提高LNG接收站儀表空氣可靠性的措施

陳雙武(中海福建天然氣有限責任公司，福建 莆田 351100)

0 引言

LNG接收站運行中，儀表空氣主要作為現(xiàn)場氣動閥門的驅(qū)動氣源。在實際生產(chǎn)過程中，儀表空壓機出現(xiàn)多次故障停車，當儀表空氣壓力持續(xù)降低，達到連鎖設定值時，會造成全場緊急停車，將會給接收站帶來巨大的損失。同時由于接收站擴容氣動閥門隨著增加，在進行氣動閥門測試和操作時，儀表空氣用量增大明顯，造成儀表空氣壓力較低或者空壓機長時間連續(xù)運行異常跳車風險增大。為了增加儀表空壓機故障時應急時間和閥門測試工作的正常進行，保證接收站平穩(wěn)運行，通過氮氣補充儀表空氣或?qū)ΜF(xiàn)有儀表空氣系統(tǒng)流程進行改造，可提升儀表空氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 接收站儀表空氣流程概述

1.1 儀表風(空氣)簡介

在LNG接收站公用工程區(qū)，空氣經(jīng)壓縮機加壓后，得到壓力在0.8～0.9 MPa的壓縮空氣并儲存在濕氣罐中，壓縮空氣有兩個用途，一個是經(jīng)過干燥塔處理后使其露點低于-60 ℃，通過干氣罐緩沖，進入儀表空氣管網(wǎng)，供現(xiàn)場所有氣動閥門驅(qū)動使用，稱為儀表風。一個不經(jīng)過干燥直接輸入空氣管網(wǎng)，用于現(xiàn)場管道設備空氣吹掃，稱為工廠風。在緊急停車保護系統(tǒng)中設置有儀表風壓力低低連鎖，當觸發(fā)該連鎖時，全廠設備將執(zhí)行緊急停車保護，相應事故關閥門將關閉，若監(jiān)控不到位，可能造成管道憋壓。

1.2 氮氣系統(tǒng)簡介

LNG接收站氮氣系統(tǒng)有兩個氣源：一個是外購液氮，儲存至液氮儲罐，氣化后進入氮氣管網(wǎng)；另一個是膜制氮設備，空氣通過高分子膜分離出氮氣，經(jīng)過干燥塔處理后露點下降至-70 ℃以下，輸送到氮氣管網(wǎng)。氮氣無色、無味、無毒，屬于惰性氣體，化學性質(zhì)較穩(wěn)定，只有在高溫、高壓或催化劑作用下能發(fā)生化學反應。在接收站中，氮氣用于BOG壓縮機負荷調(diào)節(jié)和氮封、火炬供氮防止回火、卸料臂和氣相返回臂的回轉(zhuǎn)接頭氮封、檢維修時管線或設備的吹掃、高、低壓泵儀表電纜穿線管和電源電纜穿線管氮封等。另外，在流程及工況具備時，氮氣可補充到儀表空氣管網(wǎng)中以實現(xiàn)后者的功能[1]。

1.3 儀表風風量

根據(jù)儀表空壓機的設計參數(shù)得知，儀表空壓機設計量為456 m3/h。為了維持接收站的正常生產(chǎn)運行，儀表空壓機正常操作壓力為850 kPa，最低輸出壓力為600 kPa，維持時間30 min。

依據(jù)《石油化工儀表供氣設計規(guī)范》中的公式為：

式中：V為貯氣罐容積(m3)；Qd為標準狀態(tài)下氣源裝置設計容積(m3/h)；T為維持時間(min)；P1為正常操作壓力(kPa)，約為最高操作壓力；P2為最低輸出壓力(kPa)；P0為大氣壓強，通常為P0=101.33 kPa。

通過計算，儀表緩沖罐的理論容積為82.5 m3，而目前福建LNG接收站儀表緩沖罐有兩個，實際容積為11.5 m3+52.2 m3=63.7 m3，在滿足設計的要求下，緊急情況下仍不能滿足下游用量。

2 工藝流程改造

2.1 氮氣管網(wǎng)與儀表空氣冗余跨接

在用量滿足的情況下，氮氣在緊急情況下可代替儀表空氣，在工藝上需進行變更。現(xiàn)從氮氣系統(tǒng)后引一路氣源接至給儀表空氣管路上，作為儀表空氣的緊急備用氣源供氣，設置供氣調(diào)節(jié)閥14PV0005，并增加一個止逆閥，防止儀表空氣倒輸進入氮氣管網(wǎng)。公用工程區(qū)儀表空氣壓縮機故障導致儀表空氣壓力過低時，自動切換為氮氣系統(tǒng)緊急供氣，保證裝置安全、穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)。改造后的工作原理如圖 1所示。

圖1 改造后的儀表空氣流程圖

氮氣管網(wǎng)壓力為0.85 MPa，比正常儀表空氣0.80 MPa高，滿足控制閥對氣源壓力的要求，為防止儀表空氣和氮氣互相串氣，在氮氣后給儀表緩沖罐供氣管路上加有一止逆閥，在14PV0005 調(diào)節(jié)閥前、后增加的手切閥，便于日常檢查，故障檢修及其他意外情況。當儀表緩沖罐入口壓力＜0.7 MPa 時，14PV0005 調(diào)節(jié)閥正常開啟，空分氣源通過儀表供氣管道給儀表緩沖罐補充氣源，保證其他裝置儀表空氣的正常供給；當儀表空氣壓縮機恢復正常供氣，氣源壓力＞0.8 MPa 時，14PV0005 切斷閥自動關閉，恢復至正常供氣狀態(tài)。

2.2 氮氣的風險及預防措施

空氣中氮氣含量過高，使吸入氣氧分壓下降，引起缺氧窒息。吸入氮氣濃度不太高時，患者最初感胸悶、氣短、疲軟無力；繼而有煩躁不安、極度興奮、亂跑、叫喊、神情恍惚、步態(tài)不穩(wěn)，稱之為“氮酩酊”，可進入昏睡或昏迷狀態(tài)。吸入高濃度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。為避免窒息的發(fā)生，操作人員必須站在上風向進行操作。根據(jù)工藝流程及現(xiàn)場實際情況對氮氣供應儀表空氣系統(tǒng)進行風險辨識，并針對性地制定管控措施，具體如表1所示[2]。

表1 氮氣供應儀表空氣系統(tǒng)風險辨識及管控措施

2.3 儀表緩沖罐并聯(lián)

接收站儀表空氣系統(tǒng)目前有兩個干氣緩沖罐，由圖可以看出兩個緩沖罐串聯(lián)在一起，且干氣罐A(11.5 m3)明顯小于干氣罐B(52.5 m3)，當下游儀表空氣用量過大時，將大大減少緩沖罐B的利用率。若如圖2 A線所示，增加干氣罐B直接外輸，關閉V1閥，使儀表緩沖罐并聯(lián)，提高緊急情況下儀表空氣維持時間。

圖2 儀表空壓機作為膜制氮空氣源流程圖

2.4 增加儀表空氣緩沖罐

當現(xiàn)場某區(qū)域需要大量用到儀表風或氮氣時，為保持氣源的穩(wěn)定性，增加緩沖罐是一個有效可行的選擇，例如實際運用中的新增槽車站儀表風及氮氣緩沖罐。通過前面計算可知，公用工程區(qū)儀表空氣緩沖罐實際容積比理論容積偏少，且接收站來船前需要進行碼頭ESD測試和儲罐HV閥測試，測試過程中開關閥門需要大量的儀表空氣，會造成儀表空氣管網(wǎng)壓力不斷降低。建議在碼頭與儲罐間加裝一個儀表空氣緩沖罐(約20 m3)，不僅能夠滿足碼頭和儲罐的相關作業(yè)，而且在應急情況下盡快地對現(xiàn)場異常關閉的閥門進行復位打開。

3 儀表空壓機作為膜制氮空氣源

根據(jù)設備使用年限及設備使用臺賬記錄，福建LNG接收站膜制氮壓縮機老化較為嚴重，故障率較高，另一方面經(jīng)過二期擴容，儀表空壓機備用率較高，建議在儀表空氣壓縮機出口增加與膜制氮壓縮機出口跨接管線，當膜制氮壓縮機故障時，可通過流程設置儀表空壓機替代膜制氮壓縮機，作為膜組空氣源產(chǎn)生進而氮氣，達到提高氮氣系統(tǒng)作為儀表空氣系統(tǒng)補充氣源可靠性的目的：

方式一：關閉儀表空壓機C出口到濕氣罐手閥V2，打開導淋閥V1，通過儀表空壓機C為膜制氮提供空氣源。優(yōu)點是膜制氮系統(tǒng)和儀表空氣系統(tǒng)互不影響，且使用膜制氮可降低液氮用量，節(jié)約成本。缺點是儀表空壓機備用率降低，目前儀表空壓機A仍存在故障；

方式二：打開儀表空壓機C出口到濕氣罐手閥V2和導淋閥V1，通過儀表空壓機A/C或B/C同時給儀表系統(tǒng)和膜制氮系統(tǒng)提供空氣源。優(yōu)點是通過三個緩沖罐可減少儀表空壓機啟停，增加空壓機使用壽命。缺點是膜制氮系統(tǒng)和儀表空氣系統(tǒng)相互影響，降低儀表空氣可靠性。

4 儀表空氣系統(tǒng)優(yōu)化后預計運行效果

儀表空氣系統(tǒng)是接收站安全運行最重要的系統(tǒng)之一。文章通過對儀表空氣系統(tǒng)工藝流程進行梳理、現(xiàn)場核對以及儀表風風量進行設計核算，得出儀表空壓機異常跳車、儀表風臨時用量陡增、緩沖罐能力不足是影響儀表風系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定的主要因素。通過采取緩沖罐并聯(lián)、氮氣系統(tǒng)跨接、優(yōu)化膜制氮運行流程的措施，在發(fā)生儀表空氣壓縮機故障事故時，氮氣系統(tǒng)氣源能及時自動投入運行，且儀表空氣緩沖罐并聯(lián)可增加維持時間，極大降低了儀表空氣壓縮機故障跳車或現(xiàn)場大量需要儀表空氣的作業(yè)導致儀表空氣壓力下降的風險，提升了接收站儀表空氣系統(tǒng)安全可靠性能[3]。