擴建LNG接收站火炬方案比選

摘" " 要：規模化擴建的LNG接收站火炬系統設計方案主要有新增火炬和原有火炬系統改造兩種，在互聯互通的需求下，通過泄放量核算對現有火炬剩余能力進行校核，在剩余能力不滿足泄放需求時，應通過壓降核算、經濟、安全及技術等多方面的比選綜合確定最優方案。以國內某接收站二期項目為依托，對LNG接收站擴建項目的火炬系統配置方案進行比選研究。基于對現有工程、本期建設規模及遠期規劃進行泄放量核算，并通過HYSYS仿真模擬對新增火炬和依托一期火炬系統改造兩種方案進行火炬管網壓降核算。綜合考慮本期及遠期的火炬泄放需求，優選分期新增火炬的設計方案，單臺火炬處理能力80 t/h，并新建D1 168 mm×12.7mm火炬管道以滿足儲罐26 kPa（G）泄放壓力下的需求。

關鍵詞：LNG接收站擴建；互聯互通；泄放計算；火炬系統；方案比選

Comparison of flare system design schemes for LNG terminal expansion project

LI Anqi， SUN Yajuan， JIANG Xiaxue， LIANG Hairui

CNOOC Gas amp; Power Group Co.， Ltd.， Beijing 100028， China

Abstract：Adding new flares or renovating the existing flare system are two schemes of flare system design for large-scale expansion of LNG terminals. Under the need for interconnections， when the remaining capacity of the existing flare system which needs to be examined by calculating the discharge capacity does not meet the discharge requirements， an optimal scheme should be determined through pressure drop calculation and comparison in terms of economy， safety， and technique. In this paper， the second-phase project of a domestic terminal is selected to compare and study the flare system design schemes for LNG terminal expansion projects. The discharge capacity is calculated based on the existing foundation， construction scale of the current phase， and long-term planning. The pressure drop of the flare pipeline network under the two schemes of adding new flares or renovating the first-phase flares is calculated using HYSYS software. Taking into account the current and future flare discharge needs， this paper recommends a design scheme for adding new flares in stages. Specifically， the processing capacity of a single flare is 80 t/h， and a new flare pipeline with an outer diameter of 1 168 mm and a wall thickness of 12.7 mm will be built to ensure the function of the storage tank at a discharge pressure of 26 kPa（G）.

Keywords：LNG terminal expansion project; interconnection; discharge calculation; flare system; scheme comparison

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.006

隨著國家以大庫、大站為基地，打造LNG接收站集群，形成“全國一張網、保供一盤棋、運營一體化”天然氣產供儲運銷體系戰略的落實，LNG接收站擴建熱潮不斷。天津、江蘇、浙江、珠海等多個沿海地區正在通過擴建形成LNG接收站產業集群。

擴建項目相比于單獨新建能夠有效利用已有項目的基礎設施剩余能力，實現操作互聯互通，降低設備投資及運營成本。但是系統規模擴大、互聯互通結構復雜、功能不斷疊加，使得在LNG接收站擴建項目設計中需要根據市場需求，在現有工程基礎上對全廠近、遠期的工藝及接口進行兼容性核算與設計[1]。擴建項目的核算與設計主要內容包括：罐容及儲罐數量核算、氣化外輸設施核算、BOG系統核算與設計、火炬能力核算與設計，以及公用工程相關核算與設計等。相比于新建項目，擴建項目核算與設計的制約因素更多，除了考慮市場需求，更受到土地資源、岸線資源、已有設備布置等因素的制約。其中，火炬系統作為確保LNG接收站安全運行的重要設備，具有占地面積大、單體設備投資高等特點。合理進行火炬系統的核算與設計方案比選，對確保LNG接收站安全運行、優化項目的總圖布置、降低總投資起到舉足輕重的作用。

以國內某接收站二期建設項目為依托，基于對現有工程、本期建設規模及遠期規劃的泄放核算，綜合考慮本期及遠期的火炬泄放需求，通過HYSYS進行初步的火炬管網壓降核算，確定安全經濟的火炬系統設計方案，包括火炬處理能力、分期配置方案、管道尺寸等。

1" " 計算基礎

1.1" " 項目概況

某LNG接收站一期建設規模600 × 104 t，建設4座22 × 104 m3和6座27 × 104" m3 LNG儲罐，整體泄放規模為187.77 t/h（含輸氣首站放空35.4 t/h），配套火炬泄放能力202.12 t/h。二期考慮新增市場需求，設計規模400×104 t，建設4座27 ×104 m3 LNG儲罐及配套設施。同時在原有卸料碼頭配套建設1座卸料泊位，加上原有的1座卸料泊位可實現向一、二期儲罐區同時卸料。項目的一、二期在原有功能基礎上，實現卸料系統互聯、高低壓LNG系統互聯、外輸NG系統互聯。同時，項目為遠期預留4座27 × 104 m3儲罐、4條氣化線及相關配套設施。全站流程示意見圖1。

由于沿海接收站火炬一般選用高架火炬，更換火炬難度高、費用多且不安全，因此多以改造火炬管網及新增火炬為主要的解決方案[1]。國內已有的LNG接收站項目在擴建中采用的火炬系統配置方案見表1。

1.2" " 計算工況

LNG接收站的火炬泄放量核算主要考慮5種工況，見表2。

2" " 泄放量計算及火炬方案比選

2.1" " 設計泄放量核算

1）工況一。本工況在卸料時主要考慮卸料返氣失效和、BOG壓縮機故障，同時每座儲罐有1臺低壓泵回流[2]。與新建LNG接收站不同的是，極端工況為雙卸料時兩個泊位的返氣系統均失效。二期考慮卸料速率為13 200 m3/h，遠期受系統動力影響，卸料速率下降至11 000 m3/h。項目平均大氣壓降低速率為500 Pa/h，低壓泵回流功率為234 kW。此工況下，二期總泄放量為175.69 t/h，遠期總泄放量為200.89 t/h。

2）工況二。本工況考慮高壓補氣閥誤開、最大的氣壓變化以及日蒸發。本項目設置了單罐補氣，選取全廠最大補氣閥能力作為計算基礎，即81 t/h。最大大氣壓變化速率為841 Pa/h（降低）。此工況下，二期總泄放量為189.40 t/h，遠期總泄放量為221.89 t/h。

3）工況三。本工況考慮最大大氣壓變化時的儲罐泄放量和火災時儲罐內產生的BOG量[3]。火災工況計算常用的標準有API-521、GB/T 20368、NFPA 59A，其中GB/T 20368為NFPA 59A的采標，使用同一套計算公式。本計算中使用API-521的公式進行計算，火災時產生的BOG量為9.81 t/h。此工況下，二期總泄放量為89.92 t/h，遠期總泄放量為113.94 t/h。

4）工況四。本工況考慮儀表空氣故障，閥門處于故障位置，所有泵均處于回流狀態；同時考慮儲罐靜蒸發及正常大氣壓變化引起的BOG產生量。擴建或新建項目中，除了低壓泵、高壓泵外，一般還配有裝船泵，本項目單臺裝船泵流量為2 000 m3/h，最大工作臺數均為3臺。低壓泵的運行數量由槽車外輸、氣化外輸及保冷循環流量確定，含一期在內，二期共有17臺低壓泵運行，其中9臺用于氣化外輸；遠期共有26臺低壓泵運行，其中16臺用于氣化外輸。此工況下，二期總泄放量為176.48 t/h，遠期總泄放量為287.06 t/h。

5）工況五。本工況考慮電力失效導致設備停轉后，儲罐的靜蒸發量和最大的氣壓變化引起的儲罐BOG量。此工況下，二期總泄放量為108.18 t/h，遠期總泄放量為140.67 t/h。

各工況BOG產生量核算結果見表3。

二期建成后整體火炬泄放量最大為189.40 t/h，泄放決定工況為“工況二：最大的氣壓變化和高壓補氣閥誤開”；遠期建成后整體火炬泄放量最大為287.06 t/h，泄放決定工況為“工況四：儀表空氣故障”。

結合一期首站泄放量35.4 t/h，二期全廠泄放能力達224.80 t/h，遠期達322.46 t/h。

若疊加考慮大氣壓變化，則工況四對應的二期全廠泄放量為224.35 t/h，遠期為348.98 t/h。

2.2" " "火炬配置方案對比分析

一期火炬設計能力為202.12 t/h，火炬直徑為1.0 m，高度為113.0 m，分液罐容積為125 m3。工況二對應的接收站BOG主要參數如表4所示。

二期火炬設計方案主要有新增火炬及配套設施和原有火炬系統改造兩種，現比選如下。

2.2.1" " 方案一：新增地面火炬

受項目所在區域地理位置影響，二期項目未直接與海岸線連接，如果設置高架火炬需繞過一期外圍公路，因此選用地面火炬。本方案擬在接收站新建地面火炬1座，考慮遠期泄放需求及現階段地面火炬筒最大處理量為100 t/h，初步擬定火炬處理量為80 t/h，并為遠期預留1座80 t/h火炬接口。該方案需配套火炬分液罐及燃料氣系統。

此方案下，火炬管網的管徑只需考慮二期及遠期單獨產生的泄放量，同時確保泄放氣體到達兩期火炬分液罐前的壓力相當，以確保系統物流的平衡。根據整體流程搭建HYSYS模型，對管徑進行計算比選，壓降核算結果見表5。

經HYSYS模型核算，當火炬管道規格為D 1 168 mm × 12.7 mm時，到達火炬塔底的壓力為14.01 kPa（G），新建火炬后可以滿足工藝系統在26 kPa（G）下的泄放壓降要求。

本方案的優點是建造工藝簡單，建設周期短，能夠充分保證接收站的泄放處理需求，同時兼顧遠期的建設需求；缺點是設備投資較高，為滿足安全間距要求，占地面積相對較大。

2.2.2" " 方案二：與一期共用火炬

本方案擬通過一、二期BOG互聯管道，將二期產生的泄放量引入一期火炬管網并進入火炬處理，一、二期BOG互聯管道HYSYS仿真流程如圖2所示。

此方案下，需對二期范圍內的BOG總管及一、二期之間互聯互通BOG總管進行管徑及壓降的核算[4]，確保緊急工況下二期高壓壓縮機無法處理的BOG到達一期高架火炬塔底的壓力滿足要求[5]。據整體流程搭建HYSYS模型，對管徑進行計算比選，壓降核算結果見表6。

經HYSYS模型核算，至火炬分液罐前泄放氣壓力僅為3.37 kPa（G），低于一期原有火炬泄放壓力要求，故本工程遠距離依托泄放存在安全風險。同時二期所需處理泄放量高于一期火炬現有能力。

此方案優點在于無需新增火炬設備，投資低。缺點一是若后期要符合火炬廠家壓力需求，可能需要單獨設置大尺寸管道，并接在一期火炬分液罐前，涉及停產及動火作業；二是遠期也需要增加兩臺火炬，若在遠期一次性配置，一方面遠期設備投資高，投資回報周期也相應增加，且二期也需要為遠期預留用地。

綜上所述，推薦二期單獨配置火炬的方案，二期配置1座處理量為80 t/h的地面火炬，并為遠期預留1座80 t/h火炬接口。

3" " 結論

本文結合工程實際案例，對互聯互通需求下的LNG接收站火炬方案設計進行了詳細分析，得到如下結論。

1）規模化擴建的LNG接收站火炬系統設計主要有新增火炬和原有火炬管網改造兩種方案，在互聯互通的需求下，需通過泄放量核算對現有火炬剩余能力進行校核，在剩余能力不滿足泄放需求時，通過壓降核算、經濟、安全及技術比選，綜合確定最優方案。

2）案例中，一期已建火炬泄放能力202.12 t/h。最大泄放工況二條件下，二期泄放需求最大為224.80 t/h，遠期達322.46 t/h，綜合考慮遠期需求及余量，推薦二期配置1座處理量為80 t/h的地面火炬，并為遠期預留1座80 t/h火炬接口。此方案下，新建46 in（1 in=25.4 mm）泄放管道，經HYSYS模型核算，當火炬管道規格為D1 168 mm × 12.7 mm時，到達火炬塔底的壓力為14.01nbsp; kPa（G），滿足儲罐26 kPa（G）泄放壓力下的需求。

參考文獻

[1]" 李慶增. LNG接收站擴建工程兼容性設計及預冷問題簡析[J]. 廣東化工，2022，9（7）：165-167.

[2]" 薛揚. 火炬管網設計及校核 [J]. 廣東化工，2023，50（9）：129-132.

[3]" 劉萬山，盧超，呂俊. LNG接收站火炬負荷的計算 [J]. 煤氣與熱力， 2015，35（6）：8-11.

[4]" 仇德朋，徐國鋒，鹿曉斌等. LNG接收站火炬管網系統設計比較[J]. 化工設計，2014，24（1）：3-6.

[5]" 崔志鵬，周亞洲，汪世濤. LNG接收站火炬處理能力分析與計算 [J]. 天然氣技術與經濟，2017，11（S1）：16-20.

作者簡介：

李安琪（1996—），女，江蘇連云港人，工程師，2023年畢業于中國石油大學（ 華東 ）油氣儲運工程專業，碩士，現從事LNG接收站工藝設計與“天然氣+”技術研究工作。

Email：lianq@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-06-22