小型撬裝式液化天然氣氣化站設計研究

歸艷艷 王碩 張健

摘 要：文章以儲罐容積為5立方的液化天然氣氣化站為例，主要從氣化站的設計依據、工藝流程選擇和儲罐設計等方面進行分析，對新型的小型撬裝式液化天然氣氣化站的設計進行討論研究，并闡述了設計要點。

關鍵詞：小型撬裝式液化天然氣氣化站；工藝流程選擇；儲罐設計

隨著霧霾等空氣污染的加劇，人們對環境污染日益重視，提升空氣質量成為我國急需解決的問題。國務院2013年印發的《大氣污染防治行動計劃》中明確提出全面整治燃煤小鍋爐，加快“煤改氣”工程建設。由于我國天然氣管道并未實現全部覆蓋，基礎管線還在鋪設當中，一些鄉村等偏遠地區并沒有天然氣管道。市場上一批主要為燃氣鍋爐提供氣源的小型撬裝式液化天然氣氣化站應運而生。有的叫“潔易順”，有的叫“快易冷”，有的叫“安必達”。這種小型氣化站主要是將小容積液化天然氣儲罐內的LNG氣化后再經過調壓、計量、加臭等工藝流程后，把滿足要求的天然氣輸送到管道中去，以供直接使用。由于儲罐及后續裝置體積較小，通常將氣化站整體做成高度集成的撬裝單元。

文章以5立方液化天然氣儲罐及其供氣系統設計為例，對小型（主要指儲罐幾何容積為5及5立方以下容積）撬裝式液化天然氣氣化站的儲罐設計，工藝流程選擇等加以分析和討論。

1 小型撬裝式液化天然氣氣化站設計標準

由于目前國家尚未有專用的天然氣氣化站標準，通常參考以下標準設計：

（1）GB50028-2006《城鎮燃氣設計規范》

（2）GB50316-2000《工業金屬管道設計規范》

（3）GB50184-2011《工業金屬管道工程施工質量驗收規范》

儲罐部分設計、制造、檢驗標準：

（1）TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》

（2）GB18442.1-6 -2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器》

2 小型撬裝式液化天然氣氣化站工藝流程

小型撬裝式液化天然氣氣化站主體工藝流程如下圖所示：

3 LNG儲罐的設計

3.1 儲罐形式

LNG儲罐屬于固定式深冷壓力容器。容器采用雙層結構。內罐用不銹鋼承裝介質，外罐用低合金鋼制造，在內外罐中間的夾層抽真空后并用絕熱材料對內容器進行保冷。

考慮氣化站整體撬裝式的設計，為了盡量減少占地面積以及LNG液體從儲罐內流出的順暢性，儲罐采用立式儲罐。5立方儲罐其有效容積為4.5立方[1]，密度按常壓下溫度為162℃時的426kg/m3[2]計算，儲罐最大充裝質量為：

4.5×426=1917 kg。5立方儲罐高度通常在小于3米，可以直接立式運輸和安裝。

3.2 設計壓力

一般按儲罐最高工作壓力0.8MPa和1.6MPa兩種去考慮設計壓力。設計壓力的取定滿足TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術監察規程》和GB 150.1～150.4-2011《壓力容器》的要求即可。

3.3 絕熱形式

固定式真空絕熱深冷壓力容器的絕熱形式可分為高真空多層絕熱和真空粉末絕熱[3]，儲罐的容積小，用氣量通常不會很大，所以選用高真空多層絕熱的方式，這樣會具有更好的保冷效果，來保證儲罐在不經常用氣的時候罐內壓力不會過快上升。由于容積小，制造成本上與真空粉末絕熱的儲罐相差不多。

3.4 管路設計注意事項

儲罐需要設置上下進液管路、液相管路、氣相管路、側滿管路、節氣管路、自增壓管路，以及液位計氣、液相管路。

上下進液管路是用于給儲罐充裝的進液管路。設計時可以在外端口處進行匯總。

液相管路的設置需要滿足能夠使儲罐內的LNG進入到儲罐的自增壓器和氣化器里面。如果有需求也可設置一個液體使用口，使得儲罐具有直接用液的功能。

氣相管路的設置要能夠使儲罐自增壓功能的回氣回到儲罐的氣相，以及儲罐壓力過高時能夠通過氣相進行安全泄放。

儲罐需要設置節氣管路。雖然采用高真空多層纏繞絕熱，但在儲罐靜止的過程中，依然會有熱量從儲罐外部傳遞到儲罐的內容器部分，使得罐內介質溫度上升，進而導致壓力升高。儲罐有高壓泄放裝置，但安全閥起跳會造成天然氣排放的浪費，并且安全閥回座后需要重新校驗，會影響用戶使用。通過設置節氣管路，當儲罐壓力較高時優先使用儲罐內氣相的氣體，這樣可以有效降低儲罐壓力，大大降低超壓排放的情況，也更適合用戶端不連續用氣的工況。

儲罐通常帶有自增壓裝置。在儲罐壓力低時，通過自增壓提高罐內壓力，保證罐內液體的流出。原理是將液相的LNG通過增壓器的氣化變成氣態的天然氣再返回到儲罐內，使得儲罐壓力上升。需要注意，罐內的LNG進入到增壓器是通過液柱靜壓力流入的，增壓器的設置不易高于儲罐的最低液面高度。

液位計管路是通過設置壓差式液位計來測得儲罐內液面高度。原理是測量儲罐液相和氣相的壓力差值來實現反算出液面高度。由于不同產地的LNG密度不同，液位計顯示的數值于重裝質量對照表的數值與實際重裝質量不同屬于正常，不能作為計量依據，只能作為參考。

4 空溫式氣化器的設置與選擇

空溫式氣化器的氣化量主要取決于客戶的用氣量要求。當管道氣用于燃氣鍋爐時，通常按5立方儲罐的氣化站與1噸型的燃氣鍋爐匹配考慮，1噸型燃氣鍋爐的最大用氣量一般為70Nm3/h左右。則氣化器的氣化量可以按照100Nm3/h設計便可滿足要求。

空溫式氣化器廠家通常按8小時連續工作來設計氣化器，所以儲罐可配置兩臺氣化量相同的氣化器。當出現連續用氣的工況，使用的氣化器結霜嚴重時會影響到氣化量和用氣量，便可切換到另一個氣化器繼續使用。

空溫式氣化器可以采用包覆在儲罐外罐筒體外部的形式，這樣的設置從空間上更加緊湊。也可單獨放置在底撬上，這樣的布置當客戶需要的用氣量不同時，從設計上更容易改變氣化器的布置，更靈活。

5 水浴式電加熱器的設置與選擇

LNG液體從儲罐出來經過空溫式氣化器氣化后，通常氣化器出口氣體溫度會比環境溫度低10～15℃。考慮到后續的調壓閥、燃氣管道等元件通常采用低合金鋼或者碳鋼材質，承壓情況下最低允許的使用溫度為-20℃。所以當環境溫度低于-5℃時，建議使用水浴式電加熱器對管路中的天然氣進行加熱。

電加熱器可以串聯在氣化器管路之后，在環境溫度高時則無需使用。但要注意電加熱器的進出口口徑不宜小于主管道的口徑，以免影響后端的用氣量。電加熱器也可以以支路的形式并聯在管道中，相比串聯形式，這樣可以減掉在不使用加熱器時天然氣流經過加熱器的阻力。水浴式電加熱器的規格應與前端空溫式氣化器的氣化量一致。

6 調壓裝置的設置與選擇

儲罐正常的工作狀態下罐內壓力通常在0.4MPa左右，經過空溫式氣化后，出口管道內的壓力通常等于或略高于罐內的壓力，然而最終使用時需要的燃氣壓力缺往往要低的多。通常燃氣鍋爐進入燃燒機需要的壓力為10-20kpa，供給居民用燃氣灶燃燒需要的壓力則僅為2kpa。所以需要通過設置調壓裝置來降低管道的壓力。

調壓管路可以按一備一用，兩路并聯來設置。一旦調壓器發生故障時，通過切換使用可以保證后端管路正常供氣，對于不允許斷氣的使用工況必須這樣設置。當用氣條件不是很苛刻的工況，考慮經濟性可以只設置一路調壓。

需要注意的是調壓器對于介質的潔凈性要求較高，一般應在調壓前需設置過濾器，用于過濾掉天然氣內的雜質。

7 計量裝置的設置

燃氣公司通常會按一次充裝到儲罐內的LNG重量來進行計量收費。管路末端的氣態天然氣計量，則可根據客戶的需求來確定是否設置。當設置流量計時，通常選用體積流量計。

8 加臭裝置的設置

為了保證燃氣使用的安全性，當管道出現泄漏時起到提醒作用。建議在管路末端設置加臭裝置。臭劑通常為四氫噻吩。由于小型氣化站的用氣量通常較小，考慮到經濟成本，可以選用非智能型的小型加臭裝置。如重力式加臭裝置。在氣化站上也可設置燃氣報警器，對泄漏情況進行報警。

9 其他

由于是小型的氣化站，氣化站上并沒有設置EGA加熱器，所以要求儲罐及管路上所有安全排放的管路要匯總后集中放空，并且放空管上要設置阻火器。

此類型的小型氣化站也可根據用戶需求來設置自動控制系統。自動控制可以設置高液位報警、低液位報警、高壓報警、自動用氣、自動停止供氣、自動充裝、充裝停止以及緊急切斷等功能。

10 結語

關于小型撬裝式液化天然氣氣化站的設計可以根據實際使用的需求進行不同的設計。由于沒有統一的標準，市場各個廠家的設計也各不相同。為了追求經濟性，有些設計在安全性上缺乏考慮。期望國家能夠早日出臺相應標準，從安全設計、管理和使用等各個方面來對類新型液化氣氣化站加以規范。

參考文獻：

[1]TSG 21-2016，固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[2][美]卡爾L.約斯 Matheson氣體數據手冊[M].化學工業出版社，2003.

[3]GB18442.1-6 -2011固定式真空絕熱深冷壓力容器[S].

作者簡介：第一作者：歸艷艷（1990-），女，漢族，河北滄州人，本科，助理工程師，工學學士學位，2013年畢業于天津理工大學機械工程及自動化專業，現在石家莊安瑞科氣體機械有限公司技術中心從事深冷壓力容器設計的工作。