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浅析LNG气化站安全供气工程
佛山市南海燃气发展有限公司（528200） 杜小虎 张俊
摘要：介绍了LNG气化站安全供气的主要工艺流程、设备、技术要点和施工中常见的问题，为LNG灵活应用和城镇燃气的应急供气提供了典型案例。
关键词：液化天然气； 气化器； 应急供气
1 概述
随着国家能源战略的深化和节能减排对大气环境要求日益提高的情况下，天然气利用工程大幅度开展，国内天然气需求量迅猛增加。天然气市场化程度的加深，对气源的竞争更加激烈。然而天然气的管道供应一般都是“照付不议”合同。这对于下游燃气企业大力拓展业务来说，往往会出现供不应求的局面，影响企业的盈利能力。而液化天然气（LNG）以清洁、热值高、燃烧充分、价格低、运输经济性及安全等优点，很好的解决了管道输送天然气发展的瓶颈。目前，LNG主要用于城镇燃气储气调峰、气源过渡、事故应急、天然气汽车业务和天然气管网未到达的区域供气等方面。本工程以灵活应用和应急供气的特点更好的实践了LNG气化站的应急供气。
2 工程建设
本工程占地面积约660 m2，是在原有液化石油气(LPG)气化站内的一块空地上进行扩建。设计高峰小时供气量10 000Nm3/ h，年平均日供气量60 000Nm3。于2012年2月竣工并安全运行。
2.1 项目背景
根据《佛山市南海区管道燃气专项规划（2010-2020）》的指导思想和相关调研资料表明，到2015年南海区供气规模将达到3.2×108 m3/ a，大约是2010年年供气量的3倍，平均每年用气量增加60%以上。待大型LNG综合储配站项目的建成投产还需要1～2年时间，在大型综合储配站建设期间为了保障客户用气需求，LNG气化站应急供气工程应用而生。
2.2 方案选择
常规LNG气化站需要LNG低温储罐储存LNG，然而LNG低温储罐对周边环境安全防火间离要求较高；加之城市化发展程度较高的地区，对于燃气场站用地选址较为困难。所以本工程暂时取消LNG低温储罐的设置，待原有液化石油气站改造时可考虑增加。
LNG气化站内BOG气体（LNG瞬时蒸发气）主要来源于：低温储罐的日蒸发量；LNG槽车装卸时瞬时气化量。该站取消BOG气化器的设置。卸车时，随着槽车中的液相缓慢减少，槽车的压力同时缓慢降低，最后槽车中的BOG气体通过低温液相管道到达空温式气化器，当槽车中的压力降至略高于管网运行压力时，关闭总阀，卸车完毕。卸车时间会增长一点，不会造成很大影响。通常BOG气化后的常温天然气需要单独调压计量。所以BOG气化器以及出口端工艺设备也都可以取消。
对于应急供气的LNG气化站，取消以上设备既不会影响安全供气需要，又节省投资、缩短建设工期。
2.3 工艺流程
本工程主要作为南海区临时补充气源，总平面进行分区布置，即分为生产区和辅助区。生产区域为包括新建的LNG卸车区、气化区和调压计量加臭工艺装置区等；辅助区域充分利用原有气站的建筑和设备则包括消防水池和消防泵房、配电间、发电机房等设施。
基本工艺流程如图1：LNG由气源点通过LNG槽车运输至气化站。用奥氏体不锈钢金属软管将槽车和卸车台上的气、液相管道分别连接。每次卸车前先用槽车中的BOG气体对管道进行预冷、排空；然后利用LNG对低温管道系统预冷。预冷合格后，通过卸车增压气化器将槽车压力升高到0.6MPa左右，利用压差将槽车中的LNG输送到至空温式气化器进行气化，最后经计量、调压、加臭输送至市政燃气管网。出站压力略高于管网运行压力。
LNG槽车
卸车增压气化器化器
空温式气化器
调压、计量、加臭
城市燃气管网
EAG气化器
放散管

图1 LNG气化站应急供气工艺流程
2.4 设备选型
（1） 卸车增压气化器、空温式气化器、EAG气化器。技术参数见表1。
表1 气化器技术参数
设备名称
卸车增压气化器
空温式气化器
EAG气化器
通过能力（Nm3/ h）
300
2 500
300
进口温度
-162～-196℃
-162～-196℃
-162～-196℃
出口温度
-162～-196℃
低于环境温度5～10℃
低于环境温度5～10℃
最高运行压力（MPa）
0.6
0.8
0.8
设计压力（MPa）
1.0
1.0
1.0
铝翅片材质
LD31（美国牌号为6063）
气化器设备性能的优良对于整个场站的安全平稳运行是相当重要的，所以选择气化器时一定要慎重。LNG气化站运行中经常会出现气化器气化能力不足、气化器主体出现裂纹、导致泄漏等情况。其实，每台气化器气化效率的高低，主要取决主体的管路结构。有很多设备商把气化器的高度设计得很高，因为这种设计可以有效的降低成本（包括焊缝、连接用的弯管、卡环等附件、人工等）。但是气化器主体越高，后段的阻力增大，因LNG液体温度与常温温差较大，气流流速减缓会导致后段升高更快，阻碍了前段的液气流有效通过，反而降低气化能力。主气化器的翅片管设计高度一般不宜超过6 000mm，在主体降低高度后适当增加翅片管的管数，使气化通道增加，对气化能力有较好的作用。
气化器的过冷段通过换热翅片从空气中吸收大量的热量（潜热）使液相LNG发生相变，成为气相NG。当一定湿度的空气接触低于露点温度的换热翅片表面时，一定湿度的空气中水份会冷凝成液体附于换热翅片表面，进而就出现结霜结冰现象，从而降低气化能力。目前气化器过冷段宜选用纵向星形翅片管来提高化霜速度。汽化器的过热段是将低温气相NG温度升高，达到不低于环境温度5～10℃。此段温差小，所需换热面积大，宜选用三相旋流翅片。
气化器材质选型
常见的气化器材质一般为LF21（美国牌号为3003）和LD31（美国牌号为6063），铝合金LD31材质从+24℃～-196℃强度相近，在常温与低温时，主体结构应力均衡、抗拉强度也是均衡的。而LF21在常温与低温时，从+25℃～-200℃强度相差悬殊近1倍，抗拉强度相差较大，力学的差异也较大，具体抗拉强度参数见表2。在冷热交替频繁时容易造成金属疲劳现象，而导致较易出现裂缝。但是LD31铝材的抗氧化性能低于LF21铝材，所以LD31铝材需要进行抗氧化防护。气化器材质宜选用LD31铝型材。对于相同长度的换热翅片管，显然翅片管管径大的气化量大。
表2 LD31和LF21铝材抗拉强度比较
LD31
温度
-196℃
-80℃
-38℃
+24℃
抗拉强度（MPa）
255
200
193
186
LF21
温度
-200℃
-100℃
-30℃
+25℃
抗拉强度（MPa）
230
150
115
110
空温式气化器所需换热面积按照传热学方程，可以简单的用气化量乘以0.45的系数进行估算，然后根据气化器过冷段和过热段湿表面面积进行校核换热面积。气化器翅片管壁厚和应力校核计算参照GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》。
气化器其他注意问题
为了保证气化器在运输和拆装过程中不受损坏，建议气化器的上、中、下设置三道加固包边。气化器支脚的排液孔不能太小，应能保证冰霜融水不被聚集在支脚内或者将支脚的冰霜落入口封堵。否则，长期的冰渣聚集会使支脚爆裂。气化器的结霜结冰集中在过冷段，所以气化器入口段应通风、向阳，有利于气化器的化霜化冰。
（2） 调压计量加臭撬.采用先计量后调压形式，加臭设备根据流量计的瞬时流量加臭。过滤器、切断阀以及控制阀门等设备口径大小对设备价格影响较大，建议能满足工艺要求的情况下，优先选用小口径的设备，日后维修更换时也便于采购。为防止雨淋、日晒、生锈，提高使用寿命等建议设置简易雨棚。
3 施工中常见的问题
3.1 土建部分
气化器安装宜采用二次灌浆的方式，施工较为容易操作。空温式气化器自重有3～4吨，加之运行时结霜、结冰以及防止化霜化冰时的冰霜融水冻裂基础，建议气化器混凝土基础采用C35及以上强度或者采用防冻水泥等措施。空温式气化器翅片距离地面不宜小于1.2m。
3.2 工艺部分
根据GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》第9.4.15条，“液化天然气气化器的液体进口管道上宜设置紧急切断阀，该阀门应与天然气出口的测温装置连锁。”当极端天气时，气化器的气化量不足极易发生温度较低的天然气进入管网，将会造成末端用气压力波动较大，给用气设备和用气工艺要求较高的用户带来较大的生产、生活影响。严重时，可能会造成燃气管道泄漏。为了安全平稳运行，务必安装紧急切断阀并与出口温度连锁。法兰应采用带劲对焊法兰，切不可用平焊法兰替代。带颈对焊法兰是整体法兰，它可以适应温度频繁变化的工况。而平焊法兰不是整体法兰，也不能适应温度频繁变化的工况。如果紧急切断采用气动切断，连接氮气瓶的管道宜采用不锈钢管道，碳钢管道容易生锈，以防止锈渣堵塞阀门等精密设备。管道系统的吹扫、试压宜采用氮气。低温管道的预冷宜采用液氮，最后进行低温管道系统的保冷工程安装。
3.3 电气、仪表部分
按照HG/T 675-1990《化工企业静电接地设计规程》，对工艺装置、管道及卸车处的LNG槽车等进行防静电接地。空温式气化器由于在站内的高度较高，应做防雷接地。在吊装之前距离气化器顶部200mm做避雷带，经引下线连接至接地网。全站的防雷接地，防静电接地与电气接地共用接地装置时，接地电阻不大于1Ω。
站内电气控制系统及仪表均应做防静电接地，在低压进线屏和信息系统的电源入口处设置浪涌保护器。站内埋地电缆采用是铠装电缆，过路、穿墙须用钢管保护。
3.4 消防水部分
气化器周围应设置排水槽，以便于气化器冰霜融水尽快排出，防止大量的冰霜融水浸泡气化器支墩。站内的排水系统应采取因LNG泄露而流入下水道等密闭沟渠中的措施。消防及灭火设施应遵循GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》和GB 50016-2006《建筑设计防火规范》的规定。
4 结语
LNG以优越的特殊性能得到广泛的应用，特别是近几年来发展极为迅猛。我们在进行前提的工程设计、施工、安装时必须严格按照相关规范执行，建设一个符合安全生产、保证供应、经济合理、的工程，才能为后期的正常平稳运行提供更好的保障。无论是应用LNG应急供气工程作补充气源，还是短期大工业用户的安全应急供气。均因占地面积小、投资少、建设工期短等优越性，很好的解决了短期安全供气需求。
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