LNG氣化站設計與設備選型分析

馬玉鵬

LNG氣化站設計與設備選型分析

馬玉鵬

（中國石油工程建設有限公司北京設計分公司，北京 100085）

LNG以其運輸便利、節能、環保、經濟、安全等優勢，在城市氣源中起到舉足輕重的作用，LNG氣化站的建設和投資也顯得越來越重要。本文根據LNG的基本特性，分析了LNG氣化站的規模、工藝流程以及關鍵設備選型等內容，探討LNG氣化站設計與建設過程中的安全影響因素，為LNG氣化站優化設計及安全運行提供參考。

LNG氣化站；工藝流程；關鍵技術；安全因素；設備

隨著國家經濟的迅速發展，能源結構進一步調整，CO2等溫室氣體的排放指標逐漸降低。為了滿足經濟發展需要，提高人民生活水平和保護環境，天然氣的使用應運而生。1 m3天然氣與相應可替代的煤炭相比，可節約能量約11%~73%，減排二氧化碳47%~84%、氮氧化物44%~95%、二氧化硫和煙塵近100%[1~3]。

同時，LNG幾乎不含水分、重烴類、硫化烴等雜質，較普通天然氣燃燒充分、潔凈環保。因此，提高天然氣在能源應用中的地位，對于我國實現溫室氣體減排目標，促進社會、經濟、環境可持續發展等方面具有非常重要的現實意義[4]。

1 LNG基本特性

LNG（Liquefied Natural Gas）是以液態形式存在的天然氣。LNG是由油氣田采出的天然氣經過脫水、脫烴、脫酸等凈化處理后，再經膨脹制冷或外部冷源深冷得到的-162 ℃下的低溫液體。LNG主要是由甲烷（CH4）組成，還有少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、氮氣（N2）等成分。

在常壓下，LNG 的密度在430 ~470 kg/m3之間，體積約為標況下天然氣體積的1/600。因此，低溫槽車運輸LNG實現了天然氣的高效輸送，解決了部分城市無法利用管道供應天然氣的問題，極大擴大了天然氣的應用地域。

2 LNG氣化站規模

LNG氣化站的規模主要有兩部分組成：

（1）供氣規模。它需要綜合考慮全年用氣量，主要與氣源、供氣安全、用戶性質、運輸條件及經濟評估（建設投資、運行成本）等因素有關。供氣規模一般取最大小時用氣量的1.2倍[5-6]。

式中：Q為平均日用氣量，kg/d；Q為最大小時用氣量，Nm3/h；為標況下天然氣的密度，一般取0.717 4 kg/m3。

（2）儲氣規模。儲氣規模的大小主要由儲氣天數來表示，其取值決定了氣化站的儲罐大小和數量。對于中小城市來說，供氣規模應按照城市的最大小時用氣量確定。為了保證供氣的可靠性，儲氣天數一般以3~7 d為宜，而且為進一步降低投資風險，LNG氣化站可分期建設。

式中：V—總儲存容積，m3；—儲存時間，d；Q—平均日用氣量，kg/d；ρ—最高工作溫度下的LNG密度，kg/m3，取423 kg/m3；θ—最高工作溫度下的儲罐允許充裝率，Nm3/t，取95%；—剩余容積，一般不少于10%。

3 LNG氣化站工藝流程

圖1 LNG氣化站工藝流程圖

LNG氣化站流程如圖1所示，工藝設備主要包括：卸車增壓器、LNG儲罐、儲罐增壓器、BOG加熱器、EAG加熱器、空溫式氣化器、水浴式氣化器、調壓計量及加臭撬塊等。

3.1 LNG卸車

LNG由低溫槽車運輸到氣化站后進行卸車，槽車卸車主要有3種方式：增壓器卸車、低溫潛液泵卸車以及“泵+增壓器”結合方式卸車。

（1）增壓器卸車：卸車增壓器是一種氣化器，通過氣化部分液化天然氣，使槽車氣相部分增壓，將LNG送入低溫儲罐，如圖1所示。此種卸車方式一般使用空溫式氣化器，適用于氣候溫和的地區，充分利用空氣熱量同時，節省燃料，減少安全隱患。

（2）低溫潛液泵卸車：低溫潛液泵主要是用來給LNG液流提供一定的壓力能頭，將LNG液流送入儲罐。此種卸車方式主要適用于槽車至LNG儲罐的管路摩阻損失較大、卸車速度快的工況。

（3）“泵+增壓器”結合方式卸車：“泵+增壓器”結合方式卸車，結合了兩種卸車方式的優點，先通過增壓器提供一定的壓頭，再啟動潛液泵，可以加速卸車過程，保證卸車時間的要求，如圖2所示。

圖2 LNG槽車“泵+增壓器”卸車流程

3.2 LNG儲存

表1 LNG儲罐形式比較

儲罐在常壓下儲存LNG，罐內壓力為3.4~17.2 kPa，可分為地上儲罐和地下儲罐。現階段，世界上LNG儲罐主要以地上儲罐為主。目前，國內LNG儲罐主要有真空粉末罐、子母罐和常壓罐3種型式[4]，3種儲罐型式對比見表1。地下儲罐具有安全性高、不易溢出、對周邊環境要求低等特點，但投資較大、建設周期長，現階段還未推廣[7]。

3.3 LNG氣化

LNG由儲罐進入氣化器是通過儲罐增壓氣化器與升壓控制閥共同控制實現的，當儲罐氣相空間壓力小于升壓控制閥設定壓力時，升壓控制閥開啟，增壓氣化器將氣相天然氣輸送至儲罐頂端，使得壓力上升。當儲罐頂端壓力達到升壓控制閥設定壓力時，閥關閉，出口切斷閥開啟，LNG自流進入空溫式氣化器和水浴式氣化器。

3.4 BOG回收系統[8,9]

由于LNG儲罐和槽車的日蒸發率最大為3%，為維持設備內壓力穩定，回收系統釋放氣相天然氣，保證儲存與運輸安全。BOG在冬季可用作鍋爐燃料，夏季可送入城市燃氣管網。

3.5 EAG( Escape Air Gas)安全放散系統

EAG是安全放散的低溫氣相天然氣，大于空氣的密度，如果直接將EAG放散至大氣中，會使得天然氣在低洼地區積聚，遇到火花或明火引起爆炸或燃燒危險。因此，需要對EAG進行加熱至其臨街浮力溫度-107 ℃以上，使得放散氣體密度小于空氣，再通過放散塔進行高空放散，如流程圖1所示。

4 關鍵設備選型

4.1 氣化器的選擇

LNG氣化器主要有空溫式和水浴式兩種，二者對比如表2所示。

表2 LNG氣化器對比

空溫式氣化器適用于外界大氣溫度高、溫度較恒定的場所。對于我國氣候條件，一般采用空溫式氣化器和水浴式氣化器相結合的方式，在環境氣溫低或空溫式氣化器除霜階段，開啟水浴式氣化器，提高供氣保障，同時節省能源。

4.2 BOG加熱器

BOG加熱器主要是給回收BOG提供熱量，BOG加熱器處理量按照槽車卸車后氣相天然氣量與儲罐日常BOG蒸發量綜合來設計[10-13]，設卸車產生BOG量為1，儲罐正常儲存產生天然氣量為2，則加熱器處理量為：

其中，為BOG加熱器的處理量，m3/h；P為卸車后槽車內壓力，MPa；2為卸車后槽車內壓力，MPa；為槽車體積，m3；為BOG回收時間，h；為日蒸發率，對于LNG儲罐一般以滿罐為基準日蒸發率見表3；為儲罐數量；l為LNG的密度，kg/m3；V為儲罐有效容積（一般按照儲罐充裝90%計算）；ρ為標況下天然氣的密度。

表3 LNG 儲罐日蒸發率控制要求[14]

4.3 EAG加熱器

EAG空溫式加熱器設備能力按照LNG儲罐的最大安全放散量進行計算[10]。一般對于150 m3的儲罐產生的EAG為500 m3/h，因此加熱器的處理量也應該選擇500 m3/h。

5 安全措施

液化天然氣火災危險性分類為甲A類液體，在儲存運輸過程中需考慮易燃、易爆、泄露、低溫等安全隱患，在設計中應嚴格遵守相關規范、標準，主要從以下幾個方面保證LNG儲存運輸安全。

5.1 設計方面

（1）根據規范、標準，裝置區域、氣化站與周邊建構筑物滿足安全間距。

（2）LNG氣化時，會導致氣化設備表面結霜，為防止冷凝水深入地面（尤其是濕陷性黃土地區），導致地面基礎凍裂，氣化裝置所在區域地基處理應考慮防凍和防滲措施[15]。

（3）考慮到LNG為-162 ℃液體，為了避免冷收縮而損害管道和設備，一方面，管道及儲罐材料應選擇耐低溫材料，且一般采用彎管和膨脹節作為管道補償措施；另一方面，在管道及設備進料時應考慮保冷與預冷措施[16]。

（4）設置BOG加熱器與回收罐，防止LNG自然蒸發導致儲罐或設備爆炸。

（5）設置液化天然氣安全放散系統，對放散低溫天然氣設置加熱器，使其達到安全放散的要求后，引至放空火炬進行放空。

（6）設置緊急切斷系統，事故狀態時，迅速隔斷事故與其他設備，避免事故擴大。

（7）設置完善的火災及泄漏監測、報警系統，及時發現問題，杜絕事故發生。

5.2 操作、人員管理方面

（1）規范操作規程、組織所有崗位人員進行學習，并實施考核制度，合格后持證上崗。

（2）定期或不定期對設備進行檢查與維修保養，保證系統處于安全運行狀態。

（3）強化管理，建立合理的安全預案，定期對系統進行安全評價。

（4）成立應急小組，在突發情況時，能夠及時控制事故蔓延，降低事故危害及經濟損失。

6 結 論

目前，隨環保理念深入社會，LNG“高效、環保、清潔、價廉”的優點使得其在能源結構中具有不可取代的地位，建設安全、高效、節能的LNG氣化站是擴大LNG應用的基礎，但由于LNG固有的特性，LNG氣化站的建設也有一定的風險，綜合考慮影響因素，對工藝流程、關鍵技術進行全面分析，確定最優設計方案至關重要，本文為LNG氣化站設計與管理提供了參考。

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Analysis on Design and Equipment Selection of LNG Gasification Station

（China Petroleum Engineering & Construction Corp.，Beijing Company, Beijing 100085, China）

Due to the advantages of convenient transportation, energy saving, environmental protection, economy and security, LNG has become the main gas source of the city which is beyond the range of pipeline gas supply. So, the construction and investment of LNG gasification station is becoming more and more important. In this paper, according to the basic characteristics of LNG, technological processes and main equipments of LNG gasification station were studied and analyzed. Security problems on the design and construction process were discussed. The paper can provide some reference for the optimal design selection and safe operation of LNG gasification station.

LNG vaporizing station; process flow; key technology; safety factors; equipment

2020-01-15

馬玉鵬（1989-），男，中級工程師，碩士，北京市人，2014年畢業于中國石油大學（華東）供熱、供燃氣、通風及空調工程專業，研究方向：從事油氣田地面工程設計工作。

TE646

A

1004-0935（2020）05-0508-04