LNG加氣站管道預冷裝置研發與應用

張 鵬, 戴 航, 王 娜, 白佳飛

(陜西燃氣集團交通能源發展有限公司, 陜西 西安 710016)

1 概述

目前,全國各地LNG加氣站建設呈現高速發展趨勢,截至2022年底,全國已建成LNG加氣站逾5 000座。預冷是LNG加氣站投產過程中最為關鍵且風險最高的環節。目前,LNG加氣站工藝管道預冷介質主要為經濟性、穩定性好的液氮,采用液氮槽車進行預冷。該預冷方式作業程序復雜,且存在液氮調配難、預冷成本高、手動操作不規范、安全風險大、預冷溫度和壓力無法實時監測、自動化程度低、預冷質量不高等突出問題,給LNG加氣站后期安全運行帶來一定風險[1-2]。針對上述問題,本文研制出一種LNG加氣站管道預冷裝置(簡稱預冷裝置,實物見圖1)。

圖1 新型LNG加氣站管道預冷裝置實物

2 LNG加氣站管道預冷裝置

2.1 結構

預冷裝置主要包括控制柜、填充液氮的預冷泵池、設置在預冷泵池中的低溫潛液泵,以及用于連接預冷泵池和待預冷管道的液相管路、回流管路。液相管路、回流管路通過金屬軟管、專用連接器連接待預冷管道。預冷泵池上設置有連通外部的放散管路。預冷泵池出入口、回流管路和液相管路上均設置有截止閥。回流管路和液相管路(靠近待預冷管道的一端)以及專用連接器上均設置溫度傳感器和壓力傳感器。

2.2 預冷方法

2.2.1與待預冷管道的連接

本裝置與待預冷管道的連接方式為管道直連。當待預冷管道比較長時,為實時監測待預冷管道的狀況,保證預冷質量,待預冷管道中間使用專用連接器連接。

預冷裝置完成液氮充裝,液氮預冷裝置液相管路出口用第1金屬軟管與待預冷管道進口連接;液氮預冷裝置回流管路進口用第2金屬軟管與待預冷管道出口連接;專用連接器的入口通過第3金屬軟管與待預冷管道的中間出口連接,專用連接器的出口通過第4金屬軟管與待預冷管道的中間入口連接,形成預冷回路。

2.2.2預冷過程

① 第1步:打開低溫潛液泵、放散閥(圖2中未畫出)、液相管路的第2手動截止閥和回流管路的第4手動截止閥、第2電動閥、第3手動截止閥,打開并調節預冷泵池出口的第1手動截止閥、第1電動閥,將液氮的流速控制在4～6 m/s。液氮進入待預冷管道再經過回流管路返回預冷泵池,完成一次循環。然后關閉低溫潛液泵,通過溫度傳感器、壓力傳感器現場讀取或通過控制柜讀取管路溫度、壓力。

圖2 預冷裝置進行LNG加氣站管道預冷的工藝流程

② 第2步:重復第1步多次,直至回流管路上的溫度傳感器讀數降至-51 ℃。

③ 第3步:調節預冷泵池出口的第1手動截止閥,將液氮的流速控制在18～22 m/s,當液氮完成一次循環后,關閉低溫潛液泵,觀察管路溫度、壓力。

④ 第4步:重復第3步多次,直至回流管路上的溫度傳感器讀數降至-162 ℃,關閉低溫潛液泵,停止循環。

⑤ 第5步:當液相管路的壓力傳感器的讀數為0時,關閉放散閥,使得預冷泵池和待預冷管道之間形成密閉回路,打開低溫潛液泵控制液氮在密閉回路中循環30 min,流速為5 m/s,待溫度穩定后,關閉低溫潛液泵,完成預冷。

2.2.3預冷過程中的監控

通過溫度傳感器、壓力傳感器實時監測預冷過程中的溫度、壓力,可以在控制柜的顯示屏上讀取。當溫度、壓力出現異常時,控制柜控制潛液泵停止工作,也可通過第1急停按鈕、第2急停按鈕人工控制潛液泵停止工作。

2.2.4預冷后清理

預冷完畢,通過放散管路對待預冷管道內的液氮進行放散,拆除金屬軟管、專用連接器,清理現場。

2.3 預冷效果

采用預冷裝置預冷,通過分階段合理控制液氮流速,使待預冷管道逐步冷卻,提高了預冷過程的穩定性。預冷裝置已取得國家實用新型專利[3]和外觀設計專利[4-5],并榮獲陜西省科技工作者創新創業大賽一等獎、2022年度中國創新方法大賽二等獎。

3 預冷裝置優點

① 創新性。預冷裝置集多檢測手段、多安全設施于一體,可提升管道預冷作業的安全性和可靠性,實現預冷作業全過程控制。

② 實用性。預冷裝置的預冷效率高、準備時間短、應用廣,實際運行參數達到設計指標。

③ 安全性。預冷裝置設置實時數據監控、數據通信、數據處理、安全報警聯鎖和緊急停車等功能。控制集成度高,勞動強度降低,安全系數較高。

4 經濟性分析

某公司有LNG加氣站若干座,對于新建或改造的加氣站,需要進行預冷。該公司擁有1套預冷裝置,預冷裝置除自用外,還可以對外租賃。對使用該預冷裝置進行經濟性分析,相關基礎數據見表1。

表1 經濟性分析的相關基礎數據

根據表1數據計算得知,從靜態分析來看,使用預冷裝置的總投資收益率為27.71%,大于行業基準投資收益率(為8%);靜態投資回收期較短,僅為3.6 a;從動態分析來看,財務凈現值為82.47×104元,大于0。分析結果說明,使用預冷裝置的技術方案在經濟上可行。