奉贤海湾LNG气化站灌装效率的优化探讨

中国市政工程西南设计研究总院有限公司 刘世杰

随着天然气作为清洁能源的大力推广，液化天然气 LNG已成为短期内无法使用管输天然气区域的主要气源或过渡气源。LNG气化站是一个接收、储存和分配 LNG的卫星站，凭借其建设周期短和能够迅速满足用气市场需求的优势，已逐渐在我国东南沿海众多经济发达、能源紧缺的中小城市建成，成为永久供气设施或管输天然气到达前的过渡供气设施。

部分LNG气化站采用LNG储罐和杜瓦瓶联合运营的模式，兼具气化供气和灌装杜瓦瓶的功能。对于该类气化站，如何在保障区域用户供气的同时尽可能优化杜瓦瓶灌装的效率，是运行和管理的重要课题。本文结合奉贤海湾 LNG气化站的工程实例对其进行探讨。

1 气化站简介

奉贤海湾 LNG储配站位于上海市奉贤区海湾镇五四农场地区，占地面积约3 000 m2。站内工艺区设有50 m3立式LNG储罐1台、1 800 m3/h汽化调压撬1台、低温潜液泵1台和灌装秤设备3套。

储罐内的 LNG一路通过空温式汽化器气化，经调压、计量和加臭处理后送至下游区域管网的居民和工业用户，另一路经过潜液泵输送到灌装平台进行杜瓦瓶灌装。

2 灌装动力源选择

LNG杜瓦瓶的灌装是通过瓶内外压差完成的。根据压差产生动力源的不同，灌装方式分为储罐增压式灌装和低温潜液泵式灌装。

2.1 储罐增压式灌装

利用储罐配套自增压系统的灌装方式称为储罐增压式灌装。操作时，将储罐与自增压器之间的液相和气相管路开启，低温 LNG流经自增压汽化器时与大气环境换热并汽化为天然气，随后通过储罐蒸发气 BOG根部阀进入罐内顶部气相空间，使气相压力增大，从而使储罐压力升高。持续这一过程，即可在储罐与杜瓦瓶之间达到灌装所需压差。

储罐增压式灌装的优点是充分利用了储罐配套的自增压系统，无需借助额外设备，手动操作升压的可控性较好；缺点是储罐出液压力受罐体设计压力0.84 MPa的限制，且随着灌装的进行，储罐液位和压力不断降低，需重复手动操作增压过程，连续灌装的效率较低。

2.2 低温潜液泵式灌装

储罐和灌装平台之间增设 LNG低温潜液泵的灌装方式称为低温潜液泵式灌装。在泵启动前，泵池内充满LNG，启动电机后，泵轴带动叶轮和叶片之间的LNG做高速离心运动，在离心力的作用下，LNG从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳，蜗壳中的 LNG由于流道的逐渐扩大而减速，将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流出，从而与杜瓦瓶之间形成灌装所需压差。

低温潜液泵式灌装的优点是潜液泵出液压力较高，操作人员只需操作灌装平台上的远程控制按钮即可进行连续灌装；缺点是低温潜液泵的启动条件较为严格，且灌装压差过高时容易引发杜瓦瓶安全阀起跳，危及操作人员安全。

2.3 两种灌装动力源的选择

通过上述比较，在灌装动力源的选择方面可作如下考虑：

(1)当日常灌装量较大、灌装效率要求较高且投资条件允许时，设计阶段可优先考虑低温潜液泵式灌装。

(2)当选用储罐增压式灌装时，设计阶段可适当提高储罐的设计压力至1.2 MPa，运行阶段的密集灌装作业可选择在储罐液位较高的时段进行。

3 装置汽蚀余量优化

LNG低温潜液泵是灌装装置动力源，作用至关重要。奉贤海湾 LNG气化站设计时采用了SLP-18/200型潜液泵1台。其性能指标见表1。

表1 SLP-18/200型潜液泵性能指标

在场站运行初期曾发生过潜液泵难以启动的情况，严重影响了灌装效率。究其原因是工况下灌装装置的汽蚀余量NPSHa(又称有效汽蚀余量)小于泵启动所需的最小汽蚀余量NPSHr。

在泵的启动瞬间，泵带动入口处 LNG克服摩擦阻力做功转化为液体的动能。这一过程会产生部分压力损失，即在泵入口处形成低压区。当NPSHa小于NPSHr时，该区域内的LNG沸点降低引发剧烈沸腾产生气泡。当含有大量气泡的液体向前进入叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体使气泡急剧缩小以至破裂，同时液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击叶片金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，产生噪声和振动，严重时会将叶片击穿。为了防止汽蚀现象对泵的损伤，延长泵的使用寿命，当泵抽取到气液混合物，仅做极少的功，在3 s内电机电流和出口压力未达到设定值时，则引发连锁保护停机。

因此，NPSHa表示泵入口处液相LNG具有的超过汽化压力水头的富余能量，是由泵的吸入装置提供的，主要与装置参数有关。该站潜液泵入口安装高度低于储罐最低液面，因此选用倒灌装置NPSHa的计算公式来分析优化措施。

式中：pc——储罐内气相压力，Pa；

pv——潜液泵入口处LNG的饱和蒸汽压，Pa；

ρ——LNG密度，kg/m3；

g——重力加速度，9.8m/s2；

Hg——储罐内液面与潜液泵入口处液面的高差，m；

Hf——储罐出液口至潜液泵入口段管道的摩擦阻力造成的压力损失，m。

3.1 合理控制储罐压力pc

该站选用的LNG储罐设计压力为0.84 MPa，罐体为双层结构。内胆储存低温 LNG并承受液体的压力和低温，其材料为耐低温合金钢S30408；外壳为保护层，承受内胆和介质的重力荷载以及绝热层的真空负压，外壳不接触低温液体，采用容器钢制作。外壳与内胆之间保持一定间距，抽高真空形成绝热层，填充膨胀珍珠岩。

储罐正常工作时，不可避免地会有外界热量传入，使储罐下部液相LNG汽化形成气相BOG储存于储罐上部，从而形成下部低温、上部高温的温度梯度。因此在 LNG槽车进站卸车时，先通过储罐上进液口以喷淋方式将部分气相液化，降低储罐压力，再通过下进液口输送LNG，至卸车完成时，虽然 LNG储罐液位较高，但是储罐整体压力处于较低水平。同时，由于该站储罐出液管路一分为二，分别供应汽化和灌装，所以潜液泵入口处的实际压力又低于储罐压力。此工况下装置的NPSHa较小，不建议直接启泵。

实际灌装作业时，建议采取以下措施将储罐压力pc控制在合理范围：

(1)由于泵的电机功率为定值，若泵入口处压力过高，则泵出口处压力可能超过安全阀的起跳压力2.5 MPa，因此灌装前必须检查储罐压力。该站设置当储罐压力高于0.7 MPa时不得进行灌装作业。

(2)当储罐内压力低于0.55 MPa时，可通过储罐增压器、潜液泵和灌装平台的 BOG回气管路对储罐进行升压，通常保持在0.60～0.68 MPa。安全起见，升压操作时停止灌装作业。

(3)避免在汽化管路用气量Qe高峰时进行批量灌装作业。当Qe＞450 m3/h时，暂停灌装作业；当Qe＜250 m3/h时，灌装作业效率较高，通常为夜间。

3.2 增大Hg

为增大储罐内液面与潜液泵入口处液面的高差Hg，可采取以下措施：

(1)在设计阶段提高储罐安装高度或降低潜液泵安装高度。

(2)尽可能在储罐液位较高时进行灌装作业。该站设置储罐液位低于3.2 m时停止灌装。

3.3 减小Hf

储罐出液口至潜液泵入口段管道的摩擦阻力主要包括直管阻力和局部阻力。

(1)为减小管道的直管阻力，可通过增大管道直径或缩小直管长度，即在工艺设备布置设计阶段将潜液泵尽可能靠近储罐，放置于挡液堤内。

(2)为减小管道的局部阻力，工艺管道布置阶段应注意储罐出液口和潜液泵入口的接管方向，减少弯头和三通的设置。

3.4 减小Pv

潜液泵入口处LNG的饱和蒸汽压pv与其温度Tv的关系符合Antoine公式：

式中：A、B和C为常数。

由式(2)可以看出，pv随着Tv的升高而增大。因此，在运行时应采取以下措施减缓Tv的升高：

(1)储罐至潜液泵入口管道的保冷工艺尽可能使用真空保冷。当使用PIR聚氨酯发泡料保冷时，增加保冷层厚度，管托采用聚氨酯材质。

(2)严格规范保冷管道初次预冷作业流程。预冷低温储罐和低温管道要逐步降低温度，根据规范及工程经验，首先低温氮气预冷，合格后进入液氮预冷。要求低温氮气预冷阶段严格控制预冷速率，一般为8～10 K/h，严禁超过20 K/h，液氮预冷阶段严格控制预冷速率在30～50 K/h之间，防止温度骤降对储罐和管道的损伤。

(3)长时间未灌装时，可适当放空泵池内的气相，使泵池压力降低，LNG沸点随之降低，则当泵池内 LNG温度高于其沸点时，发生剧烈沸腾吸收热量，从而使LNG温度降低。

4 杜瓦瓶工况调节

LNG杜瓦瓶作为灌装的容器，其设计和工况参数会影响灌装效率。该站选用的杜瓦瓶设计规格见表2。

表2 DPW650-410型杜瓦瓶设计规格

灌装前应对杜瓦瓶初始压力进行检查。初始压力过高时可采取预冷降压或必要的放散，防止灌装开始时瓶内压力急剧升高导致安全阀起跳。

根据该站的灌装作业经验，对于初次使用或空闲3 d以上的“暖瓶”，灌装速度较慢，单瓶耗时约12～15 min，且灌装时可明显听到BOG回气的“滋滋”声；对于3 d内使用过的“冷瓶”，灌装速度较快，单瓶耗时约3～8 min。即瓶内温度越低，灌装效率越高。

5 灌装的操作工艺

灌装平台设置有汇流排和灌装秤，是灌装作业人员的主要操作区域。平台人员与仪表间控制人员相互配合，一般的灌装操作流程如下。

5.1 启泵

开启泵撬进液阀、回气阀，泵开始预冷，可适当开启泵池气相放空阀以减少预冷时间。当回气温度低于–120 ℃且液位高于600 mm时，关闭泵池气相放空阀。保持泵池温度低于–120 ℃且液位高于600 mm，等待20 min，泵池预冷完成。

开启泵撬回流阀，控制旋钮在“循环”状态时按下“启动”按钮启泵，对泵出液管道进行预冷。当管道出液温度＜–120 ℃时停泵，管道预冷完成。

5.2 灌装

开启泵撬出液阀、灌装秤的进液阀和回流阀，连接杜瓦瓶进液阀、回气阀并开启，关闭回流阀。

控制旋钮在“灌装”状态时按下“启动”按钮，泵进入待机状态，按下“灌装”按钮，进液气动阀开启同时给控制反馈运行命令，当达到设定灌装质量或人为停止时进液气动阀关闭，同时给控制反馈停止命令。

单只杜瓦瓶灌装完成后，应关闭瓶口进液阀和回气阀，卸下接头。一批杜瓦瓶灌装完成后平台短期不用时，应开启出液回流阀，防止出液管路憋压。

该站设有3台灌装秤。当其中1台进液阀开启时即给泵运行命令，3台灌装秤进液阀全部关闭时才给泵停止命令。

5.3 停泵

开启灌装秤回流阀，关闭泵撬进液阀，保持泵撬出液阀为常开状态。

6 结语

通过总结奉贤海湾 LNG储配站设计和运行的宝贵经验，建议在 LNG杜瓦瓶灌装效率的优化方面，可采取以下措施：

(1)相比储罐增压式，利用低温潜液泵作为动力源能够提供较大且连续的灌装压差，在保持充足装置汽蚀余量，做好操作安全培训的前提下，具有明显优势。

(2)灌装装置的气蚀余量 NPSHa不足时，容易诱发潜液泵的气蚀现象，从而引起泵的连锁保护停机。为了增大NPSHa，可以采取增大储罐内气相压力、减小潜液泵入口处 LNG的饱和蒸汽压、增大储罐内液面与潜液泵入口处液面的高差和减小储罐出液口至潜液泵入口段管道的摩擦阻力造成的压力损失等优化措施。

(3)杜瓦瓶作为灌装容器，其温度和压力越低，灌装效率越高。灌装前应对杜瓦瓶的初始压力进行检查，防止压力急剧升高导致安全阀起跳，危及作业人员，必要时应预冷降压或气相放散。

(4)灌装时必须严格遵守作业流程，启泵前对泵池和管路进行预冷。一批杜瓦瓶灌装完成后，若平台短期不用，应开启出液回流阀，防止出液管路憋压；停泵后开启灌装秤回流阀，关闭泵撬进液阀，保持泵撬出液阀为常开状态。