LNG接收站槽車系統(tǒng)低壓總管預(yù)冷新工藝

楊偉紅，張豪，孔令陽，宋玲，趙來 (.中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江 寧波 5800；.中海石油氣電集團交通新能源事業(yè)部，北京 0008；.四川杰瑞恒日天然氣工程有限公司，四川 成都 6004)

0 引言

近年來，全球液化天然氣(liquef ied natural gas，LNG)因具備運輸和儲運便利的優(yōu)點，其生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍。為保證能源供應(yīng)多元化和改善能源消費結(jié)構(gòu)，一些能源消費大國越來越重視LNG的引進，均開始大規(guī)模興建LNG接收站。

1 LNG接收站簡介

LNG接收站主要是接收、儲存和氣化LNG，并通過管網(wǎng)向下游用戶供氣[1-2]。目前LNG接收站技術(shù)已較為成熟，設(shè)計時將充分考慮工藝技術(shù)的先進性和可靠性，確保長期穩(wěn)定、安全可靠的向下游供氣。LNG 接收站主要由卸料系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、槽車裝車系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)等組成。其中，槽車裝車系統(tǒng)是通過裝車橇對LNG槽車充裝，經(jīng)陸路運輸送往各類用戶[3-5]。槽車由于其機動靈活性，覆蓋周邊城市，能很好補充外輸管網(wǎng)覆蓋不到的區(qū)域。浙江LNG一期建有7臺裝車橇，LNG由儲罐內(nèi)低壓泵加壓后經(jīng)低壓LNG管道送入槽車充裝系統(tǒng)，低壓LNG通過裝車臂充裝至槽車。為滿足下游不斷增大的需求，二期新增10臺裝車橇，工藝流程如圖1所示。

在槽車系統(tǒng)投用前，需對低壓LNG管道置換和預(yù)冷，主要目的是防止管道溫度變化過快、熱應(yīng)力過大而造成管材損壞；檢驗和測試低溫設(shè)備及管道的低溫性能，特別是低溫閥門的密封性和管道焊接質(zhì)量[6-7]。槽車裝車系統(tǒng)預(yù)冷成功，對接收站液態(tài)外輸系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖1 浙江LNG槽車系統(tǒng)流程圖

2 LNG管道預(yù)冷方法

LNG管道普遍采用耐低溫、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小的奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的低溫性能，但線性膨脹系數(shù)較大，LNG溫度降低時，不銹鋼收縮率約為千分之三。雖然設(shè)計時考慮了冷收縮的補償，但溫度變化速度較大時，還存在形變過快、熱應(yīng)力過大而使管道或連接部位損壞的問題，這就要求在低溫管道或設(shè)備預(yù)冷過程中，必須控制好溫降和管道上下管壁溫差，防止出現(xiàn)因位移過大造成泄漏等安全事故。目前最常用的低溫管道預(yù)冷方式是采用液氮預(yù)冷、LNG預(yù)冷和BOG(LNG蒸發(fā)氣)預(yù)冷等。

2.1 液氮預(yù)冷

液氮預(yù)冷是將液氮通過汽化器氣化后注入需要預(yù)冷的管道內(nèi)，通過控制液氮進口流量、氣化后低溫氮氣的溫度及預(yù)冷管道的排氣量，使管道溫降維持在一定范圍，最終達到管道預(yù)冷的目的。采用液氮預(yù)冷，初期效果明顯，但后期管道底部會聚集較多氮氣，不易流通，底部氮氣濃度大于頂部，造成管道頂部和底部溫差較大，不易控制。該方法需要額外增加液氮供應(yīng)裝置及液氮汽化器，設(shè)備占用生產(chǎn)用地，成本較高[8]。

2.2 LNG預(yù)冷

LNG預(yù)冷是間斷性向低溫管道中注入少量LNG(-150 ℃)，LNG吸收管道熱量氣化，利用低溫氣體對管道初步預(yù)冷，產(chǎn)生的BOG放空，從而降低管道溫度，待降至一定溫度后，再直接用LNG預(yù)冷。根據(jù)實際經(jīng)驗，該方案耗時最短，但因無法控制LNG注入量，導(dǎo)致管道溫降速率不易控制。LNG注入量過多，會使初始階段預(yù)冷管道溫降過快，管道上下表面溫差過大，產(chǎn)生形變及位移，嚴重時會造成安全事故。LNG注入量過少，BOG氣化后壓力不足，中后段管道預(yù)冷緩慢，預(yù)冷時間延長，且很難達到預(yù)期效果。同時，管道一旦出現(xiàn)問題，潛在危險程度將大大增加，對操作人員和整個站場的安全都存在較大威脅。

2.3 BOG預(yù)冷

BOG預(yù)冷是向常溫管道中直接注入低溫BOG，以熱交換的方式實現(xiàn)管道降溫，通過調(diào)節(jié)管道進口BOG流量、溫度及管道排氣量控制管道溫降速率。BOG預(yù)冷管道溫度最低只能降至-120 ℃。預(yù)冷完成后，管道溫度會隨著時間的延長大幅度升高。LNG接收站一般接卸首船時才具備條件使用BOG預(yù)冷，后期正常運行時，無法提供BOG預(yù)冷管道。

3 新預(yù)冷方法及實踐

3.1 新預(yù)冷方法的提出及原理

在新增低壓LNG總管預(yù)冷時，要確保不影響一期裝車橇正常運行，上述預(yù)冷方式均無法達到較好的預(yù)冷效果。

分析傳統(tǒng)預(yù)冷方法，選用BOG預(yù)冷最為安全可靠，但是接收站處于運行模式時，產(chǎn)生的BOG氣體無法滿足預(yù)冷需求量。一期裝車橇正常運行時，考慮充分利用自有LNG和接收站氮氣，且不增加外接設(shè)備，提出利用LNG+常溫氮氣預(yù)冷工藝。其原理為：注入LNG液體時，注入氣態(tài)氮氣，加快LNG氣化，同時降低管道與NG溫差。調(diào)整注入氮氣的速度，可以防止出現(xiàn)因低溫氣體分層而導(dǎo)致管道上下表面溫差較大(大于50 ℃)的工況。在氮氣推動下，BOG和氮氣混合氣體迅速走向管道末端放空點，將整段管道全部預(yù)冷。間斷性地排放管道內(nèi)氣體可以加大對管道內(nèi)流體的擾動，減小管道頂?shù)椎臏夭睿行П苊夤艿李A(yù)冷不均引起的意外形變，保證管道安全[9-10]。

3.2 低壓LNG總管預(yù)冷過程

3.2.1 LNG及氮氣注入口的選擇

在圖1中，間斷性開關(guān)3″排放管道上的閥門V-3注入LNG液體，同時對3″排放管道注入氮氣，使LNG沿著3″排放管道進入裝車橇后返流至12″低壓LNG總管。根據(jù)預(yù)冷情況，不斷調(diào)整LNG和氮氣的注入量。

3.2.2 排氣口的選擇

維持裝車橇管道壓力為0.2～0.3 MPa，將12″低壓LNG總管中的BOG排放到接收站放空管線，避免就地排放和直接燃燒造成浪費。

3.2.3 溫度監(jiān)測及控制

在預(yù)冷過程中，每隔半小時記錄一次3″排放管道和12″低壓LNG總管上的溫度。確保冷卻速率不超過-10 ℃/h，管道頂部和底部溫差不超過50 ℃。現(xiàn)場人員嚴密監(jiān)控管道位移。如果管道預(yù)冷速率較快或管道頂部和底部溫差超過50 ℃，則及時關(guān)閉進液閥V-3和放空閥，加大氮氣流量，當管道壓力達到0.3 MPa時，打開放空閥進行泄壓，降低預(yù)冷速率和管道截面溫差。

3.2.4 管道位移監(jiān)控

隨著管道中冷量的不斷注入，管道因受冷收縮將沿著管道的前后(上下游)、左右、上下方向產(chǎn)生一定的位移，位移量越小說明管道形變量越小，預(yù)冷效果越好。預(yù)冷過程中定時觀察管道是否扭曲，記錄橫向和縱向位移，當位移超過允許位移和管道扭曲明顯時，則應(yīng)降低預(yù)冷速度。

3.2.5 預(yù)冷效果

當12″低壓LNG總管溫度降至-70 ℃時，暫停預(yù)冷，緊固管道螺栓，再繼續(xù)預(yù)冷至-120 ℃后，填充LNG液體。可以發(fā)現(xiàn)，隨著管道預(yù)冷時間的延長，LNG和氮氣的需求量會逐漸增大。

預(yù)冷過程中LNG管道溫度變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，管道溫降曲線平滑，沒有出現(xiàn)較大的溫度波動，說明該方法工藝過程控制良好。注入管道的氮氣與BOG混合后迅速流向管道末端放空點，將整段管道全部預(yù)冷，使管道內(nèi)部達到了預(yù)冷溫度，且各處溫差不大，避免了溫度應(yīng)力的沖擊，保證了整個預(yù)冷過程的安全性。

圖2 3″排放管道和12″低壓LNG總管預(yù)冷溫度曲線

整個預(yù)冷過程管道沒有發(fā)生明顯位移，距離最遠的管道末端位移最大為7.8 mm和8.7 mm，均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，充分說明該工藝方法能使管道均勻冷卻，更容易控制溫降速度。

4 結(jié)語

(1) LNG+常溫氮氣預(yù)冷工藝使管道達到很好的預(yù)冷效果，避免預(yù)冷時上下游管段及管道上下溫差過大造成嚴重位移的情況，降低預(yù)冷過程中的安全風(fēng)險。

(2)該工藝不需配備外接汽化器和相應(yīng)場地，節(jié)約生產(chǎn)成本。

(3) LNG+常溫氮氣預(yù)冷工藝可以作為今后LNG接收站投產(chǎn)試車的借鑒和參考。