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【薦讀】 一文讀懂LNG接收站工藝系統及主要設備

發布時間:2019-03-22 10:04                

LNG接收站

工藝系統及主要設備

液化天然氣(LNG) 作為一種清潔、高效的能源正在成為全球能源市場的新熱點, LNG已成為國際天然氣貿易的重要部分。我國對LNG 產業的發展越來越重視,分別在廣東、福建、上海、江蘇、浙江、山東、河北、遼寧等地區規劃和實施了LNG項目。截止目前我國共投產21座LNG接收站(不含港澳臺)。

圖片來源:能源平說

上海液化天然氣項目一期工程建設規模為年接收300萬噸工程,包括:1座14.5萬m3 LNG船專用碼頭和1座3000噸級工作船碼頭;3座16.5 m3 LNG儲罐和相應的LNG回收、輸送、氣化及公用配套設施;52km輸氣管線(包括36km海底輸氣干線和16km陸域輸氣管線),在臨港新城輸氣末站進入上海城市天然氣高壓主干網系統。下文將以上海LNG一期項目為例,介紹LNG接收終端的工藝系統、主要設備和操作過程中主要控制參數。

?LNG接收站工藝系統

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LNG主要物理性質

在大氣條件下,天然氣是高易燃性的無色氣體,無味或有很淡的臭味。 蒸汽對眼睛、鼻子或喉嚨無刺激性,但吸入會導致頭暈、呼吸困難或喪失意識,高氣體濃度時可能導致窒息。 LNG液體可造成凍傷,氣體的主要成分是甲烷。LNG的體積約為其氣態體積的1/620,主要成分(%,摩爾)為:CH4 85~90,C2H6 3~8,C3H8 1~3,C4H10 1~2,C+5 微量。LNG再氣化(約-162℃)時的蒸發潛熱約為511 kJ/kg。

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LNG產業鏈

LNG利用是一項投資十分巨大、上下游各環節聯系十分緊密的鏈狀系統工程,由天然氣開采、天然氣液化、LNG運輸、LNG接收與氣化、天然氣外輸管線、天然氣最終用戶等六個環節組成,產業鏈如圖1所示。其中任何一個環節出現問題都將使整個系統停車,而且必須對上下游環節做出巨額賠償。因此LNG利用各個環節的工藝及設備必須安全可靠,LNG接收站是其中重要環節之一,要求更為嚴格。

圖1:LNG產業鏈

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?LNG接收終端工藝

從流程上看LNG站工藝并不復雜,但其中包含很多高科技知識。LNG在常壓下沸點約-160℃,因此LNG站在氣化之前的所有設備都是在-160℃下長期低溫運行。這對設備的保冷、材質、防泄漏諸方面要求極高。通常接收站工藝可分為三個主要系統:LNG卸船系統、LNG存儲系統、LNG外輸系統,工藝流程如圖2所示。

圖2:LNG接收站流程示意圖

1.3.1 卸船系統

LNG通過船上的卸料泵將LNG從船艙排出。 通過三個16″的卸料臂Y-01A/B/C進行卸船,并通過46″的卸船管線和6″的再循環管線將LNG輸送到岸上的LNG儲罐,同時為了維持LNG船艙的壓力,所需的氣體通過16″的NG回氣臂Y-02從岸上的BOG總管返回。因此在卸船過程中,BOG總管的工作壓力必須高于LNG運輸船的工作壓力,以便氣體可以自然地從BOG總管流向船中。返回LNG船的蒸汽壓力由調節閥PV-01控制。

卸船操作完成后斷開臂以前,將卸料臂排空并在臂的頂部供應工作氮氣進行吹掃。 LNG被迫返回到LNG船和LNG接收站的碼頭排放罐V-0101。碼頭排放罐中的LNG可以用排放罐電加熱器對LNG進行加熱,通過蒸汽回流管線將產生的蒸汽輸送到BOG總管。還可以通過N2加壓的方式排放LNG至46″卸料管線。LNG卸料及排放流程如圖3所示。

圖3:LNG卸料及排放流程圖

卸船完成后在碼頭備用期間,必須用少量的LNG循環維持卸船管線的低溫狀態。循環過程是將部分LNG從罐內泵排放到卸船管線中,然后到循環管線,最后到再冷凝器的過程。通過調節閥控制循環流量,使LNG沿管線循環回碼頭這一過程中的溫升不超過4℃,以防卸船開始時“溫熱”的LNG被推入罐中時出現大量閃蒸現象。在卸船過程中循環中斷,循環管線與卸船管線并行操作,但在每次卸船操作之后重新建立循環。

1.3.2 LNG儲存系統

一般LNG接收站至少需要兩個165,000 m3 的儲罐才能滿足日常儲存和卸船的要求,本案共有三個儲罐,總凈容量為3×165,000m3。每個儲罐配備兩根注入管線即一條將LNG輸送至內罐頂部,另一條輸送至底部。注入模式由儲存的LNG和需要卸船的LNG各自的密度決定,注入點的選擇主要是防止發生LNG分層,分層可能導致翻滾現象。為了儲罐的初期預冷(用LNG進行),提供了與卸船管線相連的噴淋環。每個儲罐都裝有對LNG液面、溫度和密度以及氣相壓力進行安全監控的裝置。

儲罐的絕對壓力由BOG壓縮機的工作負荷控制,壓縮機可從BOG總管抽取氣體??筛鶕切洞托洞僮鞯牟煌秶约安煌拇髿鈮簵l件對儲罐的絕對壓力設置點進行調節。在壓縮機無法維持罐內壓力或常壓下達到規定值之外時,安全裝置可保護儲罐不會發生超壓或真空情況?;鹁媸莾薜牡谝淮纬瑝罕Wo,當儲罐壓力達到260 mbarg時,壓力控制閥開啟將氣體釋放至火炬進行燃燒。每個儲罐都配備了多個壓力安全閥(PSV),當壓力達到290mbarg時候壓力安全閥開啟,并通過尾管到儲罐頂部的安全位置,然后排放到大氣中。如果壓力較低(由突然的大氣壓力變化、負活塞效應等造成),可將來自外輸管的破真空天然氣注入BOG總管中。如果注入的氣體不足以將壓力維持在可接受的水平,則通過安裝在每個儲罐上的VSV(真空安全閥)將空氣引入罐內。

1.3.3 LNG輸出系統

輸出系統主要包括:罐內泵、再冷凝器、高壓泵、汽化器、計量撬等設備。

每個儲罐安裝4臺罐內泵,LNG罐內泵同時運轉可提供峰值流量。主要將LNG輸送到高壓輸出泵和汽化器,少量的LNG輸送到LNG裝車站。在高壓輸出泵的上游,LNG流分成兩股:一股流向再冷凝器,與壓縮的BOG接觸使其再次凝結;剩余的LNG繞過再冷凝器進入高壓泵的泵桶,通過高壓輸出泵給低壓LNG加壓,然后輸送至汽化器。為保證罐內輸送泵、罐外低壓和高壓外輸泵正常運行,泵出口均設有回流管線。當LNG輸送量變化時,可利用回流管線調節流量。在停止輸出時,可利用回流管線打循環,以保證泵處于低溫狀態。

四臺相同的中間體液流汽化器(IFV)作為基本負荷,每臺IFV可提供25%的峰值負荷。 與一臺IFV容量相等的備用容量由兩臺液下燃燒式汽化器(SCV)提供。計量站安裝在海底管線入口處接收站界區的上游。

LNG接收站主要設備

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卸料臂

常見的LNG卸料臂:有全平衡型(FBMA)、旋轉平衡型(RCMA)、雙平衡型(DCMA)。在選型時應考慮LNG卸船量和卸船時間,同時根據棧橋長度、管線距離、高程、船上儲罐內輸送泵的揚程等,確定其壓力等級、管徑及數量。蒸發氣回流臂則應根據蒸發氣回流量確定其管徑等。本案采用的是德國產的旋轉平衡型卸料臂,其結構形式與一般油品卸料臂沒有什么本質上的區別,只是在某些方面要求更高。比如在旋轉接頭,為了保證在低溫下有良好的密封性能而采用了雙層密封結構并在密封處用氮氣保持正壓防止LNG泄露。為了安全每臺LNG卸料臂還配備了緊急脫離裝置(PERC)。卸料臂的基本結構如圖4所示。

圖4:LNG卸料臂基本機構圖

2

LNG儲罐

LNG儲罐是接收站重要的設備,其功能是儲存液化天然氣。因此,選型要從安全、投資、運行操作費用、環境保護等綜合因素考慮。LNG儲罐屬常壓、低溫大型儲罐。按儲罐結構形式有單包容罐、雙包容罐、全包容罐及膜式罐等。其中,單包容罐、雙包容罐及全包容罐均為雙層,有內罐和外罐組成,內殼是9%鎳合金,外殼是全混凝土(包括罐頂),在內外罐間充填有爆冷材料、罐內絕熱材料主要為膨脹珍珠巖、彈性玻璃纖維氈及泡沫玻璃磚等。 為了避免任何不受控制的溢出危險,所有與儲罐連接的儀器和管道都應從罐頂接入。

本案儲罐為全容式,結構采用9%Ni鋼內罐、9%Ni鋼或者混凝土外罐和頂蓋、底板,外罐或混凝土墻到內罐約為1 ~ 2m,可允許內罐里的LNG和氣體向外泄漏,它可以避免火災的發生。其最大設計壓力位30kPaG,其允許的最大操作壓力為25kPaG,最低設計溫度為-170℃。由于全包容罐的外罐體可以承受內罐泄漏的LNG及氣體,不會向外界泄漏,其安全防護距離也要小很多

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BOG氣體壓縮機

熱滲漏產生的蒸發氣體(BOG)和儲罐注入過程中的″活塞效應″(只有部分置換的氣體回流到船中)使得儲罐壓力必然會增加。蒸發氣體(BOG)壓縮機的作用是通過抽回多余的氣體維持LNG儲罐的壓力恒定以及將BOG加壓到需要的壓力水平,再直接與再冷凝器中的低溫LNG接觸,使BOG液化。

壓縮機的共用輸入管線上安裝了一個BOG減溫器,通過將LNG注入到BOG氣流中來限制吸入溫度。在該LNG注入點的下游,配備了一個帶有氣液分離器的吸入罐,防止所帶的液體進入壓縮機中。

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再冷凝器

再冷凝器的用途是通過讓BOG與來自儲罐的低溫冷卻的LNG接觸使BOG冷凝。 冷凝BOG所需的LNG流過再冷凝器的填料,剩余的LNG則繞過容器。

BOG冷凝所需的LNG和BOG流進入容器頂部的再冷凝器。氣體流和液體流(并流)通過不銹鋼環填料,在液體和蒸汽之間產生一個直接換熱面,從而使氣相完全冷凝。之后,輸出的液體和旁流混合,LNG流被輸送到LNG高壓輸出泵, 通過監控再冷凝器的壓力和液面對其進行具體操作。 如果出現緊急情況或需要進行檢查,可將再冷凝器隔離(NG、LNG入口和LNG出口)。所有的LNG可繞過再冷凝器,同時輸出也得以維持。

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汽化器

LNG汽化器常用熱源有水和燃料兩種,在本案中主要采用中間媒體式汽化器(IFV)一期提供四個基本負荷的IFV,IFV結構如圖5所示。

圖5:IFV結構圖

丙烷IFV由以下三個管殼式熱交換器組成。

(1)丙烷汽化器E-1:固定管板管殼式熱交換器。

(2)LNG汽化器E-2:U形管管殼式熱交換器。??

(3)NG加熱器E-3:固定管板管殼式熱交換器。

LNG汽化器的管束被插入到丙烷汽化器E-1的筒狀殼體的上半部分之中,在E-1殼體的下半部分之中,排列了超過三千(3000)根管子,海水從這些管子中進入,并被用作加熱媒介。在E-1的殼側中注入丙烷,直到E-1管束完全沉浸為止。通過互相連接的錐形管箱殼體,丙烷汽化器E-1和NG加熱器E-3相連接。

來自高壓泵輸出的LNG被引入到LNG汽化器E-2的管側,LNG在E-1殼體中被丙烷汽化。在E-2管子的外表面上,丙烷蒸汽被冷凝;隨后,經過冷凝的(液態)丙烷滴落到E-1殼體的底部。在E-2管子的出口處,經過汽化的LNG(即NG)的溫度為最低的-32攝氏度(海水溫度為7.6攝氏度);隨后,通過位于E-2和E-3之間的互相連接的管道系統,NG進入到NG加熱器E-3中,以便進行過熱。在E-3中,NG被海水過熱,然后在溫度為1攝氏度的情況下進入計量管線中。在IFV的入口和出口之間,海水的最大溫度降為5攝氏度。在LNG流量正常時,應注意將天然氣的出口溫度保持在0℃以上,海水溫度的降低要在一個可接受的范圍內。IFV不工作但需要準備好進行快速起動時,應維持較低流量的LNG和海水流動,以便系統保冷。

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