碳減排背景下小型LNG接收站設(shè)備選型和工藝計(jì)算

卞楊燕

（武漢江漢化工設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢 430223）

我國是全球最大的碳排放國，過量的碳排放會(huì)導(dǎo)致氣候變暖、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題，減少碳排放量具有長久而深遠(yuǎn)的意義。截至2019年，我國已經(jīng)是全世界碳排放量最多的國家，碳排放量占全球碳排放量比重達(dá)27.92%。2020年9月，中國提出二氧化碳排放力爭在2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。液化天然氣（LNG）的主要成分是甲烷，還有少量的乙烷、丙烷以及氮等其他成分，經(jīng)凈化和超低溫常壓液化后，為無色無味的液體。LNG作為清潔燃料，燃燒后排放的二氧化碳量少，是解決溫室效應(yīng)、城市空氣污染以及酸雨問題的理想能源。故LNG已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，LNG接收站的建設(shè)也保持著蓬勃發(fā)展的趨勢。

廣東某電廠為給燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組提供LNG氣源，擬建設(shè)LNG接收站作為循環(huán)供熱機(jī)組的配套備用燃料氣源。現(xiàn)就此接收站的流程和設(shè)備選型計(jì)算進(jìn)行分析和總結(jié)，為今后同類裝置的設(shè)計(jì)提供參考。本項(xiàng)目中 LNG的存儲(chǔ)量為1 200m3，氣化量為10.76×104m3（標(biāo)）/h。

1 流程圖

裝有LNG的槽車經(jīng)過卸車后將LNG送至LNG儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG經(jīng)增壓泵增壓后送至氣化器，氣化后的LNG用作電廠燃料。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)蒸發(fā)氣（BOG）將壓縮機(jī)增壓后送至燃料氣管網(wǎng)。同時(shí)，在卸車期間，抽取部分天然氣用作LNG槽車增壓卸車，如表1所示。

圖1 LNG接收站工藝流程圖

2 設(shè)備選型

2.1 LNG裝卸臂選型

根據(jù)《國務(wù)院安委會(huì)辦公室關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品安全生產(chǎn)工作的指導(dǎo)意見安委〔2008〕26號(hào)》中第16條規(guī)定：在危險(xiǎn)化學(xué)品槽車充裝環(huán)節(jié)，推廣使用萬向充裝管道系統(tǒng)代替充裝軟管，禁止使用軟管充裝液氯、液氨、液化石油氣、液化天然氣等液化危險(xiǎn)品、故LNG的裝卸均需使用液體裝卸臂進(jìn)行操作。

根據(jù)《HG/T 21608—2012 液體裝卸臂工程技術(shù)要求》，液體裝卸臂分為陸用和船用兩大類，其中陸用的包括有AL系列和BL系列，AL2503、AL2504適用于底部液下裝卸，而根據(jù)LNG的卸車特點(diǎn)，LNG卸車需使用裝卸臂的氣相及液相裝卸臂同時(shí)操作，故LNG槽車卸車需采用AL2513型液體裝卸臂。

LNG裝卸臂采用雙臂帶立柱結(jié)構(gòu)[4]，氣相口用于BOG回氣，液相口用于LNG的卸車。立柱用于支撐裝卸臂，保證臂的使用壽命及現(xiàn)場管線不受損傷。旋轉(zhuǎn)接頭是液體裝載臂最關(guān)鍵部位之一，其應(yīng)用于裝卸臂承載力較大的部位，以確保設(shè)備長期的使用。在裝卸過程中保持密封性能良好且轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，使用壽命長。旋轉(zhuǎn)接頭承載力大、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、密封性能優(yōu)越、可靠，同一規(guī)格的鶴管各旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)完全一致，具有互換性。內(nèi)臂與接口及外臂相連接，通過旋轉(zhuǎn)接頭和彎管組合可在水平面上回轉(zhuǎn)。外臂與內(nèi)臂及垂管通過連接管連接，為鶴管的主體部分，外臂與內(nèi)臂可以實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向范圍的回轉(zhuǎn)。外臂在工作范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)與罐車對接。彈簧缸平衡系統(tǒng)用于平衡外臂及垂管的重量，可實(shí)現(xiàn)在工作范圍內(nèi)的隨意平衡。

裝卸臂前段安裝氮?dú)獯祾唛y門，用于裝卸前對裝卸臂前段空氣的置換和裝卸后對裝卸臂內(nèi)LNG和BOG的吹掃。

2.2 LNG儲(chǔ)罐選型

LNG接收站的主要設(shè)備是LNG儲(chǔ)罐，當(dāng)?shù)蜏豅NG貯罐有效容積小于（包括）150m3時(shí)，可選用真空粉末或真空多層絕熱的方式，制作完成后輸送至現(xiàn)場安裝[3]；當(dāng)有效容積大于150m3時(shí)，可選擇現(xiàn)場組裝，罐型包括有①子母罐；②球罐；③圓筒罐；④集群罐；⑤常壓罐等五種型式。其中子母罐、球罐、圓筒罐、集群罐方案的內(nèi)罐均為壓力罐，常壓罐的方案適合于中、大型儲(chǔ)存規(guī)模，因?yàn)楸卷?xiàng)目LNG儲(chǔ)存總罐容僅為1 200m3，不考慮采用常壓罐型式。

子母罐[3]的保溫性能與真空粉末絕熱球罐相比較差，由于夾層無法抽真空，夾層厚度通常選擇比較厚，造成夾層容積較大，絕熱材料使用過多，且因?yàn)樽庸夼帕械脑颍O(shè)備的外形尺寸也比較大。對于球罐而言，加工精度難以保證，現(xiàn)場組裝技術(shù)難度大，成形時(shí)材料利用率最低。圓筒形貯罐的夾層充填或包扎絕熱材料并抽真空，適用于容器200～1 000m3，工作壓力0.2～1.0MPa。集群罐建站模式中的貯罐可在制造廠整體制造（包括抽真空合格）完工后交用戶有利于保證質(zhì)量，減少建站周期，當(dāng)單罐容積小于等于150m3時(shí)，運(yùn)輸方便。LNG罐型的選擇要求安全可靠、投資低、壽命長、技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)有高度完整性，便于制造及運(yùn)輸易維護(hù)。考慮到子母罐維護(hù)難，現(xiàn)在基本逐漸被淘汰；球罐、圓筒罐現(xiàn)場施工難度大，實(shí)際應(yīng)用案例比較少，故本項(xiàng)目采用8座150m3真空粉末半冷凍式LNG儲(chǔ)罐（較低溫度和較低壓力）的集群罐建造方案。

2.3 LNG增壓泵選型

LNG增壓泵主要用于LNG的輸送、裝車和增壓。大型LNG儲(chǔ)罐采用的增壓泵型式主要為立式罐內(nèi)潛液泵，而像本項(xiàng)目的小型LNG儲(chǔ)罐一般采用的是罐外安裝的立式潛液泵。目前國際上生產(chǎn)LNG潛液泵的廠家主要有日本的Nikkiso、Shinko及Ebara等[1]。國內(nèi)能生產(chǎn)低溫潛液泵的廠家屈指可數(shù)，本項(xiàng)目使用的為大連深藍(lán)制造的罐外潛液泵，采用電動(dòng)機(jī)與泵共軸，使得運(yùn)轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定；采用泵送介質(zhì)LNG進(jìn)行軸承潤滑，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)浸沒在LNG中，介質(zhì)不導(dǎo)電，無防爆要求，采用泵送介質(zhì)LNG對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，冷卻效果也比較好。

在LNG增壓泵的工程設(shè)計(jì)過程中，需注意以下幾點(diǎn)：

（1）LNG增壓泵在啟動(dòng)前，需要對泵進(jìn)出管線及泵進(jìn)行預(yù)冷，若在實(shí)際配管中泵出口管路上存在高點(diǎn)，需要對高點(diǎn)處的氣體進(jìn)行放空。

（2）在泵入口管線上需設(shè)置氮?dú)獯祾吖芫€，主要有兩種原因：①為了保證LNG泵穩(wěn)定運(yùn)行，防止LNG泵中濕氣遇冷凝水結(jié)冰，在泵預(yù)冷運(yùn)行前需進(jìn)行氮?dú)飧稍锎祾撸ＷC露點(diǎn)低于-40℃；②泵在停運(yùn)檢修時(shí)，需要將筒體內(nèi)介質(zhì)排出，此時(shí)需向筒體內(nèi)充入氮?dú)猓瑢ν搀w內(nèi)的LNG或BOG進(jìn)行置換。

（3）由于LNG泵在啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成筒體內(nèi)的部分LNG汽化，排氣回流管線需呈“無袋形”布置回LNG儲(chǔ)罐，因?yàn)楸玫呐艢夤芫€中肯定會(huì)存在氣液兩相排放，導(dǎo)致排氣管線中低點(diǎn)存液，形成“液封”，造成排氣管線堵塞，泵內(nèi)氣體無法順利排出會(huì)使得泵無法正常運(yùn)行。

2.4 氣化器選型

LNG的氣化應(yīng)滿足當(dāng)?shù)貧夂驐l件及工藝要求，對于小規(guī)模的LNG接收站，一般采用環(huán)境式氣化器和加熱式氣化器。

2.4.1 環(huán)境式氣化器

環(huán)境式氣化器是利用自然環(huán)境自動(dòng)加熱，如大氣。對于小型氣化站，一般采用空浴式氣化器，維護(hù)成本較低。

空浴式氣化器的核心是換熱裝置，國內(nèi)空溫式氣化器的換熱裝置多采用防銹鋁合金翅片管，為了達(dá)到額定處理量，只能增加翅片，這樣就會(huì)造成設(shè)備過于龐大，無形中增加了造價(jià)。由于氣化器內(nèi)部按管內(nèi)低溫液體、管外常溫空氣進(jìn)行換熱。在運(yùn)行過程中換熱面會(huì)結(jié)霜結(jié)冰，影響換熱效果，所以要求氣化器的運(yùn)行時(shí)間按照不低于8h設(shè)計(jì)。

同時(shí)，考慮到運(yùn)輸限制，單臺(tái)空浴式氣化器最大氣化能力僅為5 000m3（標(biāo)）/h，同時(shí)需考慮布置占地及切換備用。

2.4.2 加熱式氣化器

加熱式氣化器的氣化熱源為蒸汽或熱水等。由于水浴式較蒸汽加熱式具有加熱均勻的優(yōu)勢，現(xiàn)普遍采用水浴式氣化器。

根據(jù)現(xiàn)場情況選用合適的水源作為熱源，本項(xiàng)目采用循環(huán)回水作為熱源，經(jīng)檢測，由于海水返混，循環(huán)回水中的氯離子的含量高達(dá)2 850mg/L，故氣化器中的殼體、封頭、管板、法蘭、換熱管等均需采用鈦材，以防止腐蝕。

2.5 BOG壓縮機(jī)選型及計(jì)算

本項(xiàng)目中BOG的來源主要有以下幾個(gè)方面：

（1）為保證LNG儲(chǔ)罐壓力的平衡，需要根據(jù)卸車量抽取同等體積的BOG，以本項(xiàng)目為例，液態(tài)天然氣的進(jìn)料量為4 848m3/d，若每天卸車18h，則壓縮機(jī)需抽取的BOG的量為：

折合標(biāo)立=1 756/16.776[2]×22.414=2 346m3（標(biāo)）/h

其中儲(chǔ)罐操作工況下（0.3MPaG，-146℃時(shí)），BOG的密度為6.52kg/m3；

LNG的分子量為16.776kg/kmol；

（2）儲(chǔ)罐每日的蒸發(fā)量，按照《GB/T 18442—2019 低溫絕熱壓力容器》計(jì)算，LNG儲(chǔ)罐每日蒸發(fā)率需≤0.167 6%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。本項(xiàng)目共有8個(gè)150m3LNG儲(chǔ)罐。

則LNG的抽取量V2=8×150×400×0.001676/24=33.52kg/h

（3）卸車管線中的BOG

本項(xiàng)目中保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 5W/m˙℃，卸車管線長度為160m，保溫層厚度為0.11m，卸車管徑為0.125m，極端最高溫度為38.3℃，LNG的潛熱為477kJ/kg。

則BOG的處理量：

（4）LNG泵做功產(chǎn)生的熱量輸入

一般泵轉(zhuǎn)化的熱量可轉(zhuǎn)化成BOG的比例取0.24，本項(xiàng)目中LNG泵的軸功率為160kW，共有2臺(tái)，泵效率為0.65。由于泵做功引入熱量所產(chǎn)生的BOG計(jì)算為：

目前，在LNG接收站的設(shè)計(jì)中，BOG的處理工藝主要為再冷凝工藝和直接壓縮外輸工藝[2]。

再冷凝工藝[2]是在正常操作工況下，低壓BOG壓縮機(jī)將BOG壓縮至一定壓力后，與從LNG罐低壓泵送出的LNG在再冷凝器中混合，由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，通過再冷凝器可以使BOG再冷凝，再經(jīng)過高壓泵加壓后送到氣化器氣化外輸。此工藝使用的BOG壓縮機(jī)一般為低溫?zé)o油往復(fù)式壓縮機(jī)，此類壓縮機(jī)的類型一般有立式迷宮密封式和臥式對置平衡式。

直接外輸工藝即將BOG經(jīng)過空溫器加熱，再經(jīng)過壓縮機(jī)加壓后經(jīng)計(jì)量后送至用戶。此工藝對應(yīng)的是常溫BOG壓縮機(jī)，可采用普通的機(jī)型，但是流程復(fù)雜，壓縮級(jí)數(shù)與輔助設(shè)備比較多，故調(diào)節(jié)的靈活性降低，占地面積較大。

實(shí)際選型時(shí)，需考慮工藝要求及工藝參數(shù)，還需要綜合考慮效率、可靠性、價(jià)格及運(yùn)行成本來選擇BOG壓縮機(jī)。

2.6 放散

天然氣為易燃易爆的介質(zhì)，所以應(yīng)集中進(jìn)行放散。集中放散裝置的匯集總管，應(yīng)將放散物加熱成比空氣輕的氣體后方可排入放散總管，放散總管管口高度應(yīng)高于距其25m的建、構(gòu)筑物2m以上，且距離地面不得小于10m。

根據(jù)《SY/T 10043—2002 泄壓和減壓系統(tǒng)指南》中規(guī)定，放散塔一般都是按照最大排放量的出口速度選定尺寸，出口速度不低于152m/s。

3 結(jié)束語

2021年是中國“碳中和”元年，綠色清潔能源的利用勢在必行，LNG接收站會(huì)在更多的行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。以槽車運(yùn)輸LNG出發(fā)點(diǎn)，對LNG接收站中的卸車、儲(chǔ)存、增壓、氣化、BOG處理、放散等工序的工藝特點(diǎn)做了總結(jié)，為小型LNG接收站（天然氣總儲(chǔ)存容積不大于2 000m3）的設(shè)備選型及工藝計(jì)算提供了借鑒。