大型LNG項目碼頭的管道設計

段晶

工程設計

大型LNG項目碼頭的管道設計

段晶

柏克德（中國）工程有限公司 （上海200051）

摘要介紹了國外正在建設的一套大型液化天然氣（LNG）裝置碼頭的設計要點，著重討論了低溫LNG裝卸臂的布置和設計參數，同時討論了碼頭消防設施和碼頭管道的布置思路。

關鍵詞液化天然氣碼頭設備布置裝卸臂消防管道設計

0　概述

美國謝尼埃能源公司正在美國德克薩斯州科珀斯克里斯蒂海灣東北部建設一個液化天然氣（LNG）廠，包括3套天然氣液化裝置生產線（每套液化裝置的生產能力為450萬t/a，總能力達到1350萬t/a），3個16萬m3的LNG儲罐及兩個大型LNG外運碼頭。LNG氣源來自德州各氣田，通過管道輸送至工廠氣源交接口。該項目開始于 2011年年底，2014～2015年進行施工圖詳細設計并開始現場施工，預計在2018年全面投入商業運行。

該天然氣液化廠在規模和用途上屬于基本負荷型，前端天然氣的預處理包括脫除CO2，H2S等酸性氣體和脫水。冷凍液化工藝采用康菲公司的優化級聯式液化流程，使用丙烷、乙烯及甲烷形成三個獨立的制冷循環系統并依次階梯制冷，以求達到最低能耗[1]。由于單條生產線生產能力大，故每條線均使用兩臺冷凍機壓縮機組并聯，各自承擔50%的負荷。

生產的LNG儲存在3個16萬m3儲罐中，LNG儲罐均采用地上常壓低溫全容罐形式[2]，內壁使用9%鎳鋼，外殼使用預應力混凝土，罐頂設有懸掛式絕熱支撐結構。每個罐配有3臺流量為2 000 m3/h 的LNG潛液式電動泵，將LNG輸送到停泊在碼頭的LNG船上。LNG裝船時，兩個罐上的6臺泵同時運行，達到裝船的設計流量12000 m3/h。LNG儲罐產生的低壓蒸發氣（BOG）通過壓縮機組加壓返回冷凍單元再液化。另外LNG液化工廠配有冷劑（丙烷、乙烯）儲存及裝卸，廢氣/液處理，廢熱回收，火炬系統，公用工程（氮氣系統、空氣系統、水、電），消防等設施。

工廠的各個單元組成見圖1，平面布置見圖2。本文著重關注LNG碼頭的設備布置及管道設計。

圖1LNG生產流程

圖2LNG工廠平面布置

1　LNG碼頭的設計

LNG碼頭的功能是將由儲罐輸送來的LNG裝運到LNG船上，主要設備包括LNG裝卸臂組及其操作平臺、碼頭工藝管道系統、碼頭舷梯、消防設施、碼頭辦公室、棧橋等，具體參見圖3。

圖3LNG碼頭平面布置

LNG裝卸臂的布置是碼頭設計的核心，因為LNG裝卸臂是將岸上管線和LNG船上的管線連接在一起的中間過渡設備[3]。LNG碼頭平臺上設置了3臺液相LNG裝卸臂（DN500）和一臺氣相回流臂（DN500），單臺LNG裝卸臂設計流量為6 000 m3/h，氣相回流能力為35000 m3/h。另外，平臺預留了一臺LNG裝卸臂位置備用。

LNG裝卸臂的操作方式包括自動和手動兩種，因此需要相應的平臺滿足操作及維修的要求。裝卸臂位置位于碼頭中心靠岸側，便于與LNG船連接；碼頭弦梯布置在裝卸臂操作平臺一側，有通道與操作平臺相連；消防炮分列兩側，其中一側與碼頭舷梯聯合考慮構架；辦公室設置在碼頭后部；棧橋從碼頭延伸至岸邊，連接岸上道路及管廊。

1.1LNG裝卸臂的布置

影響LNG裝卸臂布置的參數主要有：碼頭潮水高度變化、LNG船的漂移、碼頭平臺的位置及高度、LNG船吃水深度（包括滿倉和空倉兩種狀態）、LNG船上接管法蘭的位置及高度。另外，LNG船的容量也會影響到部分參數，因此需要仔細收集并分析，向LNG裝卸臂廠家提供正確的設計輸入，由廠家確定最終的裝卸臂尺寸。

表1列出了三維方向裝卸臂布置需要考慮的主要參數，表2列出了可能停靠該碼頭的各種LNG船型的相關參數（部分），表3列出了LNG裝卸臂其他參數的范圍供參考。

表1　影響裝卸臂布置參數表

表2　LNG船體參數表（部分）

表3　LNG裝卸臂布置其它參數的范圍（供參考）m

圖4～6分別列出了LNG裝卸臂活動范圍的立面圖和平面圖。

由上述圖表可得，LNG裝卸臂必須滿足LNG船接管法蘭由于風浪水流、船容量大小和裝載量變化引起的三維方向上的位置漂移，該類水平漂移和垂直漂移可能同時發生，而LNG裝卸臂的另一端被固定在碼頭的立柱上，其平面位置和高度也會影響LNG裝卸臂的尺寸。

圖4　LNG裝卸臂活動范圍的立面圖

圖5　LNG裝卸臂活動范圍的平面圖（軸向側漂移）

圖6　LNG裝卸臂活動范圍的平面圖（平行側漂移）

1.2LNG裝卸臂的結構

LNG裝卸臂是用于裝卸LNG的專用設備，該項目選用的裝卸臂主要由以下幾部分組成：立柱、舷內臂、舷外臂；低溫旋轉接頭（底部、頂部及舷外等，每個裝卸臂6個）；電動液壓執行機構（快慢兩檔）；緊急脫離裝置（含雙球閥及加壓緊急脫離）；LNG裝卸臂與LNG船對接的快速連接機構；LNG裝卸臂現場控制臺及位置檢測系統；氮氣管道系統（包含裝卸臂及旋轉接頭吹掃）；配重塊。

LNG裝卸臂結構示意見圖7。LNG裝卸臂是由立柱、舷內臂、舷外臂通過旋轉接頭連接在一起組成的，能夠像人體關節一樣在一定空間范圍內靈活地移動，滿足LNG船接管法蘭的漂移。另外，它有自體平衡和支撐的結構。由于LNG裝卸臂設備龐大且沉重（幾十噸），其操控需要一套電動液壓系統來完成，一旦停電，備用的壓縮空氣馬達可以代替電動機驅動液壓系統維持基本運行。

圖7LNG裝卸臂結構示意圖

緊急脫離裝置安裝在舷外臂的前端，LNG船的漂移導致裝卸臂伸展到某個位置時會觸發報警，如果情況進一步惡化，會觸發聯鎖關閉雙球閥，通過液壓氣缸打開夾具，使裝卸臂自動斷開，分為兩段。關閉的球閥可防止LNG漏出，同時保護裝卸臂，使其不被拉壞。

LNG裝卸臂與LNG船對接的快速連接是通過特殊液壓夾具將LNG裝卸臂法蘭和船上對接法蘭夾緊，不需要傳統的螺栓螺母安裝，不僅快速、安全，而且不同大小的法蘭都可以采用相同的操作。

LNG裝卸臂配有多個位置傳感器以檢測其當前位置，并將信息傳送給現場控制臺。控制臺安裝在操作平臺上，通過控制臺可以操作裝卸臂移動。同時，為方便操作還配有手持無線控制器供操作人員使用。

LNG裝卸臂的特殊性還表現在它的低溫使用功能，裝卸臂在約-160℃的條件下使用，普通的鋼材和旋轉接頭難以適用該環境。

2　消防設施

LNG具有低溫流體的特性，屬于易燃易爆的危險品，且能量非常集中，所以LNG碼頭區域須設有一套火災報警及氣體探測設施。氣體探測器包括紅外線火焰探測器、可燃氣體探測器和低溫檢測器，一旦觸發，將就地發出警報并傳送到控制室。

碼頭區域根據火災危險性分析（FHA）被定義為火災高度危險區域，其消防設施包括消防水系統和化學干粉系統，消防水系統又可以分為高架消防水炮和消火栓系統，水源來自岸上的消防水罐，通過DN500高壓消防水管接至碼頭。

（1）高架消防水炮

裝卸臂兩側的高架消防水炮可遙控操作，其水平回轉角度為360°，俯仰角為-15～75°，其布置的高度，噴射的射程及仰角的高度覆蓋了4臺LNG裝卸臂和操作平臺以及LNG船對接區域。

（2）消火栓系統

碼頭兩端各自設置了4個消火栓，一旦碼頭上LNG管道發生火災，可被用于撲救冷卻管道、閥門，控制火災的蔓延。

（3）化學干粉滅火系統

固定式化學干粉滅火系統由兩個干粉罐（充裝量約1360 kg）、兩套氮氣鋼瓶組、一個干粉炮、兩套干粉軟管卷盤管網及相應的控制閥和儀表組成，其滅火半徑約30 m，覆蓋了碼頭辦公室、變壓器及碼頭大部分地面管道區域。另外，還在適當位置配備了多個可移動式小型干粉滅火器作為補充。

3　碼頭管道布置

碼頭棧橋延伸至岸邊，包括管廊和通道兩部分。車行通道位于一端主要是為吊車進入碼頭作業提供方便。管廊分為公用工程管道和工藝管道兩部分。公用工程管道包括2層，消防管道及水管道位于管廊下部的管墩上，氮氣、壓縮空氣等氣體管道布置在管廊鋼結構的下部，上部是儀表橋架和電氣橋架。工藝管道均為低溫管道，包括兩根DN750 LNG輸送管道（來自LNG儲罐并與三個LNG裝卸臂聯通），一根DN1050氣相回流管道（與氣相回流臂聯通），一根DN150保冷管道（為LNG回流管道，其作用是在無LNG裝船時確保兩根DN750 LNG輸送管始終處于低溫狀態）。由于工藝管道管徑均較大而且始終處于低溫狀態，故采用管墩形式布置于棧橋的另一端。兩條人行通道位于工藝管道中間及外側，兩側設置護欄。棧橋立面見圖8。

由于裝卸臂入口法蘭的許用應力與位移量都很小，需要利用管道支架消除低溫管道熱脹冷縮帶來的應力，因此裝卸臂入口開關閥前后設置了多個彈簧支架。

LNG碼頭及棧橋上的工藝管道基本為低溫不銹鋼管道，長距離低溫管道均設置π型彎以消除應力，并大量使用低溫保冷支架。

圖8　碼頭棧橋立面圖

4　結束語

LNG碼頭管道設計的核心是裝卸臂的布置，其他設計均圍繞該核心進行，而裝卸臂的正確布置和選用將直接影響到LNG裝船的安全運行。

通過對影響裝卸臂的各個因素進行詳細分析，可以為同類型LNG碼頭，包括國內的眾多LNG終端接收站碼頭（LNG卸料）的設計提供參考。

參考文獻：

[1]顧安忠.液化天然氣技術 [M].北京:機械工業出版社, 2004.

[2]BS 7777:1993Flat-bottomed,vertical,cylindrical storage tanks for lowtemperature service[S].

[3]顧安忠,魯雪生.液化天然氣技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2010.

中圖分類號TE 973

收稿日期：2015年6月

作者簡介：段晶女1973年生本科工程師現從事化工管道工程設計工作

Piping Design of Jetty for Large-scale LNG Project

Duan Jing

Abstract:The key points of design for an abroad large-scale natural gas liquefaction plant jetty are described.The design parameters impacting on the layout of cryogenic LNG loading arms are elaborated,the fire-fighting facilities and piping layout of jetty are discussed as well.

Key words:LNG;Jetty;Equipment layout;Loading arm;Fire-fighting;Piping design