LNG接收站在役管道二次預冷新工藝的應用

王志杰(中海福建天然氣有限責任公司生產運行部，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，在優化能源產業結構、實現碳中和方面發揮著越來越重要的作用，LNG接收站主要包括LNG接卸、儲存、氣化外輸及液態外輸等功能，其中LNG液態外輸形式多樣、快捷靈活[1]。LNG接收站常規設計時未考慮獨立液態外輸功能，隨著LNG氣源多樣化，氣質和熱值差異化，及下游用戶需求，越來越多接收站在原有基礎上新建獨立液態外輸管道。國內某LNG接收站在進行此類項目改建時，需將在役槽車外輸管道內LNG排盡，待碰口作業完成后，對在役管道進行二次預冷。

與管道首次預冷不同，二次預冷前管道經歷了低溫恢復至常溫的過程，產生了新的軸向或徑向應力，使已有管道位移可能發生新的變化，此現象無規律可循。為確保在役管道投產安全可靠，需要結合管道復溫后的實際位移情況，選擇合理的二次預冷工藝，通過有效的溫度監控措施，避免較大管道應力的發生，將管道位移控制在設計范圍內[2-3]。

1 LNG管道預冷工藝

隨著國內LNG接收站低溫管道預冷工藝的不斷積累、創新，常用的LNG管道預冷工藝主要有BOG預冷法，LNG預冷法及液氮預冷法[4-5]。BOG預冷法是向常溫管道中注入低溫BOG，其優點是管道頂底預冷速率均勻，缺點是預冷用時長、無法深度預冷且易復溫；LNG預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，其優點是預冷用時短、可深度預冷，缺點是預冷速率及管道頂底溫差較難控制、且存在法蘭面受冷不均變形風險；液氮預冷法是間歇性向常溫管道內注入氣化后的液氮，其優點是預冷初期速率均勻、效果明顯，缺點是預冷后期冷量不足造成管道頂底溫差較大，預冷速率變慢。

2 預冷新工藝及應用

2.1 預冷新工藝提出及原理

國內某LNG接收站槽車外輸管道全長610 m、3處大π型轉彎、10處死角、高差最大15 m、外接臨時接口僅2處、高點放空倒淋僅2處、且首次預冷已產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，上述常規預冷工藝無法高效完成管道二次預冷，以達到最大限度控制管道位移的目的。

根據管道特殊性，結合LNG管道預冷經驗，創新提出液氮氣化深冷+LNG預冷新工藝。其原理為：將液氮氣化后進行深冷并做氣液分離處理，得到的深冷氮氣直接注入到常溫管道內，通過調節閥控制深冷氮氣注入溫度及壓力，結合管道多點放空操作，保持進入管道的冷量充足，控制管道頂底溫差在50 ℃以內，預冷速率在8～10 ℃以內，預冷后期，通過注入少量LNG，使管道溫降速率更為均勻，間斷性排放管道內氣體，以加劇流體擾動破壞內部氣體流動狀態，減小管道頂底溫差，有效避免管道預冷不均發生管道位移，確保管道安全。

2.2 在役管道二次預冷應用

(1)預冷源注入口選擇。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，從預冷效果及安全操作角度考慮，預冷新工藝選擇新舊管道碰口位置作為預冷源注入點，提前準備好液氮氣化深冷裝置，如圖1所示，使用低溫金屬鎧甲管將液氮氣液分離器及在用LNG管道倒淋與預冷管道倒淋連接，管道走勢如圖2所示，期間根據預冷效果，不斷調節低溫氣態氮氣及LNG的注入量，使冷源不斷的沿著16″(406 mm)槽車外輸管道進入槽車3″(76 mm)返回管道。

圖1 管道預冷源連接示意圖

圖2 在役管道二次預冷示意圖

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

(3)預冷溫度監控。預冷前，先在氣液分離器出入口分別增加臨時溫度變送器A/B，在16英寸(460 mm)槽車外輸管道氮氣注入點增加臨時溫度變送器C/D，便于控制預冷源溫度，預冷時，小開度液氮汽化器旁路上的流量控制閥，將液氮和氣化后氮氣混合變成低溫氮氣，注入預冷管道，打開氮氣排放口2、3、4、5、6，監控槽車外輸管道上的11個溫度監控點變化，并通過調節預冷控制閥V3及各排放口開度來控制預冷速率，保證溫度監控點上下溫差在50 ℃以內，預冷速率在8～10 ℃內。當管道預冷速率較快或頂底部溫差超過50 ℃時，則及時調小預冷控制閥V3并視點位關小排放口，當管道內壓力超過0.3 MPa時，打開排放口1，降壓來控制預冷速率和降低管道頂底溫差。在預冷后期，出現復溫或溫降不明顯時，通過注入少量LNG，使管道溫度下降更為均勻。

(4)管道位移監控。在役管道二次預冷，應避免在已有管道位移基礎上再次發生同方向較大位移，必須將管道位移控制在設計范圍，預冷前應提前做好管道位移標識，隨著預冷的不斷深入，管道會產生軸向或徑向的局部位移，位移量越小說明管道產生的應力越小，預冷效果越好。預冷過程中應定時巡檢管道及管托的扭轉變形情況，記錄橫向和縱向位移量，當位移量接近或已超出設計范圍時，應適當調整預冷速度。

（5）預冷效果。持續通過液氮氣化深冷+LNG工藝預冷，當管道平均溫度降至-70 ℃時，暫停預冷，緊固碰口處法蘭螺栓，再繼續預冷至-120 ℃時，對管道進行升壓測試，測試冷態下管道碰口位置的焊接性能，無異常后預冷結束，對管道填充LNG。

預冷過程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，未出現較明顯溫度波動，整個二次預冷過程耗時約24 h，從時長、溫降效果、管道位移等方面綜合分析，預冷效果毫不遜色于常規管道預冷效果，可以證明液氮氣化深冷+LNG的預冷新工藝對距離長、高差大、死角多等特殊管道二次預冷效果顯著。

圖3 管道預冷及填充溫度趨勢圖

3 結語

(1) 液氮氣化深冷+LNG新工藝的預冷效果在特殊管道二次預冷中得到了很好的驗證，避免了由于冷量不足、預冷速率控制不佳等原因導致管道頂底溫差過大，局部應力集中，管道位移較大等現象的發生，降低預冷操作難度，有效控制過程風險。

(2) 液氮氣化深冷+LNG預冷新工藝可作為日后LNG接收站在役管道二次預冷時的借鑒和參考。