大型LNG项目码头的管道设计

段晶

工程设计

大型LNG项目码头的管道设计

段晶

柏克德（中国）工程有限公司 （上海200051）

摘要介绍了国外正在建设的一套大型液化天然气（LNG）装置码头的设计要点，着重讨论了低温LNG装卸臂的布置和设计参数，同时讨论了码头消防设施和码头管道的布置思路。

关键词液化天然气码头设备布置装卸臂消防管道设计

0　概述

美国谢尼埃能源公司正在美国德克萨斯州科珀斯克里斯蒂海湾东北部建设一个液化天然气（LNG）厂，包括3套天然气液化装置生产线（每套液化装置的生产能力为450万t/a，总能力达到1350万t/a），3个16万m3的LNG储罐及两个大型LNG外运码头。LNG气源来自德州各气田，通过管道输送至工厂气源交接口。该项目开始于 2011年年底，2014～2015年进行施工图详细设计并开始现场施工，预计在2018年全面投入商业运行。

该天然气液化厂在规模和用途上属于基本负荷型，前端天然气的预处理包括脱除CO2，H2S等酸性气体和脱水。冷冻液化工艺采用康菲公司的优化级联式液化流程，使用丙烷、乙烯及甲烷形成三个独立的制冷循环系统并依次阶梯制冷，以求达到最低能耗[1]。由于单条生产线生产能力大，故每条线均使用两台冷冻机压缩机组并联，各自承担50%的负荷。

生产的LNG储存在3个16万m3储罐中，LNG储罐均采用地上常压低温全容罐形式[2]，内壁使用9%镍钢，外壳使用预应力混凝土，罐顶设有悬挂式绝热支撑结构。每个罐配有3台流量为2 000 m3/h 的LNG潜液式电动泵，将LNG输送到停泊在码头的LNG船上。LNG装船时，两个罐上的6台泵同时运行，达到装船的设计流量12000 m3/h。LNG储罐产生的低压蒸发气（BOG）通过压缩机组加压返回冷冻单元再液化。另外LNG液化工厂配有冷剂（丙烷、乙烯）储存及装卸，废气/液处理，废热回收，火炬系统，公用工程（氮气系统、空气系统、水、电），消防等设施。

工厂的各个单元组成见图1，平面布置见图2。本文着重关注LNG码头的设备布置及管道设计。

图1LNG生产流程

图2LNG工厂平面布置

1　LNG码头的设计

LNG码头的功能是将由储罐输送来的LNG装运到LNG船上，主要设备包括LNG装卸臂组及其操作平台、码头工艺管道系统、码头舷梯、消防设施、码头办公室、栈桥等，具体参见图3。

图3LNG码头平面布置

LNG装卸臂的布置是码头设计的核心，因为LNG装卸臂是将岸上管线和LNG船上的管线连接在一起的中间过渡设备[3]。LNG码头平台上设置了3台液相LNG装卸臂（DN500）和一台气相回流臂（DN500），单台LNG装卸臂设计流量为6 000 m3/h，气相回流能力为35000 m3/h。另外，平台预留了一台LNG装卸臂位置备用。

LNG装卸臂的操作方式包括自动和手动两种，因此需要相应的平台满足操作及维修的要求。装卸臂位置位于码头中心靠岸侧，便于与LNG船连接；码头弦梯布置在装卸臂操作平台一侧，有通道与操作平台相连；消防炮分列两侧，其中一侧与码头舷梯联合考虑构架；办公室设置在码头后部；栈桥从码头延伸至岸边，连接岸上道路及管廊。

1.1LNG装卸臂的布置

影响LNG装卸臂布置的参数主要有：码头潮水高度变化、LNG船的漂移、码头平台的位置及高度、LNG船吃水深度（包括满仓和空仓两种状态）、LNG船上接管法兰的位置及高度。另外，LNG船的容量也会影响到部分参数，因此需要仔细收集并分析，向LNG装卸臂厂家提供正确的设计输入，由厂家确定最终的装卸臂尺寸。

表1列出了三维方向装卸臂布置需要考虑的主要参数，表2列出了可能停靠该码头的各种LNG船型的相关参数（部分），表3列出了LNG装卸臂其他参数的范围供参考。

表1　影响装卸臂布置参数表

表2　LNG船体参数表（部分）

表3　LNG装卸臂布置其它参数的范围（供参考）m

图4～6分别列出了LNG装卸臂活动范围的立面图和平面图。

由上述图表可得，LNG装卸臂必须满足LNG船接管法兰由于风浪水流、船容量大小和装载量变化引起的三维方向上的位置漂移，该类水平漂移和垂直漂移可能同时发生，而LNG装卸臂的另一端被固定在码头的立柱上，其平面位置和高度也会影响LNG装卸臂的尺寸。

图4　LNG装卸臂活动范围的立面图

图5　LNG装卸臂活动范围的平面图（轴向侧漂移）

图6　LNG装卸臂活动范围的平面图（平行侧漂移）

1.2LNG装卸臂的结构

LNG装卸臂是用于装卸LNG的专用设备，该项目选用的装卸臂主要由以下几部分组成：立柱、舷内臂、舷外臂；低温旋转接头（底部、顶部及舷外等，每个装卸臂6个）；电动液压执行机构（快慢两档）；紧急脱离装置（含双球阀及加压紧急脱离）；LNG装卸臂与LNG船对接的快速连接机构；LNG装卸臂现场控制台及位置检测系统；氮气管道系统（包含装卸臂及旋转接头吹扫）；配重块。

LNG装卸臂结构示意见图7。LNG装卸臂是由立柱、舷内臂、舷外臂通过旋转接头连接在一起组成的，能够像人体关节一样在一定空间范围内灵活地移动，满足LNG船接管法兰的漂移。另外，它有自体平衡和支撑的结构。由于LNG装卸臂设备庞大且沉重（几十吨），其操控需要一套电动液压系统来完成，一旦停电，备用的压缩空气马达可以代替电动机驱动液压系统维持基本运行。

图7LNG装卸臂结构示意图

紧急脱离装置安装在舷外臂的前端，LNG船的漂移导致装卸臂伸展到某个位置时会触发报警，如果情况进一步恶化，会触发联锁关闭双球阀，通过液压气缸打开夹具，使装卸臂自动断开，分为两段。关闭的球阀可防止LNG漏出，同时保护装卸臂，使其不被拉坏。

LNG装卸臂与LNG船对接的快速连接是通过特殊液压夹具将LNG装卸臂法兰和船上对接法兰夹紧，不需要传统的螺栓螺母安装，不仅快速、安全，而且不同大小的法兰都可以采用相同的操作。

LNG装卸臂配有多个位置传感器以检测其当前位置，并将信息传送给现场控制台。控制台安装在操作平台上，通过控制台可以操作装卸臂移动。同时，为方便操作还配有手持无线控制器供操作人员使用。

LNG装卸臂的特殊性还表现在它的低温使用功能，装卸臂在约-160℃的条件下使用，普通的钢材和旋转接头难以适用该环境。

2　消防设施

LNG具有低温流体的特性，属于易燃易爆的危险品，且能量非常集中，所以LNG码头区域须设有一套火灾报警及气体探测设施。气体探测器包括红外线火焰探测器、可燃气体探测器和低温检测器，一旦触发，将就地发出警报并传送到控制室。

码头区域根据火灾危险性分析（FHA）被定义为火灾高度危险区域，其消防设施包括消防水系统和化学干粉系统，消防水系统又可以分为高架消防水炮和消火栓系统，水源来自岸上的消防水罐，通过DN500高压消防水管接至码头。

（1）高架消防水炮

装卸臂两侧的高架消防水炮可遥控操作，其水平回转角度为360°，俯仰角为-15～75°，其布置的高度，喷射的射程及仰角的高度覆盖了4台LNG装卸臂和操作平台以及LNG船对接区域。

（2）消火栓系统

码头两端各自设置了4个消火栓，一旦码头上LNG管道发生火灾，可被用于扑救冷却管道、阀门，控制火灾的蔓延。

（3）化学干粉灭火系统

固定式化学干粉灭火系统由两个干粉罐（充装量约1360 kg）、两套氮气钢瓶组、一个干粉炮、两套干粉软管卷盘管网及相应的控制阀和仪表组成，其灭火半径约30 m，覆盖了码头办公室、变压器及码头大部分地面管道区域。另外，还在适当位置配备了多个可移动式小型干粉灭火器作为补充。

3　码头管道布置

码头栈桥延伸至岸边，包括管廊和通道两部分。车行通道位于一端主要是为吊车进入码头作业提供方便。管廊分为公用工程管道和工艺管道两部分。公用工程管道包括2层，消防管道及水管道位于管廊下部的管墩上，氮气、压缩空气等气体管道布置在管廊钢结构的下部，上部是仪表桥架和电气桥架。工艺管道均为低温管道，包括两根DN750 LNG输送管道（来自LNG储罐并与三个LNG装卸臂联通），一根DN1050气相回流管道（与气相回流臂联通），一根DN150保冷管道（为LNG回流管道，其作用是在无LNG装船时确保两根DN750 LNG输送管始终处于低温状态）。由于工艺管道管径均较大而且始终处于低温状态，故采用管墩形式布置于栈桥的另一端。两条人行通道位于工艺管道中间及外侧，两侧设置护栏。栈桥立面见图8。

由于装卸臂入口法兰的许用应力与位移量都很小，需要利用管道支架消除低温管道热胀冷缩带来的应力，因此装卸臂入口开关阀前后设置了多个弹簧支架。

LNG码头及栈桥上的工艺管道基本为低温不锈钢管道，长距离低温管道均设置π型弯以消除应力，并大量使用低温保冷支架。

图8　码头栈桥立面图

4　结束语

LNG码头管道设计的核心是装卸臂的布置，其他设计均围绕该核心进行，而装卸臂的正确布置和选用将直接影响到LNG装船的安全运行。

通过对影响装卸臂的各个因素进行详细分析，可以为同类型LNG码头，包括国内的众多LNG终端接收站码头（LNG卸料）的设计提供参考。

参考文献：

[1]顾安忠.液化天然气技术 [M].北京:机械工业出版社, 2004.

[2]BS 7777:1993Flat-bottomed,vertical,cylindrical storage tanks for lowtemperature service[S].

[3]顾安忠,鲁雪生.液化天然气技术手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

中图分类号TE 973

收稿日期：2015年6月

作者简介：段晶女1973年生本科工程师现从事化工管道工程设计工作

Piping Design of Jetty for Large-scale LNG Project

Duan Jing

Abstract:The key points of design for an abroad large-scale natural gas liquefaction plant jetty are described.The design parameters impacting on the layout of cryogenic LNG loading arms are elaborated,the fire-fighting facilities and piping layout of jetty are discussed as well.

Key words:LNG;Jetty;Equipment layout;Loading arm;Fire-fighting;Piping design