LNG接收站在役管道二次預(yù)冷新工藝的應(yīng)用

王志杰(中海福建天然氣有限責(zé)任公司生產(chǎn)運(yùn)行部，福建 莆田 351100)

0 引言

近年來，LNG接收站作為清潔能源的重要載體，在優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮著越來越重要的作用，LNG接收站主要包括LNG接卸、儲(chǔ)存、氣化外輸及液態(tài)外輸?shù)裙δ?，其中LNG液態(tài)外輸形式多樣、快捷靈活[1]。LNG接收站常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮獨(dú)立液態(tài)外輸功能，隨著LNG氣源多樣化，氣質(zhì)和熱值差異化，及下游用戶需求，越來越多接收站在原有基礎(chǔ)上新建獨(dú)立液態(tài)外輸管道。國內(nèi)某LNG接收站在進(jìn)行此類項(xiàng)目改建時(shí)，需將在役槽車外輸管道內(nèi)LNG排盡，待碰口作業(yè)完成后，對(duì)在役管道進(jìn)行二次預(yù)冷。

與管道首次預(yù)冷不同，二次預(yù)冷前管道經(jīng)歷了低溫恢復(fù)至常溫的過程，產(chǎn)生了新的軸向或徑向應(yīng)力，使已有管道位移可能發(fā)生新的變化，此現(xiàn)象無規(guī)律可循。為確保在役管道投產(chǎn)安全可靠，需要結(jié)合管道復(fù)溫后的實(shí)際位移情況，選擇合理的二次預(yù)冷工藝，通過有效的溫度監(jiān)控措施，避免較大管道應(yīng)力的發(fā)生，將管道位移控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)[2-3]。

1 LNG管道預(yù)冷工藝

隨著國內(nèi)LNG接收站低溫管道預(yù)冷工藝的不斷積累、創(chuàng)新，常用的LNG管道預(yù)冷工藝主要有BOG預(yù)冷法，LNG預(yù)冷法及液氮預(yù)冷法[4-5]。BOG預(yù)冷法是向常溫管道中注入低溫BOG，其優(yōu)點(diǎn)是管道頂?shù)最A(yù)冷速率均勻，缺點(diǎn)是預(yù)冷用時(shí)長、無法深度預(yù)冷且易復(fù)溫；LNG預(yù)冷法是間歇性向常溫管道中注入少量LNG，氣化的低溫氣體逐步冷卻管道，其優(yōu)點(diǎn)是預(yù)冷用時(shí)短、可深度預(yù)冷，缺點(diǎn)是預(yù)冷速率及管道頂?shù)诇夭钶^難控制、且存在法蘭面受冷不均變形風(fēng)險(xiǎn)；液氮預(yù)冷法是間歇性向常溫管道內(nèi)注入氣化后的液氮，其優(yōu)點(diǎn)是預(yù)冷初期速率均勻、效果明顯，缺點(diǎn)是預(yù)冷后期冷量不足造成管道頂?shù)诇夭钶^大，預(yù)冷速率變慢。

2 預(yù)冷新工藝及應(yīng)用

2.1 預(yù)冷新工藝提出及原理

國內(nèi)某LNG接收站槽車外輸管道全長610 m、3處大π型轉(zhuǎn)彎、10處死角、高差最大15 m、外接臨時(shí)接口僅2處、高點(diǎn)放空倒淋僅2處、且首次預(yù)冷已產(chǎn)生局部較大管道位移，具備距離長、高差大、死角多等特殊管道的特點(diǎn)，上述常規(guī)預(yù)冷工藝無法高效完成管道二次預(yù)冷，以達(dá)到最大限度控制管道位移的目的。

根據(jù)管道特殊性，結(jié)合LNG管道預(yù)冷經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新提出液氮?dú)饣罾?LNG預(yù)冷新工藝。其原理為：將液氮?dú)饣筮M(jìn)行深冷并做氣液分離處理，得到的深冷氮?dú)庵苯幼⑷氲匠毓艿纼?nèi)，通過調(diào)節(jié)閥控制深冷氮?dú)庾⑷霚囟燃皦毫?，結(jié)合管道多點(diǎn)放空操作，保持進(jìn)入管道的冷量充足，控制管道頂?shù)诇夭钤?0 ℃以內(nèi)，預(yù)冷速率在8～10 ℃以內(nèi)，預(yù)冷后期，通過注入少量LNG，使管道溫降速率更為均勻，間斷性排放管道內(nèi)氣體，以加劇流體擾動(dòng)破壞內(nèi)部氣體流動(dòng)狀態(tài)，減小管道頂?shù)诇夭?，有效避免管道預(yù)冷不均發(fā)生管道位移，確保管道安全。

2.2 在役管道二次預(yù)冷應(yīng)用

(1)預(yù)冷源注入口選擇。由于槽車外輸管道全長610 m，外接口僅2處，且其中一處位于管道最高點(diǎn)，從預(yù)冷效果及安全操作角度考慮，預(yù)冷新工藝選擇新舊管道碰口位置作為預(yù)冷源注入點(diǎn)，提前準(zhǔn)備好液氮?dú)饣罾溲b置，如圖1所示，使用低溫金屬鎧甲管將液氮?dú)庖悍蛛x器及在用LNG管道倒淋與預(yù)冷管道倒淋連接，管道走勢(shì)如圖2所示，期間根據(jù)預(yù)冷效果，不斷調(diào)節(jié)低溫氣態(tài)氮?dú)饧癓NG的注入量，使冷源不斷的沿著16″(406 mm)槽車外輸管道進(jìn)入槽車3″(76 mm)返回管道。

圖1 管道預(yù)冷源連接示意圖

圖2 在役管道二次預(yù)冷示意圖

(2)排放口選擇。由于預(yù)冷管道具有距離長、高差大、死角多、管徑先大后小的特點(diǎn)，根據(jù)預(yù)冷實(shí)際進(jìn)度，選擇合適的排放位置、排放量及排放時(shí)間顯得尤為重要，此管道二次預(yù)冷排放口共 8處，如圖 2所示，排放口 2、3、4、5、6為預(yù)冷全過程常開排放口，排放口1為預(yù)冷速率控制排放口，排放口7、8為水平管道預(yù)冷排放口，為保持管道預(yù)冷效果，通過控制冷量注入及適時(shí)調(diào)整各階段排放口的開度，控制管道內(nèi)壓力在0.2～0.3 MPa范圍。

(3)預(yù)冷溫度監(jiān)控。預(yù)冷前，先在氣液分離器出入口分別增加臨時(shí)溫度變送器A/B，在16英寸(460 mm)槽車外輸管道氮?dú)庾⑷朦c(diǎn)增加臨時(shí)溫度變送器C/D，便于控制預(yù)冷源溫度，預(yù)冷時(shí)，小開度液氮汽化器旁路上的流量控制閥，將液氮和氣化后氮?dú)饣旌献兂傻蜏氐獨(dú)?，注入預(yù)冷管道，打開氮?dú)馀欧趴?、3、4、5、6，監(jiān)控槽車外輸管道上的11個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)變化，并通過調(diào)節(jié)預(yù)冷控制閥V3及各排放口開度來控制預(yù)冷速率，保證溫度監(jiān)控點(diǎn)上下溫差在50 ℃以內(nèi)，預(yù)冷速率在8～10 ℃內(nèi)。當(dāng)管道預(yù)冷速率較快或頂?shù)撞繙夭畛^50 ℃時(shí)，則及時(shí)調(diào)小預(yù)冷控制閥V3并視點(diǎn)位關(guān)小排放口，當(dāng)管道內(nèi)壓力超過0.3 MPa時(shí)，打開排放口1，降壓來控制預(yù)冷速率和降低管道頂?shù)诇夭睢Ｔ陬A(yù)冷后期，出現(xiàn)復(fù)溫或溫降不明顯時(shí)，通過注入少量LNG，使管道溫度下降更為均勻。

(4)管道位移監(jiān)控。在役管道二次預(yù)冷，應(yīng)避免在已有管道位移基礎(chǔ)上再次發(fā)生同方向較大位移，必須將管道位移控制在設(shè)計(jì)范圍，預(yù)冷前應(yīng)提前做好管道位移標(biāo)識(shí)，隨著預(yù)冷的不斷深入，管道會(huì)產(chǎn)生軸向或徑向的局部位移，位移量越小說明管道產(chǎn)生的應(yīng)力越小，預(yù)冷效果越好。預(yù)冷過程中應(yīng)定時(shí)巡檢管道及管托的扭轉(zhuǎn)變形情況，記錄橫向和縱向位移量，當(dāng)位移量接近或已超出設(shè)計(jì)范圍時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整預(yù)冷速度。

（5）預(yù)冷效果。持續(xù)通過液氮?dú)饣罾?LNG工藝預(yù)冷，當(dāng)管道平均溫度降至-70 ℃時(shí)，暫停預(yù)冷，緊固碰口處法蘭螺栓，再繼續(xù)預(yù)冷至-120 ℃時(shí)，對(duì)管道進(jìn)行升壓測試，測試?yán)鋺B(tài)下管道碰口位置的焊接性能，無異常后預(yù)冷結(jié)束，對(duì)管道填充LNG。

預(yù)冷過程16″槽車外輸管道溫度變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，管道溫降曲線平滑，未出現(xiàn)較明顯溫度波動(dòng)，整個(gè)二次預(yù)冷過程耗時(shí)約24 h，從時(shí)長、溫降效果、管道位移等方面綜合分析，預(yù)冷效果毫不遜色于常規(guī)管道預(yù)冷效果，可以證明液氮?dú)饣罾?LNG的預(yù)冷新工藝對(duì)距離長、高差大、死角多等特殊管道二次預(yù)冷效果顯著。

圖3 管道預(yù)冷及填充溫度趨勢(shì)圖

3 結(jié)語

(1) 液氮?dú)饣罾?LNG新工藝的預(yù)冷效果在特殊管道二次預(yù)冷中得到了很好的驗(yàn)證，避免了由于冷量不足、預(yù)冷速率控制不佳等原因?qū)е鹿艿理數(shù)诇夭钸^大，局部應(yīng)力集中，管道位移較大等現(xiàn)象的發(fā)生，降低預(yù)冷操作難度，有效控制過程風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 液氮?dú)饣罾?LNG預(yù)冷新工藝可作為日后LNG接收站在役管道二次預(yù)冷時(shí)的借鑒和參考。