LNG接收站中高壓泵的布置與管道設計

劉家楨

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

作為一種清潔、高效的優質能源，在“雙碳”目標背景下，天然氣在改善大氣環境、優化能源結構等方面具有較大的優勢。液化天然氣(LNG)接收站是用于接卸并儲存外貿過程中運輸的LNG的場所，高壓外輸泵是重要的增壓設施，與下游生產生活等活動的供氣穩定性息息相關。高壓外輸泵屬于立式潛液泵，采用立式、電動、恒定轉速離心泵，安裝在專用的立式泵罐內。

本文綜合近年來開工建設及投產的LNG接收站，以各接收站中的高壓泵設計為例，對高壓泵及其附屬管道的布置與設計進行總結，以期對后續的工程設計提供一定的幫助。

1 高壓泵裝置區的平面布置

1.1 基本要求

首先，在布局上高壓泵應當按符合工藝流程順序的原則進行布置。目前，大部分的接收站里處理BOG都是采用再液化的工藝，站內設有低壓壓縮機以及再冷凝器。再冷凝器在該工藝中還兼有高壓泵入口緩沖裝置的功能。因此，根據兩者的緊密性，一般是將再冷凝器與高壓泵就近布置。

其次，設計過程中需將多臺高壓泵設備集中布置。考慮到遠期擴建需求，目前接收站內高壓泵規劃數量能夠達到8～9臺以上。

再次，接收站內的高壓泵一般露天布置，且為了保證泵的檢維修作業能夠正常進行，泵上方留有充足的空間。泵的入口管道往往設有過濾裝置，在考慮高壓泵的基礎高度時，需能夠滿足過濾裝置正常抽芯作業要求。

最后，高壓泵處理液化天然氣時存在泄漏的風險，在考慮總體布置時，需設有配套的泄漏收集措施，即在裝置區內設置收集溝，并接入集液池。集液池的位置和大小應當按照GB 50183—2004 《石油天然氣工程設計防火規范》的規定考慮。

1.2 裝置布局方式分類

高壓泵的裝置布局有兩種不同的分類方式：一種是按設備的安裝高度來區分；一種是按設備管口方位來區分。按照設備安裝高度，可區分為埋地式和框架式，這是由工藝選擇決定的[1]；按照設備的管口方位來區分，可區分為并排式和對稱式，這種更多和管道布置有關。

埋地式布置是通過設置泵井的方式，將高壓泵的大部分結構放置于地面以下。常規做法是在地面設置泵井，泵井頂沿略高于地面，泵井同時具備支撐設備和阻擋雨水的作用。高壓泵支耳放置在泵井頂沿上，設備重心一般在地坪高度上下。框架式布置一般通過設置結構框架的方式，將高壓泵支撐在結構框架上。管道操作平臺與設備基礎平臺聯合布置，便于運營人員的巡檢、操作及設備的檢維修作業。

并排式即將高壓泵同排布置，所有高壓泵的布置中，管口的朝向、連接管道的走向、閥門的操作方位均一致。對稱式則為兩兩一組，每兩臺高壓泵的管口朝向、附屬管道的走向以及管道上閥門的操作方位均沿中軸線呈鏡像對稱布置。

兩種不同的分類方式配合采用，兩兩組合，共有四種不同的布置方案，即埋地并排式、框架并排式、埋地對稱式和框架對稱式。其中由于框架對稱式占地較多，造價高，實際應用的項目案例較少。下面對前三種進行簡要介紹。

1.2.1 埋地并排式

如前所述，這種布置方式通過設置泵井，所有泵的管口朝向以及管道走向均一致。如圖1所示，平臺采用聯合平臺，且一般僅用于管道布置，聯合平臺與設備泵井互不干涉，獨立布置。平臺寬度相對較小，框架層數為1～2層，平臺高度整體較低，便于人員上下攀爬，投資也相對較低。

圖1 埋地并排式布置示例

1.2.2 埋地對稱式

埋地對稱式也是采用設置泵井的方式。高壓泵兩臺一組，其附屬管道呈鏡像對稱的方式分布。如圖2所示，聯合平臺與設備泵井基礎互不干涉、獨立布置，高壓泵附屬的工藝管道集中布置在聯合平臺上。平臺寬度相對較小，為便于閥門操作，一般考慮設置相互連通的局部平臺。

圖2 埋地對稱式布置示例

1.2.3 框架并排式

這種布置方式是將高壓泵布置于支撐框架結構上。支撐框架和管道操作平臺聯合布置。設備周圍設巡檢通道，設備的巡檢通道與附屬管道的巡檢通道連通。如圖3所示，平臺寬度一般相對較大。

圖3 框架并排式布置實例

也可采用折疊管道的方式，在立面不同高度上設置操作面，可縮減平臺寬度，優先保證滿足無袋形管道的布置空間需求，對布置要求不太嚴格的管道采取高低錯層布置，管道存在袋形的位置設置排凈放空點。

目前還有一種發展中的布局方式是考慮將高壓泵放置于泵井內，但其附屬管道與管匯管廊統籌考慮降低標高，敷設在地面上的支撐基礎上，通過設置局部跨步的方式，滿足人員通行和閥門操作的需求。此種理念可大大降低結構框架的成本，有效節約了建設投資。

2 高壓泵的管道設計要點

在高壓泵管道設計中，主要考慮的是管道內介質的泄漏[2]、易燃易爆以及介質的低溫特性等方面的要求。

在滿足工藝流程要求的前提下，管道布置要盡量緊湊，另外還要考慮閥門的操作與檢修。高壓泵附屬管道上的吹掃、排凈和放空等支管管路和需要現場操作的閥門較多，一般會考慮將進出口管道及高壓回流管道布置于操作平臺上。安全閥相關管道集中布置于更高的頂層局部平臺，或集中布置于臨近的管廊頂部。

在設計中應當盡量減少法蘭式連接，避免其泄漏。介質的操作溫度一般為-160 ℃，管道的柔性設計是布置過程中考量的一大重點[3]。液化烴管道上通過設置自然補償的方式，來降低管道系統內的應力水平。

高壓泵的相關管道主要有低壓進口管道，高壓出口管道、高壓泵回流管道以及放空管道等。

2.1 高壓泵的進口管道

LNG入口總管自再冷凝器底部步步低接入高壓泵裝置區。每臺泵的入口管道自總管的底部引出，高壓泵的入口管道不得存在袋形并帶有一定的坡度，更利于介質的流動。進口管道上設有切斷閥門和過濾器等管件。過濾器可采用T型過濾器，也可采用SRT型過濾器。

除個別情況外，一般高壓泵進口均高于支撐耳座。運行工況下，泵殼收縮，管口有向下的位移。入口管道一般設置自然補償器，在靠近設備進口處需設置彈簧支架，以滿足管口許用荷載和位移的要求，避免剛性支撐破壞設備管口。

2.2 高壓泵的LNG出口管道

LNG經高壓泵增壓后，經管廊總管傳輸至氣化器裝置。出口管道上設有止回閥、流量調節閥和切斷閥門等，并按照步步高接入匯總管道的方式布置為佳。如不能實現，管道上也可出現低點，只是需注意設置排凈口。高壓泵出口管道的布置還需滿足在線計量裝置前后直管段長度的要求、閥門操作要求及支路管道的布置操作要求。供貨廠家不同，在線計量裝置前后直管段的長度要求不同。另外，有的軸流式止回閥也會有前后直管段要求。

由于管道壓力較高，管道壁厚值較大，布置過程中尤其要注意柔性設計。在運行工況下，出口管道管口也有向下的位移，可考慮在高壓泵出口處設置彈簧支架，并且通過設置自然補償的方式，滿足管口許用荷載和位移的要求，避免破壞設備管口。

2.3 高壓泵的LNG回流管道

LNG回流管道自出口管道接出后返輸至再冷凝器，設有流量調節閥和切斷閥。有些工藝方案在回流管道上也設置止回閥，降低高壓泵進出口管道的壓力波動，提高了系統的穩定性。

高壓回流管道可以與高壓LNG出口管道在同一高度平行布置，也可將回流管道與出口管道錯層布置。但高差不宜過大，在兩根管道間設置操作通道或平臺，為兩根管道上閥門的同層操作使用。回流管道應能保證從接出點步步高接入管廊上的總管，乃至步步高接入再冷凝器，避免出現袋形。

該管線的壓力值等參數同出口管道，布置過程中需保證該管道有足夠的柔性，在設計過程中與出口管道作為一個整體管系進行應力分析。

2.4 高壓泵的放空管道

放空管道用于將高壓泵中吸熱產生的氣體及時排出，減小泵內液位的波動。其上設有切斷閥門、超壓保護裝置和氣液分離裝置。根據工藝要求不同，氣液分離裝置有不同的安裝位置。

放空管道自高壓泵的管口引出至再冷凝器的頂端，布置時應當保證管道步步高，不能出現液袋或是氣袋。因此，當氣液分離裝置設置于泵殼放空口附近時，需設置平臺，滿足閥門操作需求。匯總管道應盡量高，保證不低于再冷凝器的高高液位。

當氣液分離裝置設置在再冷凝器框架上時，放空管道可與進出口管道布置于同一平臺，管廊上的匯總管道無需架高布置，且不得高于再冷凝器的低低液位；放空管道上的安全閥可與高壓泵進出口管道上的安全閥統一布置。

根據布置方式的不同，管道內介質的形態以氣體為主(如第一種架高敷設)，也可能以液體為主(如第二種平臺敷設)。兩種情況下均為低溫管道，應當結合柔性分析進行設計。

3 附屬管道的柔性設計對比

目前高壓泵附屬管道的典型布置方式可分為兩種。下面對兩種布置方式進行描述，并對比其柔性設計方式，能夠發現其核心邏輯是一致的。

3.1 高壓泵的進口管道

高壓泵的入口自泵筒的側面引出，高壓泵入口的常規設計如圖4左側所示，自管廊引出口水平接入設備。管道接入前，需將其標高調整至與設備管口等高。管道可沿平臺和地面敷設，并保有一定的坡度。這種設計方案中入口總管與設備管口間距離較遠，通過在管道中心位置設置固定點，將管道分為兩部分，固定點一般與管口在同一高度。自總管至固定點采用L型或Z型補償，自固定點至設備入口設置π型補償。為保證設備入口的垂直移動，管道在入口處設置彈簧支架。

圖4 進口管道柔性設計典型圖

如圖4右側所示，為另外一種設計思路。該設計方案中，將高壓泵架高布置，并將高壓泵入口總管靠近高壓泵布置，設備入口管道自總管底部引出降至與設備入口等高，然后經過不等臂的自然補償接入設備，管道保有一定坡度。管道上不再設置固定點，而是通過設置導向架的方式，保證接入直管段與設備管口同軸，避免管道徑向應力作用于管口。管口處同樣需要設置彈簧支架，用于分擔管口垂直荷載。

3.2 高壓泵的出口管道

高壓泵的出口自泵的頂蓋上引出后調整為水平方向，高壓泵出口的常規設計如圖5左側所示。自高壓泵出口引出后接入管廊總管。出口管道(包括回流管道)與進口管道走向相同，可平行設置。為滿足管道柔性，管道上設置2處固定支架，將出口管道分為3個部分。管道自設備出口接出后，沿水平方向敷設。隨后設置水平π型補償，補償后即設固定支架，固定支架盡量靠近設備，可有效簡化兩者間管道走向，易于調整管口應力水平。自三通后接入平臺上方，此段直管段相對較長，需在中間位置設置固定支架，兩處固定支架為Z型結構，并只設置承重支架，讓管道自由滑動，提高管道的柔性設計。第二個固定支架到管廊接入點間的管道也是Z型結構，通過在管廊底部設置與總管同向的直管段，可有效降低接入點的應力水平。

圖5 出口管道柔性設計典型圖

如圖5右側所示，為另一種設計方案。此方案中同樣采用自然補償用于吸收管道形變位移，降低管道應力水平，但為節省裝置占地空間，采取了立式自然補償。在該方案中，出口管道自設備管口引出后沿管口朝向敷設，水平管道設計彈簧支架。隨后通過立管調整至地面敷設，布置了出口的控制閥門等管件后再次上翻至高處，接入管廊底部，管道整體走向為一個立式回形針樣式。在地面管道靠近設備處設置止推管架，用于隔斷管道軸向變形，并降低了設備管口處管道變形量及管口水平荷載。第二段架高管道中間位置設置固定支架，止推支架與固定支架間管道為L型補償，固定支架至管廊接入點間管道也為L型補償。

4 結論

(1)高壓泵區域的設計是一個系統性的工作，需兼顧多方面的要求，既要滿足工藝要求，也要做到安全可靠，經濟合理，并能夠滿足操作和檢維修的需要；

(2)高壓泵區域的布局方式有多種形式，可根據工藝的要求確定其支撐方式，然后根據總圖上用地規模及業主操作習慣選擇合理的布局方式；

(3)低溫管道的柔性設計是管道布置中的重點，需結合設備廠家提供的管口許用荷載，合理設置管道上的固定支架，對其進行分段研究設計，避免因支架設置不合理給設備帶來損害。