LNG氣化站氣化裝置及基礎改造方案

徐龍春, 邢少郡, 侯立朋, 王振東

(1.安徽深燃天然氣有限公司, 安徽 合肥 230000; 2.天津昱丞高科工程設計有限公司,天津 300384; 3.河南天倫燃氣集團有限公司, 河南 鄭州 450018)

1 概述

隨著國家環保政策越來越嚴,人民生活質量不斷提高,城鎮基礎設施日趨完善,城鎮天然氣氣化率也逐年提高。根據住建部《2021年城鄉建設統計年鑒》可知,截至2021年底,我國城市和縣城天然氣用氣人口為52 874.53×104人,其中城市天然氣用氣人口為44 195.53×104人;天然氣管道長度為113.51×104km,其中城市天然氣管道長度為92.91×104km。

對于管道天然氣未覆蓋的地區,絕大部分地區采用LNG氣化站供氣。空溫式氣化器是LNG氣化站的重要設備,吸收環境中的熱量傳遞給LNG使其氣化。

實際應用中,低溫工況下星型翅片導熱管空溫式氣化器普遍存在結霜現象,尤其在冬季,空溫式氣化器(簡稱氣化器)的結霜面積約占總面積60%～ 85%。霜層在星型翅片導熱管表面沉積,增大了傳熱熱阻,減弱了傳熱效果,同時,增大了空氣流過氣化器的阻力,造成空氣流量下降,使氣化器的換熱量大大減少,嚴重時翅片導熱管會結冰。當氣化器不工作時,冰融化會產生冰水,滴落在設備基礎混凝土上。設備基礎混凝土長期被冰水侵蝕,會出現裂紋和粉化現象,給廠站運行帶來安全隱患。因此,設計單位在設計LNG氣化站時要合理選用氣化器,根據工程所在地考慮設備基礎防凍脹[1-2]及氣象條件影響。

2 待改造LNG氣化站概況

某LNG氣化站位于安徽省某市,于2018年10月投入運營,為調峰氣源(LNG價格便宜時,為主氣源),主要給城區天然氣居民、商業和工業用戶供氣。

站內設置2臺容積150 m3的LNG儲罐,設計氣化能力14 000 m3/h。站內主要設備見表1。氣化器采用星型翅片導熱管。

表1 站內主要設備

目前,該站冬季高峰時段氣化量達14 000 m3/h,氣化器工作時表面結霜嚴重,基礎已凍脹變形,周邊混凝土地面出現了粉化現象。

3 待改造LNG氣化站存在問題及原因

3.1 存在問題

在冬季運行過程中,高峰時段氣化器滿負荷工作,需開啟1臺氣化能力8 000 m3/h和1臺氣化能力6 000 m3/h 的氣化器。氣化器工作時,其周圍產生大量白霧(見圖1),彌漫整個生產區。氣化器結霜結冰情況嚴重,已導致翅片及金屬外框變形。氣化器基礎被冰水侵蝕出現裂紋、凍脹變形,周邊混凝土地面長期被冰水侵蝕出現了粉化現象,存在很大安全隱患。廠站人員在生產區操作或除霜除冰時,為防止凍傷,必須穿防護棉服,戴頭部和臉部護具。

圖1 空溫式氣化器周圍產生的大量白霧

3.2 原因分析

① 氣化器設備

從現場調研情況看,該站主要存在氣化器設備設計缺陷和選型過小兩方面原因。原氣化器存在設計缺陷,導熱管間距過小,翅片過小,不利于通風,不利于導熱管及翅片自然對流換熱。設備廠家忽略了星型翅片導熱管在結霜工況下傳熱性能的變化。設計單位設計經驗不足,氣化器設備選型過小,沒有做到盡量選擇多臺同種型號氣化器進行組合。

② 氣化器基礎

該站位于非寒冷地區,設計單位設計時,僅考慮項目所在地區氣候條件,未考慮LNG工藝流程的特殊性和項目設備氣化量,對氣化器基礎混凝土結構暴露的環境類別判斷不準確,未采取防凍措施。氣化器基礎長期被冰水侵蝕,再經凍融脹裂,勢必會出現混凝土表面開裂和粉化現象,存在安全隱患。

③ 氣象條件

因場地有限,氣化器沒有布局在當地氣象常年主導風向的迎風側,降低了氣化器的換熱效率。

4 改造方案

4.1 設備改造

由原設備廠家負責更換或改造氣化器,適當增大導熱管之間及翅片之間的間距,增加翅片面積,考慮星型翅片導熱管在結霜工況下傳熱性能的變化,使氣化器能滿足實際氣化量的需求。若更換氣化器,受場地所限,建議都更換為同型號氣化能力為8 000 m3/h的氣化器,增大氣化能力,留有余量,便于運行管理。

4.2 設備基礎改造

① 改善空氣流通,提高換熱效率

對氣化器基礎進行改造,拆除原有基礎,將條形整塊基礎改為多個柱狀基礎與氣化器底部連接,并適當增加柱狀基礎的高度,改善空氣流通,提高換熱效率。

② 采取防凍措施

氣化器基礎防凍措施有兩種方案。方案1是基礎選用抗凍等級F300(混凝土能夠承受反復凍融循環次數為300次)的混凝土,摻加外加劑,水泥、摻合料、外加劑的品種和數量、配合比及空氣含量等應通過試驗確定,并按照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規程》中混凝土抗凍試驗內容進行試驗。方案2是基礎選用P8等級的防滲透C30混凝土,基礎表面外加保溫防護措施。

方案1需通過試驗確定水泥、摻合料、外加劑的品種和數量、配合比及空氣含量,試驗時間至少28 d,而且項目周邊沒有做混凝土試件抗凍試驗的檢測機構。從改造工期方面考慮,宜選用方案2。方案2的設計要求及做法如下。

a.設備基礎設計主要要求

設備基礎采用柱狀基礎,設計等級為丙級,設計使用年限50 a。基礎采用P8等級的防滲透C30混凝土,墊層采用C15混凝土,基礎保護層厚度40 mm,鋼筋為HRB400。

b.設備基礎防凍措施

對各柱狀基礎,地坪以下30 cm至各柱墩頂部外表面采用5 cm厚巖棉貼面,外罩鋼絲網,防水防滲透砂漿罩面,再外包1 mm厚不銹鋼鋼板。鋼板間采用滿焊連接,混凝土柱頂面與設備柱腳不便外包鋼板處,采用防水抗凍膠密封。通過對設備基礎做保溫防護來防止被冰水侵蝕凍融開裂。

改造后的氣化站見圖2。

圖2 改造后的氣化站

5 結論

設備基礎設計及施工應結合LNG工藝流程,要充分考慮各種環境影響,采取有效措施。對處于氣候溫和地區的空溫式氣化器基礎,由于設備運行產生低溫及冰水環境,空溫式氣化器基礎應考慮防凍措施。