探究LNG接收站试运投产工艺改进及应用

探究LNG接收站试运投产工艺改进及应用

彭福华

中国寰球工程有限公司北京分公司

摘要：液化天然气接收站作为我国接收进口液化天然气的重要中转站，在新装置试车投产和生产运行中还存在着一些有隐患和不合理的地方，需要进一步针对液化天然气接收站的各个流程进行工艺改进，从而实现试运投产过程的安全性保障，节省时间成本，物料成本和经济成本。本文首先简述了所研究的液化天然气接收站的工程概况，分析了液化天然气接收站试运投产工艺流程中的主要设备，并针对各个环节探讨了液化天然气试运投产工艺的改进及应用效果。

关键词：LNG；接收站；BOG；工艺改进

LNG接收站是我国接收进口液化天然气资源的重要中转站负责LNG的接收，储存，气化和外输，LNG的建设情况直接影响了中国的LNG供应情况，并且近年来LNG接收站的数量快速上涨，同时也有一大批LNG接收站正在建设中。为了进一步提高LNG的接收能力，应对LNG成为稀缺清洁资源的趋势，保证能源供应的多元化，许多国家都越来越重视LNG的引进和LNG接收站的大规模建设。统计近些年LNG接收站试运投产过程中，多数使用LNG进行系统预冷和设备调试，致使出现出现LNG物料消耗大，时间周期长，投产成本高等问题，为了实现节能减排，降低成本，提高效率，我国针对LNG接收站的试运投产工艺进一步优化改革，已经逐渐从国外团队辅助试运投产，转变为自主进行试运投产的阶段。但是仍然存在低温氮气未能充分利用，就地排放不安全，未达到无缝衔接等问题。本文针对这些问题提出了低温氮气冷能再利用安全排放工艺，旨在充分提高低温氮气再利用效率，并对关键流程进行工艺改进，节省试车的时间和成本以及物料消耗。

一、工程概况

本文所研究的LNG接收站建设规模较大，且各个管线与国家管网集团管道互联互通。在LNG接收站试运投产过程中包括生产准备，预试车，试运投产三个阶段，在生产准备阶段需要进行组织机构，生产人员体系文件，政府许可，生产物资等多个环节的准备工作，试预车过程中需要进行设备单式电气仪表调试等工作，试运投产需要对LNG与循环系统，LNG储罐系统，气体返回系统等各个关键系统进行投产。

二、LNG接收站试运投产工艺流程及主要设备

（一）LNG接收站试运投产工艺流程

LNG即液化天然气，船舶运载的LNG可以将其通过接收站卸料储存，通过加压设备输送到气化装置，经过气化处理后，由天然气管线输送到下游城市的燃气和电厂终端用户。液化天然气可以通过卸料臂和卸料管线运送至储罐储存，其中船舶LNG接收站会利用低压泵将LNG从储罐内抽出，汇入低压外出总管，再经由高压泵输送到气化装置。气化处理后输送到外输总管进一步向终端用户传输。

（二）LNG接收站试运投产工艺主要设备

1、卸料臂和储罐

LNG接收站试车投产工艺中的卸料臂是用于连接船的主要工艺系统，通常一个LNG接收站码头配备四台卸料臂，其中有三台用于LNG的装卸，一台用于向船方返气补压或给船泄压。用于LNG装卸的为液相臂，用于船方返气补压或给船泄压的为气相臂。

LNG接收站试运投产工艺中的储罐主要用于LNG的储存，通常一个LNG接收站配备六座全容式混凝土穹顶储罐，采用钢内管和带钢衬层预应力混凝土外观作为主体结构，配备外顶盖，同时在内外罐抵御罐壁之间填充保冷材料，比如珍珠岩等，内罐采用有通气功能的吊顶结构，从而使外观空间与内罐的LNG气体连通，内外罐均有独立承受储存介质的能力，外罐也可以承受内罐泄漏的LNG以及气体，确保不会向外部泄漏。

2、低压泵和高压泵

LNG接收站试运投产工艺中的低压泵主要起到输出作用，可以将储罐中LNG加压并向外输出，同时可以控制储罐分层的翻滚，为全站管线及设备提供LNG保冷作用。LNG低压输出泵大多为潜液多级电动离心泵，LNG低压输出泵通常在储罐泵井底部液化天然气内，需要使用LNG润滑电机和泵的轴承等转动部件，电机运转过程中产生的热量，将由输送的LNG带走。在第二步运行过程中会吸入储罐底部的LNG实现加压，其通过管线与泵井底部相连并将LNG输出到低压输出总管。

LNG接收站试车投产工艺中的高压泵是针对液化天然气易燃易爆以及超低温的特点具有独特性质的离心泵。第一，高压泵在泵入口设计了诱导轮，实现了较低的气蚀余量的要求。第二，采用电机与泵共轴，泵与电机全部沉浸在LNG液体中运行并采用立式屏蔽结构作为泵的主要结构。第三，高压泵需要采用防爆接线盒，但不需要防爆电机。第四，高压泵应当采用浸没式结构和保冷措施，运行过程中，如果高压泵的保冷措施不完善，就会导致泵内的LNG蒸发，从而造成气堵，影响高压泵的正常运行。目前15级高压泵的应用十分广泛，并且在泵大罐中安装，工作过程中始终处于低冷的状态。高压泵可以将来自低压输送总管的LNG加压处理，并将其输送到高压输出总管，然后由增压设备进行气化处理。启动之后，高压泵会在驱动电机的带动下高速旋转叶轮，从而产生动能和压能促使叶片间的液体在叶片推力下旋转，叶片旋转会产生离心力时，液体由中心向四周流动，并由扩压管收集排出高压液体，所以采用多级泵满足出口压力要求是十分必要的。

3、BOG压缩机和回流鼓风机

LNG接收站试运投产工艺中的BOG压缩机主要用于接收储罐气化产生的BOG，及LNG接收站运行产生的蒸发气，加压后通过增压机加压外输或通过再冷凝器液化向下游单元输送。来自输送总管的BOG会先进入压缩机入口分液罐气液分离后，通过压缩机锥形入口过滤器过滤杂质后进入压缩机，经过压缩处理后进入冷凝器冷凝成液化天然气向下游输送。

LNG接收站试运投产工艺中的回流鼓风机用于保持船舱系统的压力平衡，主要是为反气增压后经气相返回臂返回船舱。在液化天然气的卸料过程中，需要利用储罐于船舱之间的压力使BOG返回到船舱，在此过程中应当保证船舱压力的平衡，使船舱压力在安全范围内，所以要调节压力控制阀，在气象返回管线上设置回流鼓风机。成卸料过程中将储罐压力维持在18kPa左右，同时要严格控制船舱压力和最大压差，从而避免自然压差不足，无法克服沿程摩阻损失，影响卸料速度和卸船安全。

4、再冷凝器和气化器

LNG接收站试运投产工艺中的再冷凝器是维持工艺系统平衡的重要设备，LNG接收站在储存液化天然气过程中，由于液化天然气的自然蒸发可能会在上层气象空间形成蒸发气，为了避免造成储罐超压需要对储罐中产生的BOG进行压缩处理，将其从顶部输送至再冷凝器，将其与低压输送系统的LNG混合后被冷凝为LNG输送至高压泵，最终经汽化后向外输送。实际运行过程中在冷凝器通常为自动控制，能够自动调节液器质量比，保证底部温度的相对稳定和在冷凝器液位的相对稳定，只需在应急工况下由操作人员手动调节质量比。

LNG接收站试运投产工艺中的气化器包括开架式气化器，浸没燃烧式气化器，其中开架式气化器是以海水为热煤对液化天然气进行气化，开架式气化器运行过程中，当海水溢出后能够在换热板片上形成均匀稳定的液膜，并自上而下流动，而LNG会在气化器底部自下而上的进入换热管，在换热管内流动，在此过程中海水与液化天然气会进行传热，从而叶和天然气会被气化从而与海水温度相同，进入集输管道被运送到下游管道。浸没燃烧式气化器通常用于液化气天然气接收站的工作量较大，负荷较大时，通常在冬季海水的气化能力不足，所以可以利用浸没燃烧式气化器增加外输量。当海水系统以及开架式汽化器检修时也需要用到浸没燃烧式气化器来保证接收站的正常生产。浸没燃烧式气化器可以将空气与燃料气以一定比例混合在燃烧器内燃烧，从而生成高温烟气，向水浴池中喷射形成大量的气泡，烟气会与水直接接触，换热水浴通过换热管加热管内的流体，从而使液化天然气气化，最后所产生的废气排入大气中，产生的水从溢流口排出。

5、海水系统和火炬

LNG接收站试运投产工艺中的海水系统由海水取水口，钢闸门，拦污栅，海水泵以及电解质氯系统和海水分配管道等部分组成，其中拦污栅和机械旋转滤网是为了保证海水泵工作环境的清洁，为其提供干净的海水，所以这两个部分在每个泵的入口中都有配备。拦污栅可以过滤进入海水泵的较大杂质，如果异物较多，还可以利用清污机进行清理。旋转滤网可以过滤比较小的杂物。电解质氯系统是为了防止海洋生物繁殖以及破坏系统而对取水口进行持续加氯，电解海水，电解质氯系统包括一级海水过滤器，二级海水过滤器，除砂器，回流泵，电解器等。钢闸门主要起到在流道清淤和维修时的隔离作用。

火炬是LNG接收站中的重要安保措施，在LNG接收站的开停车正常操作过程中以及发生紧急事故的状态下排放可燃气体，从而保证设备安全以及操作人员的安全。正常操作状态下，LNG接收站所产生的蒸发气会全部冷凝回收，不会在火炬中放空燃烧，当增压器故障或出现紧急情况需要维修时，超压的气体会放空到火炬中进行燃烧。可以处理装置事故以及无法处理的可燃性气体。

三、LNG接收站试运投产工艺改进及应用效果

（一）管道预冷

LNG接收站的首次试运投产初期所产生的蒸发气必须全部在火炬放空燃烧不能回收，这导致大量的BOG浪费，为了进一步节约放空量，可以通过在首船到达之前利用液氮气化产生的低温氮气进行管道预冷，从而实现LNG放空量的节约。这就是低温氮气预冷的技术方案即管道预冷。管道预冷设计需要采用多点进气的方式，在开始预冷卸料总管时，在第一路单点处进入卸料总管，最后送至码头卸料臂平台排放到火炬，第一路通过码头保冷循环管道进入低压输送管道。除此之外，还应基于实际情况，根据接收站的进度判断是否引入二次利用的低温氮气对槽车系统管道进行预冷。预冷之后氮气排放时还应遵循安全原则，考虑到原有设计排放点的泄放量以及排放空间不理想等问题，对预冷后的氮气排放工艺流程进行优化。管道预冷工作实际投产之后，可以有效缩短船舶在港的时间，减少预冷成本，节省船舶滞留费。

（二）卸料管道填充

对卸料管道填充工艺进行改进是指通过利用液氮预冷卸料管道后生成的低温氮气，再次利用对码头保冷循环管道和液化天然气低压输出管道进行处理，实现低温氮气的再利用，同时使码头保冷循环管道与低压输出管道以及卸料管道的填充同步进行。当前国内LNG接收站的使用过程中，在首船接卸时通常要在卸载完成离泊后对其进行预冷填充。改造后卸料总管氮气冷却之后可以倒入码头循环保冷管道与卸料管道，将其导通到低压输出管道，进行预冷填充。这一工艺改进实际应用之后能够有效节省预冷物料的成本以及预冷时间，减少了试车时间和物料消耗，实现码头保冷循环管道，低压输出管道以及限量管道的同步预冷和填充。除此之外，这一工艺技术的改进还可以减少BOG的燃烧和排放。

（三）储罐预冷

在LNG接收站预冷储罐过程中，当储罐完成预冷时，原有的操作流程是船方启动卸货泵对T-1储罐进行小流量卸载，待储罐液位达到5m左右时停止卸货泵，然后再启动预冷泵对T-2储罐进行预冷。然而，这种切换过程导致了储罐喷淋预冷LNG压力和流量波动较大，甚至达到0.3~0.5MPa，使得卸料管道压力变化大、容易出现水击等现象，从而影响了试运投产的安全性。同时，船方需要频繁在预冷泵和卸料泵之间进行切换，延长了试车时间。为了解决这些问题，进行了工艺流程的改进。改进后的流程是在T-1储罐进行小流量卸载的同时，同时启动T-2储罐的预冷。这样一来，船方无需在卸货泵与预冷泵之间来回切换，减少了操作复杂度和人为干预，提高了流程的稳定性和安全性。由于过程中减少了人为的操作，T-1储罐小流量卸载的流量和压力是稳定的，同时卸料管道压力也较稳定。而T-2储罐仅需从卸料管道中分出很少一部分流量进行喷淋预冷，降低了对卸料管道的压力和流量的影响。改进后的流程保障了降温趋势的平稳，从而使长距离的卸料管道内LNG处于过冷状态，有效防止了卸料管道产生气堵的风险。同时，减少了阀门的频繁操作，降低了操作难度。此外，这一改进还减少了LNG船方在预冷泵和卸货泵之间来回切换，减少了船方与岸方的沟通频率，降低了储罐预冷LNG压力、流量调节的控制难度，并减少了BOG的燃烧排放，符合环保要求。

在现场实际投产中，采用了新的工艺流程，对T-2储罐进行了喷淋预冷。与之前的操作相比，这一改进在多个方面都取得了显著的效果。首先，通过启动卸料泵填充T-1储罐的同时，对T-2储罐进行喷淋预冷，有效地利用了LNG船上稳定的压力，保持了预冷流量在较为均匀的范围内（1000~6000m³/h）。这样一来，不仅保证了T-2储罐喷淋预冷LNG压力的稳定，也使得喷淋流量的分配更加均匀，进一步提高了预冷效果。其次，相较于原有工艺，T-2储罐的喷淋冷却效果更好，从喷淋开始储罐内温度下降趋势平缓稳定。这表明新工艺的实施在提高储罐冷却效率方面取得了显著成效，为后续的生产操作提供了更好的基础。

（四）BOG系统试车

在接收站试运投产时，未达到回收条件的BOG通常要全部放空的火炬进行燃烧，不仅会导致大量的蒸发气浪费，还会造成环境污染，所以为了减少蒸发气的放空燃烧需要加强统筹规划，建立有效的外出处理工艺流程，对BOG系统试车进行优化，从实现BOG的有效处理利用，减少在火炬的放空燃烧，避免造成环境污染，节约试车成本。所以应当在接收站配备具有较强处理能力的低压BOG压缩机，对标准进行处理，同时还有准备处理能力相同的高压压缩机，将其加压后输送到下游用户管网。此外，在遇冷方面可以先用低温氮气进行预冷，再采用一轮可以有效节约了物料的消耗，节省预冷成本和试车成本，将BOG气体向下游用户可以实现BOG压缩机的成功运行，在首船卸料结束的同时，与下游用户协调接收，保证职工器业务的开展，从而减少BOG的放空燃烧。

总结

本文针对LNG接收站试运投产的工艺进行改进，由于LNG接收站试车投产过程中存在成本高，物料消耗大，试车时间长的问题，所以针对管道预冷，卸料管道填充，储罐预冷以及BOG系统试车四个流程进行工艺改进，并通过理论分析和实践运用证明了工艺改进的可行性，经过工艺改进获得了一定的经济成果，提高了生产安全性，产生了较大的社会效益。同时保证了氮气的排放安全，实现了氮气的二次利用，有效缩短了首船在港时间，提高了试车的工作效率，降低了使用成本，保证了投产过程的安全，平稳。

参考文献：

[1]陈曦,黄哲.LNG环保自卸汽车在长河坝工程中的推广应用研究[J].水力发电, 2018(2).

[2]潘盼,简朝明,王丽静.陆上和海上LNG接收站建设方案比较[J].石油天然气学报, 2014(08).

[3]陈乐.LNG接收站储罐桩基采用360°全护筒旋挖设备的应用及工艺风险性分析[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术, 2021(9).