淺談LNG接收站工藝設備布置與配管

馬 麗

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淺談LNG接收站工藝設備布置與配管

馬 麗

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中國成達工程有限公司 成都 610041

結合幾個LNG接收站設計經驗，淺談LNG接收站工藝設備布置與配管中需要考慮和注意的一些問題。

LNG接收站 工藝設備布置 配管

天然氣(NG)其主要成分由甲烷(CH4)組成。LNG則是通過讓常壓下氣態天然氣冷卻至-162℃，使之凝結成無色液體。天然氣液化后可以大幅節約儲運空間和成本，具有的優點：① 運輸靈活，天然氣液化后的體積縮小620余倍，可在公路、鐵路、船舶上高效運輸；② 供氣設施建設投資少、見效快、方式靈活；③ 用途廣，可作為車用燃料、發電燃料、化工原料；④ 氣化過程中的冷量可利用；⑤ 較安全可靠，燃點為650 ℃，氣相密度0.722kg/m3，比空氣輕，稍有泄漏即可飛散。

中國對LNG產業的發展越來越重視，國內多地都正在規劃和實施LNG項目，這些項目將最終構成一個LNG接收站和輸送管網，加入到我國“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、就近外供”四個氣源為主體的天然氣發展框架。

1 LNG接收站選址和分區

裝置的平面布置包括裝置的全廠總平面布置和裝置內設備平面布置。本文僅就后者進行討論，對前者只做一些淺述。

另外，本文的論述主要針對南方沿海地區1.6×105～2.0×105t LNG全容式混凝土頂貯罐(FCCR)項目，不考慮防風沙和防寒的影響。

1.1 接收站選址

LNG接收站的主要功能是接收、儲存和再氣化LNG，并通過管道向電廠和城市用戶供氣，通過槽車向LNG門站供氣。根據功能的選擇，LNG接收站場址應考慮的因素：① 應根據其所在地區的地形、地質、水文、氣象、交通、消防、給排水、供電、通信、可利用土地和社會生活等條件，對可供選擇的具體地址進行技術、經濟、安全、環境、征地、拆遷、管理等方面的綜合評價，選擇最優建站地址；② 應考慮LNG儲罐、易燃致冷劑儲罐、易燃液體儲罐、構筑物和工廠設備與工廠地界線，及其相互間最小凈距的規定；③ 應考慮在實際操作的極限內，工廠抗自然力的程度；④ 應考慮可能影響工廠人員或周圍公眾安全涉及具體位置的其它因素，評定這些因素時，應對可能發生的事故和在設計或操作中采取的安全措施做出整體評價；⑤ 不宜建在抗震設防烈度為8度的IV類場所地區；⑥ 宜位于臨近城鎮或居民區全年最小頻率風向的上風側；⑦應具有全天候人員疏散條件。

1.2 接收站功能分區

液化天然氣接收站總平面應按功能分區布置，可分為碼頭區、LNG罐區、工藝裝置區、槽車裝車區、火炬區、公用工程及輔助生產區、外輸計量區、冷能利用區、行政辦公及生活服務區、海水取排水區。各功能區應布置緊湊并與毗鄰功能區相協調。

本文主要討論工藝設備涉及的碼頭區、LNG罐區、工藝裝置區、槽車裝車區和火炬區。

2 LNG接收站工藝設備布置與配管

2.1 碼頭區

碼頭區一般都包括兩個部分：碼頭和棧橋。

LNG碼頭布置方案一般由LNG接收站相關的航道設計院設計確定，與城市規劃和港口總體規劃相銜接，結合LNG接收站選址、用戶布局和外輸方式綜合確定。

2.1.1 碼頭平臺

碼頭平臺的大小，除了主要考慮操作平臺的大小，還需要考慮包括避雷塔的設置，高架消防炮的設置，登船梯的大小和布置，泡沫及干粉等消防設施的布置，碼頭LNG收集池的布置，碼頭控制室的大小和布置，以及以上各種設施之間要求的安全距離等綜合布置因素的需要。

由于LNG船舶尺度大、干舷較高，使用船舷較危險。為保證船、碼頭之間人員方便、安全上下，LNG碼頭應設置登船梯。

LNG碼頭上沒有大型檢修件的運輸，碼頭平臺一般不考慮檢修車輛的通行，只考慮了一般中型車的停靠。

2.1.2 碼頭操作平臺

LNG相對密度小，LNG船舶的尺度大，干舷較高，因此需要在碼頭平臺上建一定高度的操作平臺，以滿足操作要求。碼頭操作平臺的平面布置、高度、大小主要由設計船型管匯位置確定，并滿足液化天然氣船舶在當地最大潮差和波浪變動范圍內的安全作業要求。

碼頭操作平臺至接收站儲罐的凈距不應小于150m,同時其最大凈距也應根據LNG船泵能力及其他經濟、技術條件綜合確定。

碼頭操作平臺與碼頭平臺前沿的間距由LNG船在當地最大潮差和波浪變動范圍內安全作業要求計算確定，必須保障平臺結構和上面所有設施在LNG船發生任何方向和高度偏移時不會與船體有任何碰撞。

碼頭操作平臺的大小除了滿足卸料臂及相連配管的需要，還要綜合考慮卸料臂檢修機具的放置和檢修通道需要、卸料臂儀電操控系統和動力系統的布置、登船梯儀電操控系統的布置、泊岸系統的布置等。

2.1.3 碼頭主設備：卸料臂

LNG卸船碼頭設有多臺液體卸料臂和1臺氣體返回臂。卸船時，幾臺液體卸料臂同時工作。當1臺卸料臂由于故障而不能使用，卸船操作還可在較低的流速下完成，卸船時間增加，這段增加時間對LNG運輸船的卸船安排都是允許的，1臺卸船臂故障并不影響接收站的可靠性。當氣體返回臂因故障而不能使用，1個液體卸料臂將被用作氣體返回臂。因此，卸料臂不設置備用。

卸料臂的布置由卸料臂本身的結構，臂轉動范圍和LNG運輸船的漂移范圍綜合決定。在復位狀態時，相鄰液體裝卸臂的最小凈距應大于600mm；在作業狀態時，液體裝卸臂的任何部位與碼頭建筑物、設備、管道等最小間距應大于300mm。

卸料臂的檢修主要考慮伸縮輪和旋轉升降球閥，如果業主需要固定吊裝設施，在碼頭操作平臺頂層設置一個2噸的固定單臂吊車供檢修件吊裝即可。卸料臂和固定吊車之間通過卸料臂廠商提供的推車運送檢修件。頂層平臺在布置設備和管道時，要留出卸料臂和固定吊車之間順暢的檢修通道。

2.1.4 棧橋

棧橋的長度主要取決于碼頭的位置和棧橋接陸域點的選擇，棧橋接陸域點則是綜合考慮陸域布置決定的管廊接管點決定。棧橋基本沒有什么設備，如果棧橋較長，需設置相應數量的膨脹彎。出于工藝操作要求和安全距離的考慮，有時碼頭控制室也會放置于棧橋膨脹彎上。

棧橋寬度應考慮管廊的寬度，檢修車輛的通道，一般不宜小于15m。

消防有要求的，棧橋還需要考慮消防車的通行和荷載。棧橋上的消防供水管應設消火栓，其間距不宜超過60m。

2.1.5 碼頭和棧橋的配管

碼頭上的配管主要是考慮與卸料臂連接的幾根大直徑的冷管。因LNG裝卸船管溫度低直徑大，足夠的柔性和盡量短的路徑是需要綜合考慮的。尤其是液相臂中有1臺是氣相臂的備用，它涉及的管道操作溫度波動范圍較大，應力計算需要重點關注。

LNG裝卸船管道設置了緊急切斷閥，一般把這幾個自動閥門都設置在陸域位置緊靠棧橋根部處，同時它們距碼頭前沿不應小于20m。

棧橋的配管重點是考慮膨脹彎的設置。既要合理設置膨脹彎的數量和尺寸大小，又同時要考慮固定點的推力不能過大。

2.1.6 其它

在碼頭區域設計中遇到的最大問題是伸縮縫。因為整個碼頭面積很大，很難完成整體澆注，因此整個碼頭常由幾塊結構組成，每塊之間保留一定伸縮縫。碼頭上的設備，結構柱腳都不能放置在伸縮逢上，這必須在設備和平臺布置中考慮進去。同時須要求不同的平臺之間有相同的沉降，否則還需要考慮不同塊上的設備和平臺不同沉降帶來的影響，甚至后期配管的應力計算也需要考慮不同沉降帶來的影響，這將導致設計的復雜化和投資增加。

棧橋也是由一系列的墩臺組成，墩臺之間可能也保留一定伸縮縫。因此布置管墩時，必須在滿足管道跨距要求的基礎上錯開所有伸縮逢。

2.2 LNG儲罐區

2.2.1 儲罐及布置

現有的LNG接收站使用的LNG儲罐均有長期安全運行的記錄，因此，LNG儲罐可以被認為是免維修設備，不設備用。

LNG儲罐的布置要根據LNG儲罐的類型決定。全容式混凝土頂儲罐(FCCR)，該儲罐為雙壁罐,有效容積從幾萬方到20萬方。按照GB/T 20368-2012第5.2.2.4，不需要另外設置防護堤(全容罐的預應力混凝土外罐可以在一定時間內有效儲蓄泄漏的LNG液體和氣體)。在布置中根據工藝要求，讓儲罐靠近碼頭，以利于LNG輸入管線盡量縮短。儲罐與碼頭的防火間距應滿足規范《液化天然氣碼頭設計規范》JTS165-5-2009要求。儲罐區周圍應設環形道路，滿足施工、檢修和消防車輛通行的要求。

同時還要考慮到LNG儲罐本身的重量和投資費用，盡量將儲罐放置到地基本身較好的位置上，降低儲罐對樁深的要求。

2.2.2 LNG低壓輸送泵

LNG低壓輸送泵是輸送系統中的重要設備，必須設置備用泵，泵的維修應不影響接收站的正常外輸操作。每座液化天然氣儲罐的罐內泵不應少于2臺立式潛液泵。

為安全起見，所有的連接管口均設計在罐的頂部。罐頂的泵，大型調節閥和安全閥需要考慮設置固定吊車供吊裝檢修件。配合LNG儲罐周圍設置的環行通道，方便施工及大型檢修車輛通行。

2.3 工藝區

在工藝區內主要布置工藝設備，設備之間由管廊連接，按照工藝流程順暢布置，同時滿足安全生產和環境保護的要求，兼顧操作、維護、檢修、施工和消防的需要。工藝區設備宜露天或半露天布置，由于工藝操作或受自然條件限制時，可將設備布置在建筑物內。

工藝裝置區四周設有環行消防通道。工藝區各單元均考慮有預留和建設場地。

2.3.1 蒸發氣壓縮機

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，大氣壓變化、環境的影響及LNG注入儲罐時造成罐內LNG體積的變化。低溫往復式壓縮機通過逐級調節來實現流量控制，其壓縮能力通過儲罐的壓力來調節。壓縮機的最大流量受再冷凝器的能力限制。

蒸發氣壓縮機對接收站的可靠性操作并沒有直接關系，只是從環保和經濟效益的角度，盡可能避免BOG氣體放空。在蒸發氣壓縮機或再凝器維修時，允許蒸發氣通過火炬排放是最經濟的，因此無須設置備用。

(1)設備布置及檢修

蒸發氣壓縮機宜采用臥式對稱平衡型或立式迷宮活塞往復式壓縮機，所以要重點考慮減振問題。為減少振動一般將壓縮機安裝在地面，壓縮機基礎與其它結構基礎分離。另外，考慮到NG是可燃氣體，在滿足防噪音的基礎上，壓縮廠房宜設置成開敞或半開敞式，并在廠房頂部采取防止氣體積聚的措施。

壓縮廠房需要設置永久檢修設施，多臺壓縮機可共用一臺起重機和檢修場地。壓縮廠房的高度主要由壓縮機高度、檢修件尺寸及選用的起重機共同決定。壓縮廠房的大小則由壓縮機的平面大小、其它輔助設施大小、壓縮機機組與廠房墻壁的凈距、壓縮機檢修件臨時放置場地大小共同決定。壓縮廠房的檢修件臨時放置場地和大門都在廠房同側，大門直接連接道路，便于車輛的靠近和檢修件的運輸。

(2)配管

壓縮機配管的防振很重要。為了減少振動，所有配管都布置得較低，而且單獨布置在壓縮廠房外的低管廊，避免振動對其他管道和管廊帶來影響。而較低的配管也節省了對操作平臺的需求。

2.3.2 蒸發氣再冷凝器

再冷凝器主要有兩個功能：① 在再冷凝器中，經加壓后的蒸發氣與送出的LNG混合后被冷凝為液體(再冷凝器可以利用LNG的冷量，并減少了蒸發氣(BOG)壓縮功的消耗，節省能量)；② 再冷凝器可作為LNG高壓輸送泵的入口緩沖容器。

再冷凝是壓力容器，應定期進行檢查。但在工藝系統設計時，考慮了LNG旁路系統，即使在再冷凝檢查時也不會影響接收站的正常運行。再冷凝器維修時，蒸發氣通過火炬排放是最經濟的，因此，接收站不考慮蒸發氣再冷凝器的備用，只設置1臺再冷凝器。

再冷凝器除了底層支撐層采用混凝土結構，其它全部可采用鋼結構。在最下層平臺使用輕質混凝土抹面，以達到LNG防凍的要求。

通過人孔對再冷凝器采取就地檢查的方式，所以框架上不設置大型吊裝設備。對于平臺上的大型調節閥，則可采用在框架梁下設置吊鉤的方式供檢修。再冷凝器框架布置時，讓框架一側靠近道路，便于拆卸下來的檢修件吊裝。

2.3.3 LNG高壓輸送泵

從再冷凝器出來的LNG直接進入LNG高壓輸送泵，加壓后輸送到高壓氣化器。高壓輸送泵是輸送系統中的重要設備，必須設置備用泵，設置備用泵的原則為N+1。泵的維修應不影響接收站的正常外輸操作。

液化天然氣泵宜露天布置。上方應留出泵體安裝和檢修所需要的空間。

泵的布置除了滿足與再冷凝器之間的高差要求，還應滿足所連接管道的柔型設計要求，并應充分考慮相關閥門、儀表和平臺梯子的布置空間。

(1)設備布置及檢修

LNG高壓輸送泵布置在露天的密封泵井里，因此不需要設置專門的框架結構用于泵的支撐和操作檢修，且由于泵井是密封的，沒有積液，也不需要專門配置抽水泵。其它LNG項目也有將泵布置在地面的框架上支撐，考慮到泵的振動，泵體本身需要嚴格保冷，相應泵管口配管增高需要增設操作平臺等幾方面因素，筆者認為將泵布置在泵井里是更優化的布置方案。

泵的非操作側道路擴展到泵附近，吊車可直接吊裝需要檢修的泵，因此不需要在泵區設置固定檢修設施。

(2)配管

配管方面主要考慮管路要有足夠的柔性，以及在連接泵各個管口的管線上設置可拆卸法蘭方便泵檢修。

2.3.4 氣化器及相應的輔助設施

(1)氣化器

氣化器有開架式氣化器，管殼式氣化器和浸沒燃燒式氣化器等型式。氣化器不是動設備，有較大的可靠性。但它們是輸送系統中最重要的設備，設置備用氣化器是必須的。氣化器維修將安排在外輸要求為低值的時間，且每次只維修1臺。

如果海水質量好，從經濟性角度考慮，首選開架式氣化器。氣化器靠天然海水作為加熱源,既可以節約能耗，對環境保護也十分有利。但其海水需用量大,在滿足開架式海水氣化器回水高差要求的前提下,布置中要盡可能降低開架式海水氣化器的安裝高度,以降低海水泵的揚程,減少動力消耗。海水排水渠緊靠氣化器，經過換熱后的海水可以直接排入海水排水渠，不需要另外的輔助設施。

管殼式氣化器對海水質量的要求沒那么高，是以丙烷為中間介質來氣化LNG，可以避免因溫度過低而使海水結冰影響傳熱效果。

浸沒燃燒式氣化器操作運行費用較高，正常操作應盡可能不用，只在開架式氣化器或管殼式氣化器以及海水泵維修時備用。另外它也可用作調峰。

氣化器之間的凈間距不應小于1.5m。

(2)設備布置及檢修

氣化器的檢修主要是針對換熱片。氣化器非操作側道路延展到氣化器附近，檢修吊車可以靠近。因此氣化區不需要設置固定檢修設施。

(3)配管

氣化器并聯布置，配管應注意入口LNG流量的分配。開架式氣化器還要注意入口管線水流的均勻分布。

每臺氣化器液化天然氣入口管線上都設置了流量調節閥和緊急切斷閥，天然氣出口管線上也設置了緊急切斷閥。這些緊急切斷閥與氣化器的距離不應小于15m。

2.4 液化天然氣槽車裝車區

2.4.1 裝車區布置

液化天然氣槽車裝車區宜位于接收站邊緣或接收站外，應避開人員集中活動場所、明火或散發火花的地點及廠區主要人流出入口布置。

汽車槽車裝車站周圍宜設圍墻或圍欄獨立成區，以便槽車不進入接收站工藝設施就能直接從站外到達LNG汽車裝車位置，有利于整個LNG接收站的人員和安全管理。

裝車鶴位到儲罐、控制室、辦公室、維修間等重要設施的距離不應小于15m。裝車車位宜采用通過式，當受到場地條件限制時，亦可采用旁靠式；裝車鶴位之間的距離不應小于4m。裝車臺處應設遮陽(雨)罩棚。

槽車裝車區沒有重型檢修件，因此不設固定檢修吊裝設施。

2.4.2 配管

液化天然氣和蒸發氣總管上設置了緊急切斷閥，緊急切斷閥與裝車臂的距離不應小于10m。

槽車裝車區每個裝車撬都設置了水幕保護，配管布置時注意綜合考慮雨淋閥的安全間距和就近保護，以及消防水管在管廊上的荷載。

2.5 火炬系統

接收站火炬可采用高架火炬或地面火炬，具體根據項目情況選用。火炬宜位于生產設施全年最小頻率風向的下風側，火炬的防火間距應符合《石油天然氣工程設計防火規范》GB50183的有關規定。

在正常操作情況下，火炬筒和火炬分液罐很少維修，但根據相關規范應定期進行檢查。在檢查維護期間，火炬筒和火炬分液罐間應隔離，以確保接收站的安全。火炬維修期間，放空氣體皆排入到蒸發氣總管。當BOG總管發生超壓時，可通過LNG儲罐上安裝的安全閥排至大氣。因此，火炬和火炬分液罐無須設置備用。

火炬與其它設備設施之間要嚴格按防火間距要求，遠離碼頭、罐區和工藝設備。火炬分液罐遠離火炬布置，既是考慮到安全距離的要求，也是盡量讓排往火炬的介質完全氣化，因此這一段的管線是用人身防護的絕熱形式。LNG項目中的人身防護除了較薄的保冷層這種方式外，還使用了鐵絲網在管道外包一圈的形式(這樣讓管道完全暴露在環境溫度中，確保介質的完全氣化)。

2.6 配管一般問題

2.6.1 管道系統備用和布置原則

LNG工藝管道有長時間安全使用記錄，安裝單根總管是完全可靠的，因此，一般接收站僅設有單根總管，其規格尺寸按現在和預期增加的輸送能力綜合考慮，并在總管上留有將來擴建所需的支管接點。

多層管廊的管道布置，層間距不宜小于2m。低溫管道布置在下層，公用工程管道和消防管道應布置在上層。

LNG管道布置在滿足管道柔性下應使管道短，彎頭數量少，且應減少“液袋”。

宜避免用波紋膨脹節，并應特別注意小支管連接避免薄壁主管破裂或屈曲。

管道應盡量采用地面上露天敷設，不宜采用管溝敷設，以免可燃氣體積聚。

2.6.2 閥門安裝

(1)正常情況下，工藝介質安全閥應無絕熱地安裝。

(2)LNG介質為避免泄漏，大多數閥門都采用了焊接連接的方式。

(3)因為工況和安裝位置的不同，LNG介質專用的球閥(結構自帶泄氣孔有泄氣方向要求)和蝶閥(三偏心結構在不同工況下的安裝方向要求)安裝又有正反兩種方向的要求，因此在設計和安裝中要認真核查球閥和蝶閥的方向，避免在施工安裝后再切割下來重新安裝。蝶閥安裝方向不正確，可能導致關不嚴或者開啟延時。球閥安裝方向不正確，可能導致密閉空間氣體集聚發生爆炸，所以整個LNG項目，對于閥門安裝方向，務必逐一核查。閥門安裝情況見圖1。

圖1 閥門安裝簡圖

2.6.3 閥桿方向

介質為LNG的閥門，因為應用了填料密封的加長閥帽閥，宜安裝在水平管段上，并且閥桿垂直向上，以防結冰引起泄漏或誤動作。

2.6.4 螺栓

對于螺栓的安裝要有足夠的抽出空間，尤其在閥門直接連接在設備管口，閥門附近安裝有管架，或布置有幾個閥門的地方。為了拆卸螺栓時不破壞管道上的保冷層，LNG管道上的法蘭不宜與彎頭、三通或大小頭直接焊接。

2.6.5 絕熱

LNG項目主要有LNG和NG兩種低溫工藝介質，從經濟角度考慮，要求減少LNG的氣化，因此主要工藝管線的保溫要求很高。所以從LNG管線上接出的壓力釋放和氮氣吹掃支管在根部必須有足夠長度的保冷直管段后，才能進行工藝要求的配管，以防止這些管線帶來的冷損失(而且這些小直徑的支管應該盡量靠近固定支架或導向支架，甚至可以在主管上做支撐，以免它們與主管間不同的移動損壞這些支管)。

在絕熱類型為防噪音的管道上接支管時，至少保證在支管根部有不短于150mm長的防噪音直管段。如果沒有足夠直管段(例如該等級可以用焊接管座直接焊法蘭)，仍然需要在根部有150mm長的管段防噪音。

2.7 泄漏收集

(1)碼頭，儲罐(罐頂考慮設置集液盤)，裝車和工藝區需要根據LNG的泄漏量設置導液管/導液溝和相應大小的LNG收集池，并且收集池與工藝設備之間必須保持足夠的距離。

(2)泄漏收集系統應由收集、導液和集液三部分構成。導液溝和集液池應為開敞式設計。

(3)LNG集液池應配泡沫發生器，并按主導風向將其隔開布置，使其安裝位置便于主導風向能將泡沫吹向集液池，覆蓋收集來的LNG液體。

(4)針對溢流出來的LNG的低溫特點,導液溝和集液池需做防凍處理。

3 結 語

LNG溫度極低且易燃，1個體積的LNG可以轉變為約600個體積的氣體。因此針對LNG轉運

和儲存過程的接收站，除了滿足工藝要求，更要圍繞LNG特殊的安全要求(防火防爆防凍，減少冷量損耗，避免氣體集聚，控制LNG泄漏)進行布置和配管。

1 GB 51156-2015，液化天然氣接收站工程設計規范[S] .

2 GB/T 20368-2012，液化天然氣(LNG)生產、儲運和裝運[S] .

3 NFPA59A，液化天然氣的生產、儲存與處理標準[S] .

4 GB/T 22724-2008，液化天然氣設備與安裝陸上裝置設計[S] .

5 EN 1473 LNG，岸上設備安裝及設計[S] .

6 GB 50183-2015，石油天然氣工程設計防火規范[S] .

7 GB 50016-2014，建筑設計防火規范[S] .

8 BS 7777，立式圓筒形平底低溫儲罐[S] .

9 JTS 165-5-2009，液化天然氣碼頭設計規范(附條文說明) [S] .

2016-06-08)

*馬 麗：高級工程師。1997年畢業于南京化工大學，化工設備與機械專業。從事管道設計工作。聯系電話:028-65531826， E-mail:mali@chengda.com。