液化天然气气化站的工程设计.pdf

Vo 1 ． 3 2 No ． 4 J u l y ． 2 0 1 3 冶金能源 E NE RG Y F OR ME T AI ．工URG I C AL I ND US T RY 4 7 液化天然气气化站的工程设计 李 十 中冶京诚工程技术有限公司 摘要液化天然气 以其能量密度高、运输方便、环保、经济等优点 ，已成为管输天然气供 应范围以外城市的主气源和过渡气源。在钢铁生产企业中可作为高热值燃料被广泛应用于炼 钢和轧钢工艺中。以某钢铁公司液化天然气气化站工程为例 ，详细介绍了液化天然气气化站 的设备能力计算、工艺流程、控制设置和消防设施 ，并根据液化天然气的危险性特点 ，针对 在设计过 程中应注意的安全问题逐一进行 了阐述 。 关键词 液化天然气气化站设计设备能力计算工艺安全 L NG g a s i fi c a t i o n s t a ti o n p r o j e c t d e s i g n L i S h i C a p i t a l E n g i n e e r i n g a n d R e s e a r c h I n c o r p o r a t i o n L i m i t e d Ab s t r a c t B e c a u s e o f i t s h i g h e n e r g y d e n s i t y，e a s y t r a n s p o r t a t i o n，n o p o l l u t i o n ，e c o n o mi c，l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L N G h a s b e c o m e t h e m a i n g a s S O U F C e a n d t h e t r a n s i t i o n a l g as s o u r c e b e y o n d t h e p i p e l i n e n a t u r a l g as i n c i t y ．L NG i s w i d e l y u s e d i n s t e e l ma k i n g a n d r o l l i n g p r o c e s s e s a s i t s h i【g h t h e r ma l v alu e i n s t e e l p l an t ． T h e e q u i p me n t c a p a c i t y c Mc a t i o n， t e c h n o l o g i c al p r o c e s s ， s e t t i n g o f p r o c e s s c o n t r o l p o i n t a n d fi r e f a c i li t i e s we r e i n t r o d u c e d ．C o n s i d e r i n g t h e d an g e r o u s c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e L N G ，e l a b o - r a t e d “ the s afe ty i s s u e s i n t h e d e s i g n ． Ke y wo r ds L NG g a s s t a t i b n d e s i g n e q u i p me n t c a p a c i t y c a l c u l a t i o n p roc e s s s a f e 根据 国家发展改革委员会的规划 ，为实现降 低 C O 、温室气体减排 目标的要求 ，未来我国要 逐步提高天然气在国家能源结构中的地位。1 m 天然气与相应可替代 的煤炭相 比，可节约能量 1 1 ％ ～ 7 3 ％，减排二 氧化碳 4 7 ％ ～8 4 ％，氮氧 化物 4 4 ％ ～ 9 5 ％ ，二氧化硫和烟尘近 1 0 0 ％。提 升天然气在能源结构中所占的比重 ．对于我国实 现温室气体减排 目标 ，促进社会 、经济 、环境可 持续发展等方面都具有非常重要的现实意义。 钢铁企业为解决 内部高热值 能源平衡问题 ， 常需外 购能源。 自建液化天然气 L N G气化 站为钢铁 企业提供 了更 多选择。该 文从总 图布 收稿 日期 2 0 1 3 0 31 1 李十 1 9 7 3一 ， 高工； 1 0 0 1 7 6 北京市大兴区。 置、工艺设备能力计算 、气化站工艺流程 、工艺 控制点设置 、消防设施设计及设计工作中需注意 的问题等方面对 L NG气化站工程的设计做 了详 细介绍。 1 选址及布置 L N G气化站项 目选址及总图布置适用 于现 行国家标准 建筑设计防火规范G B 5 0 0 1 6 2 0 0 6 、 城镇燃气设计规范G B 5 0 0 2 8 2 0 0 6及 石油化工企业设计防火规范G B 5 0 1 6 0 2 0 0 8 的相关规定。站场总平面布置，应根据其甲类生 产场所的特点 ，结合地形、风向等条件 ，经技术 经济比较确定 ，且宜布置在人员集 中场所及明火 或散发火花地点的全年最小频率风向的上风侧。 L N G气化站 主要分 为储罐 区、汽化及调 压 48 冶金能源 EN ER GY F OR ME T AL L U RGI C AL I ND US T R Y Vo 1 ． 3 2 No ． 4 J u l y ． 2 0 1 3 区、放散区以及辅助区， 产区。 其 中前三个区域属于生 2 ． 3 卸车增压气化器 站区边界设 2 ． 0 m高实体 围墙 ，站区设 四处 大门，其中东侧南北大门为生产运输用 ，西侧南 北大门为辅助区人流通道。 三个 1 5 0 m 储槽单 排布置 ，储槽 四周设 置 防泄漏围堰，围堰有效容积大于 4 5 0 m 。 主汽化器分为两组，每 2 h切换投用，同时 配置水浴式汽化器 ，以防止在主汽化器故障或环 境温度异常的情况下 L N G不能充分汽化 ，保证 后续设备、管道的安全。主汽化器、水浴式汽化 器、B O G 闪蒸汽 加热器 、E A G 安全放散 气体加热器、卸车增压器以及调压计量加臭 装置等统一布置在汽化器区域。 放散总管布置在站区下风向位置，与液体储 槽、周边建筑均严格遵循国家相关规范的要求。 生产辅助区设配电室、仪表室 、值班 室等 ， 远离生产区域布置 ，单独设人流通道 。 2工艺设备能力计算 L N G气化站 的主要 生产设备 有 L N G储罐 、 储罐增压气化器 、卸车增压气化器 、B O G加热 器、空温式气化器 、水浴式加热器 、E A G加热 器、调压器等。以下将结合某钢铁公司要求天然 气平均供应 量为 1 0 0 0 0 m ／ h ，输 出压力 0 ． 4 MP a 的工况 ，对 L N G储存及工艺设备能力计算进行 阐述。 2 ． 1 L N G储罐 储罐总容量通常按储存 3 d高峰月平 均 日用 气量确定 。同时还应综合考虑气源点的个数 、气 源厂检修时间、气源运输周期 、 用户用气波动情 况等因素。根据气源运输周期 ，该工程选用 了 3 台 1 5 0 m 的 L N G真空立式储罐，在储存压力 0 ． 8 M P a状况下 ，充装 率 不 大于储 罐 总 容 积 的 8 6 ％ 。按照 平 均 小时 供 气量 1 0 0 0 0 m 。 ／ h计 算 ， 每天供应 6 h ，储存量约可供应 4 d 。 2 ． 2 储罐增压气化器 按 1 5 0 m’ 的 L N G储罐最大充装量 ，在 5 m i n 内将 2 1 m 气相空间的压力由卸车状态的0 ． 4 MP a 升至工作状态的 0 ． 6 MP a进行计算 ，每台储罐应 选用 1台气化量为 8 0 0 m ／ h的空温式气化器为储 罐增压。 由于 L N G集装箱 罐车上不配 备增压装置 ， 因此站 内设置气化量为 3 0 0 m ／ h的卸车增压气 化器 ，将罐车压力增至0 ． 6 M P a 。 2 ． 4 B O G加热器 站内 B O G发生量最大的是 回收槽车卸车后 的气相天然气 ，故 B O G空温式加热器的设计 能 力按此进行计算 ，回收槽车卸车后的气相天然气 的时间按 3 0 mi n计。以 1台 4 0 m 的槽车压力从 0 ． 6 M P a降至 0 ． 3 MP a为例 ，计算出所需 B O G空 温式气化器的能力为 2 4 0 m ／ h 。一般根据气化站 可同时接卸槽车的数量选用 B O G空温式加热器。 通常 B O G加热器的加热能力为 5 0 01 0 0 0 m ／ h 。 因此该工程选用 5 0 0 m ／ h 。在冬季使用水浴式天 然气加热器 时，将 B O G用作 热水锅炉 的燃料 ， 其余季节送人天然气输配管网。 2 ． 5 空温式气化器 空温式气化器是 L N G气化站的主要气化设 施。气化器的气 化能力 由高峰小时用气量确定 ， 并留有一定 的余量 ，通 常为高峰小时用气量的 1 ． 3～1 ． 5倍 ，2～ 4台为 1组，设计上配置 2～3 组相互切换使用 。 2 ． 6 水浴式天然气加热器 当环境温度较低 ，空温式气化器出口气态天 然气温度低于 5 C时，在空温式气化器后串联水 浴式天然气加热器 ，对气化后 的天然气进行加 热。加热器 的加热能力设定为高峰小时用气量的 1 ． 3～1 ． 5倍 。 2 ． 7 E A G加热器 E A G空温式加热 器设备能力按 1 5 0 m 。 储罐 的最大安全放散量进行计算。经计算 ，1 5 0 m 储 罐的安全放散量为5 0 0 m ／ h ，设计中选择气化量 为 5 0 0 m ／ h的空温式加热器 1台。 2 ． 8 调压 、计量装置 根据 L N G气化站 的规模选择调压装 置。通 常设置 2路调压装置 ，需选用带止回、超压切断 的调压器 ，计量采用涡轮流量计。 3 气化站工艺流程 气化站的工艺流程分为卸车工艺和储罐 自动 增压与液化天然气气化两个部分 ，以下将逐一进 行 描述 。 Vo 1 ． 3 2 N o ． 4 J u l y ． 2 0 1 3 冶 金能源 ENERGY FOR METAL LURGI CAL I NDUS TRY 49 3 ． 1 卸 车工艺 L N G通过公路槽车或罐式集装箱车从液化 工厂运抵气化站 ，利用卸车增压气化器对槽车储 罐进行升压，使槽车与储罐之间形成一定的压 差，利用此压差将槽车中的 L N G卸入气化站储 罐内。卸车结束时，通过卸车台气相管道回收槽 车中的气相天然气。储罐有上、下进液 口，在正 常生产条件下，卸车都采用下进液方式。为防止 卸车时急冷产生较大的温差应力损坏管道或影响 卸车速度，每次卸车前 都应 当用储罐 中的 L N G 对卸车管道进行预冷。同时应防止快速开启或关 闭阀门使 L N G的流速突然改变而产生液击损坏 管道。 3 ． 2 储罐 自动增压与 L N G气化流程 L N G气化站流程如图 l 所示。靠压力推动， L N G从储罐流向空温式气化器，气化为气态天 然气后供应用户。随着储罐内 L N G的流出，罐 内压力不断降低，L N G出罐速度逐渐变慢直至 停止。因此 ，正常供气操作中必须不断向储罐补 充气体 ，将罐 内压力维持在一定范围内，才能使 L N G气化过程持续下去。 图 1 L N G气化 站工 艺流程 储罐的增压是利用 自动增压调节阀和 自增压 空温式气化器实现的。当储罐 内压力低于 自动增 压阀的设定开启值时，自动增压阀打开 ，储罐内 L N G靠液位差 流人 自增压 空温式气化器 ，在 自 增压空温式气化器 中 L N G与空气换热气化成气 态天然气 ，然后气态天然气流人储罐 ，将储罐 内 压力升至所需的工作压力。利用该压力将储罐内 L N G送至主气化器气化 ，然后对气化后 的天然 气进行调压，再计量、加臭后 ，送入天然气输配 管网为用户供气。 夏季空 温式 气 化 器天 然 气 出 口温 度 可 达 l 5 ℃ ，可直接进管网使用 。在冬季或雨季 ，气化 器气化效率大大降低， 气化器出口天然气的温度 低于 0 ℃而成为低温天然气 。为防止低温天然气 直接进入天然气输配管网导致管道 阀门等设施产 生低温脆裂，气化后的天然气需再经水浴式天然 气加热器将其温度升到 l 0 ℃，然后再送人天然 气输配管网。 在 自增压过程 中随着气态天然气 的不断流 人，储罐的压力不断升高，当压力升高到自动增 压调节阀的关闭压力时自动增压阀关 闭，增压过 程结束。随着气化过程的持续进行 ，当储罐内压 力又低于增压阀设定的开启压力时，自动增压阀 打开 ，开始新一轮增压。 4 工艺控制 系统的设置 工艺控制系统包括站 内工艺装置的运行参数 采集和 自动控制 、远程控制、联锁控制和超限报 警。控制点的设置通常包括以下 内容 ①卸车进液总管压力；②空温式气化器出气 管压力与温度；③水浴式天然气加热器出气管压 力与温度；L N G储罐的液位、压力与报警信 冶金能源 E NE RG Y F OR ME T AL L URG I C AL I NDU S T RY V0 1 ． 3 2 No ． 4 J u l y ． 2 0 1 3 号联锁；⑤B O G加热器压力；⑥调压器后压力； ⑦出站流量；⑧加臭机 自带仪表控制 。 5 消防设施设计 L N G气化站的消防由水喷淋消防和灭火器 材两种方式组成。水喷淋消防主要包括地上式消 火栓和储罐区消防用水。在保证有充足消防水源 的条件下 ，消防给水管网应布置成环状 ，且向环 状管网供水的干管不应少于两根 。 该工程选用的单罐容积为 1 5 0 m ，根据规范 要求需设置固定喷淋装置。储罐区的消防用水量 按储罐 固定喷淋装置用水量与水枪用水量之和计 算 ，固定 喷淋 的供水 强度应 ≥0 ． 1 5 1 _ ． ／ S il l ， 用水量按着火储罐的全表面积计算 ，距着火储罐 直径 1 ． 5倍 范 围 内的相邻 储 罐按 其 表 面积 的 5 0 ％计算 ；水枪供水强度取 3 0 L ／ s 。 灭火器材可选用二氧化碳灭火器或磷酸铵盐 干粉灭火器 ，灭火器的规格 、数量及摆放方式应 根据被保护场所 的要求设置。 6 主要安全措施 根据我国对危险化学品危险等级的划分，天 然气属易燃气体 ，其闪点 、爆炸下限低 ，极易发 生燃爆事故 ，且燃爆事故一旦发生，造成 的人身 伤害和财产损失都极为 巨大。根据 危险化 学 品重 大危 险源 辨识 G B 1 8 2 1 82 0 0 9中规 定， 天然气储存量超过 5 0 t 为重大危险源 ，因此在设 计和使用上应严格按照规章、规范执行。在工程 设计中应采取 的主要安全措施要求如下 6 ． 1 建筑设计要求 建筑设计需按甲类生产场所 ，二级耐火等级 的要求进行设计。对于有可能受到土壤冻结或冻 胀影响的储罐和设备基础 ，必须设置温度检测系 统并应采取有效保护措施。 6 ． 2 工艺设备布置要求 工艺设备宜成排布置，且留足操作、检修通 道 6 ． 3 工艺管道设计要求 1 材质要求 介质温度≤一 2 0 ℃管道采用输送流体用不 锈钢 无缝 钢 管 G B ／ T 1 4 9 7 62 0 0 2 ，材 质 为 0 C r l 8 N i 9 ；管件采用材质为 0 C r l 8 N i 9的无缝冲压 管件 G B ／ T 1 2 4 5 92 0 0 5 ；法兰采用 凹凸面对 焊钢制管 法兰 G B ／ T 9 1 1 5 ． 12 0 0 0 ，材 质为 0 C r l 8 N i 9 ；法兰密封垫片采用金属缠绕式垫片 ， 材质为 0 C r l 8 N i 9 ；紧固件采用专用双头螺柱、螺 母 ，材质为 0 C d 8 N i 9 。介质温度 一 2 0 ℃工艺 管道 采 用输送 流体 用 无缝 钢管 G B ／ l 6 3 2 0 0 8 ，材质为2 O号钢 ；法兰采用突面对焊钢制 管法 兰 G B ／ T g l 1 5 ． 12 0 0 0 ，材质为 2 O号钢 ； 法兰密封垫片采用柔性石墨复合垫片。 2 防止冷收缩设计 L N G管道在 常 温下 安装 ，在低温 下运 行 ， 前后温差高达 1 8 0 ℃ ，存在着较大的冷收缩量 和 温差应力 ，通常采用 “ 门形” 补偿装置补偿工 艺管道的冷收缩。 6 ． 4 电气设计要求 生产区域的的电气防爆等级应按 1区爆炸危 险场所设计。储罐区防雷设计按第二类考虑。 6 ． 5 报警仪表设计要求 在 L N G生产 区域 的设 备及管道 阀门集中处 应设置液化天然气浓度检漏报警 ，传感器 的安装 高度一般在便于观察处 ，距离释放源的距离可取 5m 7 结 语 L N G气化站具有使用方便 的特点，供 气能 力可根据企业 的能源平衡进行调整 ，具有一定的 灵活性 ，它的生产可并入企业 的 日常运行管理 中，并没有增加企业 的额外负担。对企业而言 ， 在解决管输天然气供应量不足的情况下， 建气化 站是个有效 的解决方案。 万雪编 辑