1.1 設(shè)計決定項目的經(jīng)濟(jì)效益
當(dāng)確定了項目的建設(shè)方案后，要采用先進(jìn)適用的LNG供氣流程、安全可靠地向用戶供氣、合理降低工程造價、提高項目的經(jīng)濟(jì)效益，關(guān)鍵在于工程設(shè)計[1]。據(jù)西方國家分析，不到建設(shè)工程全壽命費(fèi)用1%的設(shè)計費(fèi)對工程造價的影響度占75%以上，設(shè)計質(zhì)量對整個建設(shè)工程的效益至關(guān)重要。
影響LNG氣化站造價的主要因素有設(shè)備選型(根據(jù)供氣規(guī)模、工藝流程等確定)、總圖設(shè)計(總平面布置、占地面積、地形地貌、消防要求等)、自控方案(主要是儀表選型)。
通常，工程直接費(fèi)約占項目總造價的70%，設(shè)備費(fèi)又占工程直接費(fèi)的48%～50%，設(shè)備費(fèi)中主要是LNG儲罐的費(fèi)用。
1.2 氣化站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
至今我國尚無LNG的專用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在LNG氣化站設(shè)計時，常采用的設(shè)計規(guī)范為：GB 50028—93《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(2002年版)、GBJ 16—87《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2001年版)、GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、美國NFPA—59A《液化天然氣生產(chǎn)、儲存和裝卸標(biāo)準(zhǔn)》。其中GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》是由中石油參照和套用美國NFPA—59A標(biāo)準(zhǔn)起草的，許多內(nèi)容和數(shù)據(jù)來自NFPA—59A標(biāo)準(zhǔn)。由于NF-PA—59A標(biāo)準(zhǔn)消防要求高，導(dǎo)致工程造價高，目前難以在國內(nèi)實(shí)施。目前國內(nèi)LNG氣化站設(shè)計基本參照GB 50028—93《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(2002年版)設(shè)計，實(shí)踐證明安全可行。
1.3 LNG儲罐的設(shè)計
儲罐是LNG氣化站的主要設(shè)備，占有較大的造價比例，應(yīng)高度重視儲罐設(shè)計。
1.3.1 LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計
LNG儲罐按結(jié)構(gòu)形式可分為地下儲罐、地上金屬儲罐和金屬/預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐3類。地上LNG儲罐又分為金屬子母儲罐和金屬單罐2種。金屬子母儲罐是由3只以上子罐并列組裝在一個大型母罐(即外罐)之中，子罐通常為立式圓筒形，母罐為立式平底拱蓋圓筒形。子母罐多用于天然氣液化工廠。城市LNG氣化站的儲罐通常采用立式雙層金屬單罐，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于直立的暖瓶，內(nèi)罐支撐于外罐上，內(nèi)外罐之間是真空粉末絕熱層。儲罐容積有50m3和100m3，多采用100m3儲罐。
對于100m3立式儲罐，其內(nèi)罐內(nèi)徑為3000mm，外罐內(nèi)徑為3200mm，罐體加支座總高度為17100mm，儲罐幾何容積為105.28m3。
1.3.2 設(shè)計壓力與計算壓力的確定
目前絕大部分100m3立式LNG儲罐的最高工作壓力為0.8MPa。按照GB 150—1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定，當(dāng)儲罐的最高工作壓力為0.8MPa時，可取設(shè)計壓力為0.84MPa。儲罐的充裝系數(shù)為0.95，內(nèi)罐充裝LNG后的液柱凈壓力為0.062MPa，內(nèi)外罐之間絕對壓力為5Pa，則內(nèi)罐的計算壓力為1.01MPa。
外罐的主要作用是以吊掛式或支撐式固定內(nèi)罐與絕熱材料，同時與內(nèi)罐形成高真空絕熱層。作用在外罐上的荷載主要為內(nèi)罐和介質(zhì)的重力荷載以及絕熱層的真空負(fù)壓。所以外罐為外壓容器，設(shè)計壓力為-0.1MPa。
1.3.3 100m3LNG儲罐的選材
正常操作時LNG儲罐的工作溫度為-162.3℃，第一次投用前要用-196℃的液氮對儲罐進(jìn)行預(yù)冷[2、3]，則儲罐的設(shè)計溫度為-196℃。內(nèi)罐既要承受介質(zhì)的工作壓力，又要承受LNG的低溫，要求內(nèi)罐材料必須具有良好的低溫綜合機(jī)械性能，尤其要具有良好的低溫韌性，因此內(nèi)罐材料采用0Crl8Ni9，相當(dāng)于ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)的304。
根據(jù)內(nèi)罐的計算壓力和所選材料，內(nèi)罐的計算厚度和設(shè)計厚度分別為11.1mm和12.0mm。作為常溫外壓容器，外罐材料選用低合金容器鋼16MnR，其設(shè)計厚度為10.0mm。
1.3.4 接管設(shè)計
開設(shè)在儲罐內(nèi)罐上的接管口有：上進(jìn)液口、下進(jìn)液口、出液口、氣相口、測滿口、上液位計口、下液位計口、工藝人孔8個接管口。內(nèi)罐上的接管材質(zhì)都為0Cr18Ni9。
為便于定期測量真空度和抽真空，在外罐下封頭上開設(shè)有抽真空口(抽完真空后該管口被封閉)。為防止真空失效和內(nèi)罐介質(zhì)漏入外罐，在外罐上封頭設(shè)置防爆裝置。
1.3.5 液位測量裝置設(shè)計
為防止儲罐內(nèi)LNG充裝過量或運(yùn)行中罐內(nèi)LNG太少危及儲罐和工藝系統(tǒng)安全，在儲罐上分別設(shè)置測滿口與差壓式液位計兩套獨(dú)立液位測量裝置[4]，其靈敏度與可靠性對LNG儲罐的安全至關(guān)重要。在向儲罐充裝LNG時，通過差壓式液位計所顯示的靜壓力讀數(shù)，可從靜壓力與充裝質(zhì)量對照表上直觀方便地讀出罐內(nèi)LNG的液面高度、體積和質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到充裝上限時，LNG液體會從測滿口溢出，提醒操作人員手動切斷進(jìn)料。儲罐自控系統(tǒng)還設(shè)有高限報警(充裝量為罐容的85%)、緊急切斷(充裝量為罐容的95%)、低限報警(剩余LNG量為罐容的10%)。
1.3.6 絕熱層設(shè)計
LNG儲罐的絕熱層有以下3種形式：
?、俑哒婵斩鄬永p繞式絕熱層。多用于LNG槽車和罐式集裝箱車。
?、谡龎憾逊e絕熱層。這種絕熱方式是將絕熱材料堆積在內(nèi)外罐之間的夾層中，夾層通氮?dú)?，通常絕熱層較厚。廣泛應(yīng)用于大中型LNG儲罐和儲槽，例如立式金屬LNG子母儲罐。
③真空粉末絕熱層。常用的單罐公稱容積為100m3和50m3的圓筒形雙金屬LNG儲罐通常采用這種絕熱方式。在LNG儲罐內(nèi)外罐之間的夾層中填充粉末(珠光砂)，然后將該夾層抽成高真空。通常用蒸發(fā)率來衡量儲罐的絕熱性能。目前國產(chǎn)LNG儲罐的日靜態(tài)蒸發(fā)率體積分?jǐn)?shù)≤0.3%。
1.3.7 LNG儲罐總?cè)萘?/span>
儲罐總?cè)萘客ǔ０磧Υ?d高峰月平均日用氣量確定。同時還應(yīng)考慮氣源點(diǎn)的個數(shù)、氣源廠檢修時間、氣源運(yùn)輸周期、用戶用氣波動情況等因素。對氣源的要求是不少于2個供氣點(diǎn)。若只有1個供氣點(diǎn)，則儲罐總?cè)萘窟€要考慮氣源廠檢修時能保證正常供氣。
1.4 BOG緩沖罐
對于調(diào)峰型LNG氣化站，為了回收非調(diào)峰期接卸槽車的余氣和儲罐中的BOG(Boil Off Gas，蒸發(fā)氣體)，或?qū)τ谔烊粴饣鞖庹緸榱司鶆蚧鞖?，常在BOG加熱器的出口增設(shè)BOG緩沖罐，其容量按回收槽車余氣量設(shè)置。
1.5 氣化器、加熱器選型設(shè)計
1.5.1 儲罐增壓氣化器
按100m3的LNG儲罐裝滿90m3的LNG后，在30min內(nèi)將10m3氣相空間的壓力由卸車狀態(tài)的0.4MPa升壓至工作狀態(tài)的0.6MPa進(jìn)行計算。據(jù)計算結(jié)果，每臺儲罐選用1臺氣化量為200m3/h的空溫式氣化器為儲罐增壓，LNG進(jìn)增壓氣化器的溫度為-162.3℃，氣態(tài)天然氣出增壓氣化器的溫度為-145℃。
設(shè)計多采用1臺LNG儲罐帶1臺增壓氣化器。也可多臺儲罐共用1臺或1組氣化器增壓，通過閥門切換，可簡化流程，減少設(shè)備，降低造價。
1.5.2 卸車增壓氣化器
由于LNG集裝箱罐車上不配備增壓裝置，因此站內(nèi)設(shè)置氣化量為300m3/h的卸車增壓氣化器，將罐車壓力增至0.6MPa。LNG進(jìn)氣化器溫度為-162.3℃，氣態(tài)天然氣出氣化器溫度為-145℃。
1.5.3 BOG加熱器
由于站內(nèi)BOG發(fā)生量最大的是回收槽車卸車后的氣相天然氣，故BOG空溫式加熱器的設(shè)計能力按此進(jìn)行計算，回收槽車卸車后的氣相天然氣的時間按30min計。以1臺40m3的槽車壓力從0.6MPa降至0.3MPa為例，計算出所需BOG空溫式氣化器的能力為240m3/h。一般根據(jù)氣化站可同時接卸槽車的數(shù)量選用BOG空溫式加熱器。通常BOG加熱器的加熱能力為500～1000m3/h。在冬季使用水浴式天然氣加熱器時，將BOG用作熱水鍋爐的燃料，其余季節(jié)送入城市輸配管網(wǎng)。
1.5.4 空溫式氣化器
空溫式氣化器是LNG氣化站向城市供氣的主要?dú)饣O(shè)施。氣化器的氣化能力按高峰小時用氣量確定，并留有一定的余量，通常按高峰小時用氣量的1.3～1.5倍確定。單臺氣化器的氣化能力按2000m3/h計算，2～4臺為一組，設(shè)計上配置2～3組，相互切換使用。
1.5.5 水浴式天然氣加熱器
當(dāng)環(huán)境溫度較低，空溫式氣化器出口氣態(tài)天然氣溫度低于5℃時，在空溫式氣化器后串聯(lián)水浴式天然氣加熱器，對氣化后的天然氣進(jìn)行加熱[5、6]。加熱器的加熱能力按高峰小時用氣量的1.3～1.5倍確定。
1.5.6 安全放散氣體(EAG)加熱器
LNG是以甲烷為主的液態(tài)混合物，常壓下的沸點(diǎn)溫度為-161.5℃，常壓下儲存溫度為-162.3℃，密度約430 kg/m3。當(dāng)LNG氣化為氣態(tài)天然氣時，其臨界浮力溫度為-107℃。當(dāng)氣態(tài)天然氣溫度高于-107℃時，氣態(tài)天然氣比空氣輕，將從泄漏處上升飄走。當(dāng)氣態(tài)天然氣溫度低于-107℃時，氣態(tài)天然氣比空氣重，低溫氣態(tài)天然氣會向下積聚，與空氣形成可燃性爆炸物。為了防止安全閥放空的低溫氣態(tài)天然氣向下積聚形成爆炸性混合物，設(shè)置1臺空溫式安全放散氣體加熱器，放散氣體先通過該加熱器加熱，使其密度小于空氣，然后再引入高空放散。
EAG空溫式加熱器設(shè)備能力按100m3儲罐的最大安全放散量進(jìn)行計算。經(jīng)計算，100m3儲罐的安全放散量為500m3/h，設(shè)計中選擇氣化量為500m3/h的空溫式加熱器1臺。進(jìn)加熱器氣體溫度取-145℃，出加熱器氣體溫度取-15℃。
對于南方不設(shè)EAG加熱裝置的LNG氣化站，為了防止安全閥起跳后放出的低溫LNG氣液混合物冷灼傷操作人員，應(yīng)將單個安全閥放散管和儲罐放散管接入集中放散總管放散。
1.6 調(diào)壓、計量與加臭裝置
根據(jù)LNG氣化站的規(guī)模選擇調(diào)壓裝置。通常設(shè)置2路調(diào)壓裝置，調(diào)壓器選用帶指揮器、超壓切斷的自力式調(diào)壓器。
計量采用渦輪流量計。加臭劑采用四氫噻吩，加臭以隔膜式計量泵為動力，根據(jù)流量信號將加臭劑注入燃?xì)夤艿乐小?/span>
1.7 閥門與管材管件選型設(shè)計
1.7.1 閥門選型設(shè)計
工藝系統(tǒng)閥門應(yīng)滿足輸送LNG的壓力和流量要求，同時必須具備耐-196℃的低溫性能。常用的LNG閥門主要有增壓調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、低溫截止閥、安全閥、止回閥等。閥門材料為0Cr18Ni9。
1.7.2 管材、管件、法蘭選型設(shè)計
①介質(zhì)溫度≤-20℃的管道采用輸送流體用不銹鋼無縫鋼管(GB/T 14976—2002)，材質(zhì)為0Cr18Ni9。管件均采用材質(zhì)為0crl8Ni9的無縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凹凸面長頸對焊鋼制管法蘭(HG 20592—97)，其材質(zhì)為0Cr18Ni9。法蘭密封墊片采用金屬纏繞式墊片，材質(zhì)為0crl8Ni9。緊固件采用專用雙頭螺柱、螺母，材質(zhì)為0Crl8Ni9。
?、诮橘|(zhì)溫度>-20℃的工藝管道，當(dāng)公稱直徑≤200 mm時，采用輸送流體用無縫鋼管(GB/T8163—1999)，材質(zhì)為20號鋼;當(dāng)公稱徑>200mm時采用焊接鋼管(GB/T 3041—2001)，材質(zhì)為Q235B。管件均采用材質(zhì)為20號鋼的無縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凸面帶頸對焊鋼制管法蘭(HG 20592—97)，材質(zhì)為20號鋼。法蘭密封墊片采用柔性石墨復(fù)合墊片(HG 20629—97)。
LNG工藝管道安裝除必要的法蘭連接外，均采用焊接連接。低溫工藝管道用聚氨酯絕熱管托和復(fù)合聚乙烯絕熱管殼進(jìn)行絕熱。碳素鋼工藝管道作防腐處理。
1.7.3 冷收縮問題
LNG管道通常采用奧氏體不銹鋼管，材質(zhì)為0crl8Ni9，雖然其具有優(yōu)異的低溫機(jī)械性能，但冷收縮率高達(dá)0.003。站區(qū)LNG管道在常溫下安裝，在低溫下運(yùn)行，前后溫差高達(dá)180℃，存在著較大的冷收縮量和溫差應(yīng)力，通常采用“門形”補(bǔ)償裝置補(bǔ)償工藝管道的冷收縮。
1.8 工藝控制點(diǎn)的設(shè)置
LNG氣化站的工藝控制系統(tǒng)包括站內(nèi)工藝裝置的運(yùn)行參數(shù)采集和自動控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)鎖控制和越限報警?？刂泣c(diǎn)的設(shè)置包括以下內(nèi)容：
?、傩盾囘M(jìn)液總管壓力;
②空溫式氣化器出氣管壓力與溫度;
?、鬯∈教烊粴饧訜崞鞒鰵夤軌毫εc溫度;
?、躄NG儲罐的液位、壓力與報警聯(lián)鎖;
⑤BOG加熱器壓力;
?、拚{(diào)壓器后壓力;
⑦出站流量
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