中的管網系統為整個火炬系統中重要組成部分之一。管網系統的設計直接關系到火炬系統運行的穩定性、安全性，進而會間接影響到所有接入管網系統安全閥的運行情況。同時，由于火炬系統也直接與LNG儲罐相連，一旦儲罐超壓(通常設定26kPa(G))，則需要自動打開壓力調節閥，泄放的氣體就會進入火炬系統放空燃燒。如果火炬需要檢修，則需要儲罐自身調節壓力，利用調節閥可以手動或自動泄壓排放至大氣。

如果接收站外輸管網需要檢修，則需要放空外輸管道內的氣體，接收站至首站之間的封閉高壓氣體需要放空。通常首站會設置緊急放空筒，但是有些項目需要接收站的火炬系統也要能夠實現相同功能的緊急放空，利用火炬燃燒排入大氣。因此，設計火炬管網系統時需要根據項目情況酌情考慮。

綜上所述，火炬系統關系到整個接收站的安全，同時也可以作為外輸管道系統的備用緊急放空系統，其作用至關重要。

2.2 火炬系統分類［4］

按照運行壓力可以分為低壓火炬和高壓火炬。按照結構型式可分為地面火炬和高空火炬。目前LNG接收站主要采用低壓高空火炬，由于其高架式的結構，所以在設計火炬塔架結構時需要充分考慮風、地震等荷載的影響。同時需要按照API 521規范進行詳細的熱輻射影響計算。

2.3 火炬系統輔助設施［4］

除火炬系統的主要設備外，其它的一些輔助設施也會影響火炬系統的穩定運行，比如:氮氣微正壓吹掃(防止從火炬頭進入空氣而發生回火)、長明燈所需燃料氣的供應等。通常此部分設計差別不大，只是有的項目設置備用氣源，有的只是單氣源設置。

2.4 火炬管網系統［5］

火炬管網主要是匯集所有安全閥/泄放閥的出口，同時也與LNG接收站中的BOG系統相連通。根據不同的泄放工況設計火炬系統的匯總管。需要在各種組合工況下分析校正管網系統的設計，達到滿足泄放量、介質流速、噪聲等要求。

對于LNG接收站而言，火炬管網系統中可能出現氣相，也有可能出現液相。因為TSV(Thermal Safety Valve)起跳過程中可能會帶有液相，而且一旦TSV泄漏(據報道國外某接收站曾發生)，則火炬管網中會出現大量帶液。在這種情況下火炬管網的設計(增加液位監測等)就尤為重要。

LNG接收站中也存在高壓的泄放(高壓泵、高壓氣化器或者直接泄放排空、高壓計量撬等)，這些相對高壓的泄放是否足夠影響到其他低壓安全閥的泄放，都需要在管網設計中進行分析。合理安排高壓泄放與低壓泄放的距離，就能夠在相對經濟的條件下避免相互泄放造成的影響，確保整個管網的穩定運行。

在如今火炬設備成套整體供應的情況下，火炬設備制造相對成熟(火炬頭主要進口)，各個供貨商之間差別不大，那么對整個火炬系統起到關鍵作用的就是火炬管網的設計。

3 LNG接收站不同火炬管網設計分析

目前國內接收站的火炬管網系統設置主要分為兩種:火炬管網－1和火炬管網－2，具體系統分別見圖1和圖2。這兩種系統雖然目的相同，但是設計理念存在較大的差異，下面就這兩種設置進行分析。

圖1 火炬管網系統－1

圖2 火炬管網系統－2

3.1 火炬管網－1

此系統最大的特點是高壓泄放匯管與低壓泄放匯管分別設置，即圖1中的高壓泄放總管和低壓泄放總管。這種設置看似互不影響各自的泄放，但在進入火炬分液罐前，兩個泄放匯管又匯合在一起，這就需要在管網設計中考慮在匯合點處的壓力，分析是否互相產生影響。如果分別設置高低壓火炬則完全避免相互的影響，但成本高出許多。而且目前世界范圍看也無此種設置。

由于分為高低壓泄放匯管，同時每個匯管上也有其它的支匯管，每個(支)匯管的末端都設有盲法蘭。根據標準要求，需要在可能出現死角的火炬系統中設置持續的氮氣吹掃。因此，該設置需要增加多個氮氣吹掃口，氮氣消耗量相對增加。同時，由于存在眾多的(支)匯管，需要在各個(支)匯管的低點設置液位計實時監控報警(LT－Level Transmitters)，及時發現火炬管網系統中是否存在液相。

LNG接收站的火炬系統是經由火炬壓力調節閥自動打開之后泄放。根據圖1，壓力調節閥設置在火炬分液罐的上游。一旦火炬系統帶有液體泄放(火炬壓力調節閥設定26kPa(G))，兩相流體進火炬分液罐后壓力無法準確界定，無法準確設計分液罐尺寸，可能不利于液滴的分離。同時，進火炬頭燃燒的氣體可能存在回火的情況。

管網另外一個重要的特點就是ORV泄放(110%ORV處理量)進火炬管網系統，此泄放量巨大(通常約200t/h)，泄放壓力很高(14MPa(G))，對整個火炬系統設置、投資等會有很大的影響。而且，如果泄放氣體為重組分(C1約86%)，經過巨大壓降之后極有可能產生兩相流，而兩相流對于火炬管網影響也較大。這會對BOG系統火炬壓力調節閥的開啟(調節閥后背壓)產生重要影響，一旦ORV安全閥起跳，需要密切分析是否可能有氣體倒回至LNG儲罐。

這種設置的BOG壓縮機入口管道連接在火炬壓力調節閥的上游，降低了進BOG壓縮機帶液的可能性，對選用臥式BOG壓縮機的項目尤為重要。即使出現TSV泄漏的事故，也可以做到幾乎不影響BOG壓縮機的正常運行。

火炬泄放匯管與BOG系統相對獨立(正常情況下火炬壓力調節閥關閉)，一旦火炬檢維修(可能主要是火炬頭)，接收站所有的安全閥就無法正常使用，即火炬系統無法正常運行。如果項目許可，則可設置同等規模的放空筒(至放空筒)作為火炬檢維修時的備用，但是會增加投資。

此種設置要求整個火炬系統的(支)總管必須按照ORV泄放量去計算，相對而言，整個管網系統的管徑就會偏大。而在泄放量較低的工況下，其他(幾乎所有)泄放量較小安全閥的背壓都會大幅度下降，因此幾乎所有的其它安全閥都可以選擇彈簧型式，這樣每個安全閥的可靠性就能得到保證。

在本管網系統中，安全閥的排入系統與儲罐區BOG系統相互獨立(火炬壓力調節閥正常關閉)。一旦某一個泄放量較小的安全閥起跳(TSV等)，排入火炬系統的可燃氣體流量非常小、流速也很低，增加了火炬頭回火的可能性。

3.2 火炬管網－2

與火炬管網－1相比，此設計并未單獨設置高低壓泄放匯管，需要更仔細的分析核算各個安全閥之間的相互關系和影響。

由于并未設置眾多的(支)匯管，因此氮氣吹掃口僅設置一處，氮氣耗量相對較低。同時，可不考慮設置各個(支)匯管低點的液位監測。

火炬壓力調節閥設置在火炬分液罐的上游，利于分液，同時降低回火可能性。

ORV較大泄放量直接排入大氣，降低兩相流對火炬管網系統的影響，同時也不存在倒回LNG儲罐的可能。但是可能會對空氣環境產生影響。目前國內接收站此安全閥從未起跳過。

BOG壓縮機入口管道與安全閥出口匯總管共用一個總管，勢必增加BOG壓縮機入口帶液的可能性。因此需設置BOG壓縮機入口分液罐，這樣會增加投資。

火炬檢維修時，不會影響安全閥的正常運行。這種情況下，安全閥的出口匯管系統與LNG儲罐組成為一個“新系統”，完全可以利用LNG儲罐壓力調節閥(手動或自動)控制此“新系統”的壓力，而不需設置備用的放空筒。既能保證接收站在此工況下正常運行，也無新增投資。

這種管網系統下火炬的設計泄放量要降低許多(通常80t/h)，與火炬管網－1相比，此系統的管徑相對較小。但是可能會有安全閥背壓過大的情況發生，這就需要選用波紋管式或者先導式的安全閥。這樣選擇會降低安全閥的可靠性，因為畢竟彈簧式安全閥性能要比波紋管式或者先導式的安全閥更穩定可靠。

本系統中，安全閥排入系統與整個罐區的BOG系統為一個整體，互相連通。即便有小排量的安全閥起跳，也不會立刻就排往火炬燃燒，而是由火炬壓力調節閥自動控制(通常設定儲罐壓力26kPa(G)時才打開此閥)。因此，只要火炬排放就能保證有較大流量的可燃氣體通過，降低了回火的可能性，也達到了節能減排的目的。

3.3 匯總分析

根據以上分析，兩種火炬管網系統的設計分析對比見表1。

表1 兩種火炬管網系統的比較

4 結語

綜上所述，兩種火炬管網系統的設置各有優缺點?；鹁婀芫W－1的設置投資較大，可靠性較好。但只要安全閥(排量大或排量小)起跳，必定有可燃氣體排往火炬燃燒，不利于節能減排;火炬管網－2的設置投資相對較小，操作靈活，但管網設計會相對降低安全閥的可靠性(可能有些要選用非彈簧式安全閥)，同時泄放量較大的安全閥(來自ORV)一旦排入大氣，對環境會有影響，與日益重視環保的意識不相符。

兩種火炬系統的設置都可行可靠，并不是非黑即白，需要設計方及業主從多方面(安全、投資、運行、節能等)進行考慮，選擇適合自己項目要求的火炬管網系統。

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