LNG气化站气化装置及基础改造方案

徐龙春, 邢少郡, 侯立朋, 王振东

(1.安徽深燃天然气有限公司, 安徽 合肥 230000; 2.天津昱丞高科工程设计有限公司,天津 300384; 3.河南天伦燃气集团有限公司, 河南 郑州 450018)

1 概述

随着国家环保政策越来越严,人民生活质量不断提高,城镇基础设施日趋完善,城镇天然气气化率也逐年提高。根据住建部《2021年城乡建设统计年鉴》可知,截至2021年底,我国城市和县城天然气用气人口为52 874.53×104人,其中城市天然气用气人口为44 195.53×104人;天然气管道长度为113.51×104km,其中城市天然气管道长度为92.91×104km。

对于管道天然气未覆盖的地区,绝大部分地区采用LNG气化站供气。空温式气化器是LNG气化站的重要设备,吸收环境中的热量传递给LNG使其气化。

实际应用中,低温工况下星型翅片导热管空温式气化器普遍存在结霜现象,尤其在冬季,空温式气化器(简称气化器)的结霜面积约占总面积60%～ 85%。霜层在星型翅片导热管表面沉积,增大了传热热阻,减弱了传热效果,同时,增大了空气流过气化器的阻力,造成空气流量下降,使气化器的换热量大大减少,严重时翅片导热管会结冰。当气化器不工作时,冰融化会产生冰水,滴落在设备基础混凝土上。设备基础混凝土长期被冰水侵蚀,会出现裂纹和粉化现象,给厂站运行带来安全隐患。因此,设计单位在设计LNG气化站时要合理选用气化器,根据工程所在地考虑设备基础防冻胀[1-2]及气象条件影响。

2 待改造LNG气化站概况

某LNG气化站位于安徽省某市,于2018年10月投入运营,为调峰气源(LNG价格便宜时,为主气源),主要给城区天然气居民、商业和工业用户供气。

站内设置2台容积150 m3的LNG储罐,设计气化能力14 000 m3/h。站内主要设备见表1。气化器采用星型翅片导热管。

表1 站内主要设备

目前,该站冬季高峰时段气化量达14 000 m3/h,气化器工作时表面结霜严重,基础已冻胀变形,周边混凝土地面出现了粉化现象。

3 待改造LNG气化站存在问题及原因

3.1 存在问题

在冬季运行过程中,高峰时段气化器满负荷工作,需开启1台气化能力8 000 m3/h和1台气化能力6 000 m3/h 的气化器。气化器工作时,其周围产生大量白雾(见图1),弥漫整个生产区。气化器结霜结冰情况严重,已导致翅片及金属外框变形。气化器基础被冰水侵蚀出现裂纹、冻胀变形,周边混凝土地面长期被冰水侵蚀出现了粉化现象,存在很大安全隐患。厂站人员在生产区操作或除霜除冰时,为防止冻伤,必须穿防护棉服,戴头部和脸部护具。

图1 空温式气化器周围产生的大量白雾

3.2 原因分析

① 气化器设备

从现场调研情况看,该站主要存在气化器设备设计缺陷和选型过小两方面原因。原气化器存在设计缺陷,导热管间距过小,翅片过小,不利于通风,不利于导热管及翅片自然对流换热。设备厂家忽略了星型翅片导热管在结霜工况下传热性能的变化。设计单位设计经验不足,气化器设备选型过小,没有做到尽量选择多台同种型号气化器进行组合。

② 气化器基础

该站位于非寒冷地区,设计单位设计时,仅考虑项目所在地区气候条件,未考虑LNG工艺流程的特殊性和项目设备气化量,对气化器基础混凝土结构暴露的环境类别判断不准确,未采取防冻措施。气化器基础长期被冰水侵蚀,再经冻融胀裂,势必会出现混凝土表面开裂和粉化现象,存在安全隐患。

③ 气象条件

因场地有限,气化器没有布局在当地气象常年主导风向的迎风侧,降低了气化器的换热效率。

4 改造方案

4.1 设备改造

由原设备厂家负责更换或改造气化器,适当增大导热管之间及翅片之间的间距,增加翅片面积,考虑星型翅片导热管在结霜工况下传热性能的变化,使气化器能满足实际气化量的需求。若更换气化器,受场地所限,建议都更换为同型号气化能力为8 000 m3/h的气化器,增大气化能力,留有余量,便于运行管理。

4.2 设备基础改造

① 改善空气流通,提高换热效率

对气化器基础进行改造,拆除原有基础,将条形整块基础改为多个柱状基础与气化器底部连接,并适当增加柱状基础的高度,改善空气流通,提高换热效率。

② 采取防冻措施

气化器基础防冻措施有两种方案。方案1是基础选用抗冻等级F300(混凝土能够承受反复冻融循环次数为300次)的混凝土,掺加外加剂,水泥、掺合料、外加剂的品种和数量、配合比及空气含量等应通过试验确定,并按照SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》中混凝土抗冻试验内容进行试验。方案2是基础选用P8等级的防渗透C30混凝土,基础表面外加保温防护措施。

方案1需通过试验确定水泥、掺合料、外加剂的品种和数量、配合比及空气含量,试验时间至少28 d,而且项目周边没有做混凝土试件抗冻试验的检测机构。从改造工期方面考虑,宜选用方案2。方案2的设计要求及做法如下。

a.设备基础设计主要要求

设备基础采用柱状基础,设计等级为丙级,设计使用年限50 a。基础采用P8等级的防渗透C30混凝土,垫层采用C15混凝土,基础保护层厚度40 mm,钢筋为HRB400。

b.设备基础防冻措施

对各柱状基础,地坪以下30 cm至各柱墩顶部外表面采用5 cm厚岩棉贴面,外罩钢丝网,防水防渗透砂浆罩面,再外包1 mm厚不锈钢钢板。钢板间采用满焊连接,混凝土柱顶面与设备柱脚不便外包钢板处,采用防水抗冻胶密封。通过对设备基础做保温防护来防止被冰水侵蚀冻融开裂。

改造后的气化站见图2。

图2 改造后的气化站

5 结论

设备基础设计及施工应结合LNG工艺流程,要充分考虑各种环境影响,采取有效措施。对处于气候温和地区的空温式气化器基础,由于设备运行产生低温及冰水环境,空温式气化器基础应考虑防冻措施。