LNG气化站设计与设备选型分析

马玉鹏

LNG气化站设计与设备选型分析

马玉鹏

（中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，北京 100085）

LNG以其运输便利、节能、环保、经济、安全等优势，在城市气源中起到举足轻重的作用，LNG气化站的建设和投资也显得越来越重要。本文根据LNG的基本特性，分析了LNG气化站的规模、工艺流程以及关键设备选型等内容，探讨LNG气化站设计与建设过程中的安全影响因素，为LNG气化站优化设计及安全运行提供参考。

LNG气化站；工艺流程；关键技术；安全因素；设备

随着国家经济的迅速发展，能源结构进一步调整，CO2等温室气体的排放指标逐渐降低。为了满足经济发展需要，提高人民生活水平和保护环境，天然气的使用应运而生。1 m3天然气与相应可替代的煤炭相比，可节约能量约11%~73%，减排二氧化碳47%~84%、氮氧化物44%~95%、二氧化硫和烟尘近100%[1~3]。

同时，LNG几乎不含水分、重烃类、硫化烃等杂质，较普通天然气燃烧充分、洁净环保。因此，提高天然气在能源应用中的地位，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具有非常重要的现实意义[4]。

1 LNG基本特性

LNG（Liquefied Natural Gas）是以液态形式存在的天然气。LNG是由油气田采出的天然气经过脱水、脱烃、脱酸等净化处理后，再经膨胀制冷或外部冷源深冷得到的-162 ℃下的低温液体。LNG主要是由甲烷（CH4）组成，还有少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、氮气（N2）等成分。

在常压下，LNG 的密度在430 ~470 kg/m3之间，体积约为标况下天然气体积的1/600。因此，低温槽车运输LNG实现了天然气的高效输送，解决了部分城市无法利用管道供应天然气的问题，极大扩大了天然气的应用地域。

2 LNG气化站规模

LNG气化站的规模主要有两部分组成：

（1）供气规模。它需要综合考虑全年用气量，主要与气源、供气安全、用户性质、运输条件及经济评估（建设投资、运行成本）等因素有关。供气规模一般取最大小时用气量的1.2倍[5-6]。

式中：Q为平均日用气量，kg/d；Q为最大小时用气量，Nm3/h；为标况下天然气的密度，一般取0.717 4 kg/m3。

（2）储气规模。储气规模的大小主要由储气天数来表示，其取值决定了气化站的储罐大小和数量。对于中小城市来说，供气规模应按照城市的最大小时用气量确定。为了保证供气的可靠性，储气天数一般以3~7 d为宜，而且为进一步降低投资风险，LNG气化站可分期建设。

式中：V—总储存容积，m3；—储存时间，d；Q—平均日用气量，kg/d；ρ—最高工作温度下的LNG密度，kg/m3，取423 kg/m3；θ—最高工作温度下的储罐允许充装率，Nm3/t，取95%；—剩余容积，一般不少于10%。

3 LNG气化站工艺流程

图1 LNG气化站工艺流程图

LNG气化站流程如图1所示，工艺设备主要包括：卸车增压器、LNG储罐、储罐增压器、BOG加热器、EAG加热器、空温式气化器、水浴式气化器、调压计量及加臭撬块等。

3.1 LNG卸车

LNG由低温槽车运输到气化站后进行卸车，槽车卸车主要有3种方式：增压器卸车、低温潜液泵卸车以及“泵+增压器”结合方式卸车。

（1）增压器卸车：卸车增压器是一种气化器，通过气化部分液化天然气，使槽车气相部分增压，将LNG送入低温储罐，如图1所示。此种卸车方式一般使用空温式气化器，适用于气候温和的地区，充分利用空气热量同时，节省燃料，减少安全隐患。

（2）低温潜液泵卸车：低温潜液泵主要是用来给LNG液流提供一定的压力能头，将LNG液流送入储罐。此种卸车方式主要适用于槽车至LNG储罐的管路摩阻损失较大、卸车速度快的工况。

（3）“泵+增压器”结合方式卸车：“泵+增压器”结合方式卸车，结合了两种卸车方式的优点，先通过增压器提供一定的压头，再启动潜液泵，可以加速卸车过程，保证卸车时间的要求，如图2所示。

图2 LNG槽车“泵+增压器”卸车流程

3.2 LNG储存

表1 LNG储罐形式比较

储罐在常压下储存LNG，罐内压力为3.4~17.2 kPa，可分为地上储罐和地下储罐。现阶段，世界上LNG储罐主要以地上储罐为主。目前，国内LNG储罐主要有真空粉末罐、子母罐和常压罐3种型式[4]，3种储罐型式对比见表1。地下储罐具有安全性高、不易溢出、对周边环境要求低等特点，但投资较大、建设周期长，现阶段还未推广[7]。

3.3 LNG气化

LNG由储罐进入气化器是通过储罐增压气化器与升压控制阀共同控制实现的，当储罐气相空间压力小于升压控制阀设定压力时，升压控制阀开启，增压气化器将气相天然气输送至储罐顶端，使得压力上升。当储罐顶端压力达到升压控制阀设定压力时，阀关闭，出口切断阀开启，LNG自流进入空温式气化器和水浴式气化器。

3.4 BOG回收系统[8,9]

由于LNG储罐和槽车的日蒸发率最大为3%，为维持设备内压力稳定，回收系统释放气相天然气，保证储存与运输安全。BOG在冬季可用作锅炉燃料，夏季可送入城市燃气管网。

3.5 EAG( Escape Air Gas)安全放散系统

EAG是安全放散的低温气相天然气，大于空气的密度，如果直接将EAG放散至大气中，会使得天然气在低洼地区积聚，遇到火花或明火引起爆炸或燃烧危险。因此，需要对EAG进行加热至其临街浮力温度-107 ℃以上，使得放散气体密度小于空气，再通过放散塔进行高空放散，如流程图1所示。

4 关键设备选型

4.1 气化器的选择

LNG气化器主要有空温式和水浴式两种，二者对比如表2所示。

表2 LNG气化器对比

空温式气化器适用于外界大气温度高、温度较恒定的场所。对于我国气候条件，一般采用空温式气化器和水浴式气化器相结合的方式，在环境气温低或空温式气化器除霜阶段，开启水浴式气化器，提高供气保障，同时节省能源。

4.2 BOG加热器

BOG加热器主要是给回收BOG提供热量，BOG加热器处理量按照槽车卸车后气相天然气量与储罐日常BOG蒸发量综合来设计[10-13]，设卸车产生BOG量为1，储罐正常储存产生天然气量为2，则加热器处理量为：

其中，为BOG加热器的处理量，m3/h；P为卸车后槽车内压力，MPa；2为卸车后槽车内压力，MPa；为槽车体积，m3；为BOG回收时间，h；为日蒸发率，对于LNG储罐一般以满罐为基准日蒸发率见表3；为储罐数量；l为LNG的密度，kg/m3；V为储罐有效容积（一般按照储罐充装90%计算）；ρ为标况下天然气的密度。

表3 LNG 储罐日蒸发率控制要求[14]

4.3 EAG加热器

EAG空温式加热器设备能力按照LNG储罐的最大安全放散量进行计算[10]。一般对于150 m³的储罐产生的EAG为500 m3/h，因此加热器的处理量也应该选择500 m3/h。

5 安全措施

液化天然气火灾危险性分类为甲A类液体，在储存运输过程中需考虑易燃、易爆、泄露、低温等安全隐患，在设计中应严格遵守相关规范、标准，主要从以下几个方面保证LNG储存运输安全。

5.1 设计方面

（1）根据规范、标准，装置区域、气化站与周边建构筑物满足安全间距。

（2）LNG气化时，会导致气化设备表面结霜，为防止冷凝水深入地面（尤其是湿陷性黄土地区），导致地面基础冻裂，气化装置所在区域地基处理应考虑防冻和防渗措施[15]。

（3）考虑到LNG为-162 ℃液体，为了避免冷收缩而损害管道和设备，一方面，管道及储罐材料应选择耐低温材料，且一般采用弯管和膨胀节作为管道补偿措施；另一方面，在管道及设备进料时应考虑保冷与预冷措施[16]。

（4）设置BOG加热器与回收罐，防止LNG自然蒸发导致储罐或设备爆炸。

（5）设置液化天然气安全放散系统，对放散低温天然气设置加热器，使其达到安全放散的要求后，引至放空火炬进行放空。

（6）设置紧急切断系统，事故状态时，迅速隔断事故与其他设备，避免事故扩大。

（7）设置完善的火灾及泄漏监测、报警系统，及时发现问题，杜绝事故发生。

5.2 操作、人员管理方面

（1）规范操作规程、组织所有岗位人员进行学习，并实施考核制度，合格后持证上岗。

（2）定期或不定期对设备进行检查与维修保养，保证系统处于安全运行状态。

（3）强化管理，建立合理的安全预案，定期对系统进行安全评价。

（4）成立应急小组，在突发情况时，能够及时控制事故蔓延，降低事故危害及经济损失。

6 结 论

目前，随环保理念深入社会，LNG“高效、环保、清洁、价廉”的优点使得其在能源结构中具有不可取代的地位，建设安全、高效、节能的LNG气化站是扩大LNG应用的基础，但由于LNG固有的特性，LNG气化站的建设也有一定的风险，综合考虑影响因素，对工艺流程、关键技术进行全面分析，确定最优设计方案至关重要，本文为LNG气化站设计与管理提供了参考。

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Analysis on Design and Equipment Selection of LNG Gasification Station

（China Petroleum Engineering & Construction Corp.，Beijing Company, Beijing 100085, China）

Due to the advantages of convenient transportation, energy saving, environmental protection, economy and security, LNG has become the main gas source of the city which is beyond the range of pipeline gas supply. So, the construction and investment of LNG gasification station is becoming more and more important. In this paper, according to the basic characteristics of LNG, technological processes and main equipments of LNG gasification station were studied and analyzed. Security problems on the design and construction process were discussed. The paper can provide some reference for the optimal design selection and safe operation of LNG gasification station.

LNG vaporizing station; process flow; key technology; safety factors; equipment

2020-01-15

马玉鹏（1989-），男，中级工程师，硕士，北京市人，2014年毕业于中国石油大学（华东）供热、供燃气、通风及空调工程专业，研究方向：从事油气田地面工程设计工作。

TE646

A

1004-0935（2020）05-0508-04