奉賢海灣LNG氣化站灌裝效率的優(yōu)化探討

中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 劉世杰

隨著天然氣作為清潔能源的大力推廣，液化天然氣 LNG已成為短期內(nèi)無(wú)法使用管輸天然氣區(qū)域的主要?dú)庠椿蜻^(guò)渡氣源。LNG氣化站是一個(gè)接收、儲(chǔ)存和分配 LNG的衛(wèi)星站，憑借其建設(shè)周期短和能夠迅速滿足用氣市場(chǎng)需求的優(yōu)勢(shì)，已逐漸在我國(guó)東南沿海眾多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源緊缺的中小城市建成，成為永久供氣設(shè)施或管輸天然氣到達(dá)前的過(guò)渡供氣設(shè)施。

部分LNG氣化站采用LNG儲(chǔ)罐和杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的模式，兼具氣化供氣和灌裝杜瓦瓶的功能。對(duì)于該類氣化站，如何在保障區(qū)域用戶供氣的同時(shí)盡可能優(yōu)化杜瓦瓶灌裝的效率，是運(yùn)行和管理的重要課題。本文結(jié)合奉賢海灣 LNG氣化站的工程實(shí)例對(duì)其進(jìn)行探討。

1 氣化站簡(jiǎn)介

奉賢海灣 LNG儲(chǔ)配站位于上海市奉賢區(qū)海灣鎮(zhèn)五四農(nóng)場(chǎng)地區(qū)，占地面積約3 000 m2。站內(nèi)工藝區(qū)設(shè)有50 m3立式LNG儲(chǔ)罐1臺(tái)、1 800 m3/h汽化調(diào)壓撬1臺(tái)、低溫潛液泵1臺(tái)和灌裝秤設(shè)備3套。

儲(chǔ)罐內(nèi)的 LNG一路通過(guò)空溫式汽化器氣化，經(jīng)調(diào)壓、計(jì)量和加臭處理后送至下游區(qū)域管網(wǎng)的居民和工業(yè)用戶，另一路經(jīng)過(guò)潛液泵輸送到灌裝平臺(tái)進(jìn)行杜瓦瓶灌裝。

2 灌裝動(dòng)力源選擇

LNG杜瓦瓶的灌裝是通過(guò)瓶?jī)?nèi)外壓差完成的。根據(jù)壓差產(chǎn)生動(dòng)力源的不同，灌裝方式分為儲(chǔ)罐增壓式灌裝和低溫潛液泵式灌裝。

2.1 儲(chǔ)罐增壓式灌裝

利用儲(chǔ)罐配套自增壓系統(tǒng)的灌裝方式稱為儲(chǔ)罐增壓式灌裝。操作時(shí)，將儲(chǔ)罐與自增壓器之間的液相和氣相管路開啟，低溫 LNG流經(jīng)自增壓汽化器時(shí)與大氣環(huán)境換熱并汽化為天然氣，隨后通過(guò)儲(chǔ)罐蒸發(fā)氣 BOG根部閥進(jìn)入罐內(nèi)頂部氣相空間，使氣相壓力增大，從而使儲(chǔ)罐壓力升高。持續(xù)這一過(guò)程，即可在儲(chǔ)罐與杜瓦瓶之間達(dá)到灌裝所需壓差。

儲(chǔ)罐增壓式灌裝的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了儲(chǔ)罐配套的自增壓系統(tǒng)，無(wú)需借助額外設(shè)備，手動(dòng)操作升壓的可控性較好；缺點(diǎn)是儲(chǔ)罐出液壓力受罐體設(shè)計(jì)壓力0.84 MPa的限制，且隨著灌裝的進(jìn)行，儲(chǔ)罐液位和壓力不斷降低，需重復(fù)手動(dòng)操作增壓過(guò)程，連續(xù)灌裝的效率較低。

2.2 低溫潛液泵式灌裝

儲(chǔ)罐和灌裝平臺(tái)之間增設(shè) LNG低溫潛液泵的灌裝方式稱為低溫潛液泵式灌裝。在泵啟動(dòng)前，泵池內(nèi)充滿LNG，啟動(dòng)電機(jī)后，泵軸帶動(dòng)葉輪和葉片之間的LNG做高速離心運(yùn)動(dòng)，在離心力的作用下，LNG從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼，蝸殼中的 LNG由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流出，從而與杜瓦瓶之間形成灌裝所需壓差。

低溫潛液泵式灌裝的優(yōu)點(diǎn)是潛液泵出液壓力較高，操作人員只需操作灌裝平臺(tái)上的遠(yuǎn)程控制按鈕即可進(jìn)行連續(xù)灌裝；缺點(diǎn)是低溫潛液泵的啟動(dòng)條件較為嚴(yán)格，且灌裝壓差過(guò)高時(shí)容易引發(fā)杜瓦瓶安全閥起跳，危及操作人員安全。

2.3 兩種灌裝動(dòng)力源的選擇

通過(guò)上述比較，在灌裝動(dòng)力源的選擇方面可作如下考慮：

(1)當(dāng)日常灌裝量較大、灌裝效率要求較高且投資條件允許時(shí)，設(shè)計(jì)階段可優(yōu)先考慮低溫潛液泵式灌裝。

(2)當(dāng)選用儲(chǔ)罐增壓式灌裝時(shí)，設(shè)計(jì)階段可適當(dāng)提高儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力至1.2 MPa，運(yùn)行階段的密集灌裝作業(yè)可選擇在儲(chǔ)罐液位較高的時(shí)段進(jìn)行。

3 裝置汽蝕余量?jī)?yōu)化

LNG低溫潛液泵是灌裝裝置動(dòng)力源，作用至關(guān)重要。奉賢海灣 LNG氣化站設(shè)計(jì)時(shí)采用了SLP-18/200型潛液泵1臺(tái)。其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SLP-18/200型潛液泵性能指標(biāo)

在場(chǎng)站運(yùn)行初期曾發(fā)生過(guò)潛液泵難以啟動(dòng)的情況，嚴(yán)重影響了灌裝效率。究其原因是工況下灌裝裝置的汽蝕余量NPSHa(又稱有效汽蝕余量)小于泵啟動(dòng)所需的最小汽蝕余量NPSHr。

在泵的啟動(dòng)瞬間，泵帶動(dòng)入口處 LNG克服摩擦阻力做功轉(zhuǎn)化為液體的動(dòng)能。這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生部分壓力損失，即在泵入口處形成低壓區(qū)。當(dāng)NPSHa小于NPSHr時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的LNG沸點(diǎn)降低引發(fā)劇烈沸騰產(chǎn)生氣泡。當(dāng)含有大量氣泡的液體向前進(jìn)入葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時(shí)，氣泡周圍的高壓液體使氣泡急劇縮小以至破裂，同時(shí)液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率打擊葉片金屬表面，沖擊應(yīng)力可達(dá)幾百至幾千個(gè)大氣壓，沖擊頻率可達(dá)每秒幾萬(wàn)次，產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將葉片擊穿。為了防止汽蝕現(xiàn)象對(duì)泵的損傷，延長(zhǎng)泵的使用壽命，當(dāng)泵抽取到氣液混合物，僅做極少的功，在3 s內(nèi)電機(jī)電流和出口壓力未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則引發(fā)連鎖保護(hù)停機(jī)。

因此，NPSHa表示泵入口處液相LNG具有的超過(guò)汽化壓力水頭的富余能量，是由泵的吸入裝置提供的，主要與裝置參數(shù)有關(guān)。該站潛液泵入口安裝高度低于儲(chǔ)罐最低液面，因此選用倒灌裝置NPSHa的計(jì)算公式來(lái)分析優(yōu)化措施。

式中：pc——儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力，Pa；

pv——潛液泵入口處LNG的飽和蒸汽壓，Pa；

ρ——LNG密度，kg/m3；

g——重力加速度，9.8m/s2；

Hg——儲(chǔ)罐內(nèi)液面與潛液泵入口處液面的高差，m；

Hf——儲(chǔ)罐出液口至潛液泵入口段管道的摩擦阻力造成的壓力損失，m。

3.1 合理控制儲(chǔ)罐壓力pc

該站選用的LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為0.84 MPa，罐體為雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)膽儲(chǔ)存低溫 LNG并承受液體的壓力和低溫，其材料為耐低溫合金鋼S30408；外殼為保護(hù)層，承受內(nèi)膽和介質(zhì)的重力荷載以及絕熱層的真空負(fù)壓，外殼不接觸低溫液體，采用容器鋼制作。外殼與內(nèi)膽之間保持一定間距，抽高真空形成絕熱層，填充膨脹珍珠巖。

儲(chǔ)罐正常工作時(shí)，不可避免地會(huì)有外界熱量傳入，使儲(chǔ)罐下部液相LNG汽化形成氣相BOG儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐上部，從而形成下部低溫、上部高溫的溫度梯度。因此在 LNG槽車進(jìn)站卸車時(shí)，先通過(guò)儲(chǔ)罐上進(jìn)液口以噴淋方式將部分氣相液化，降低儲(chǔ)罐壓力，再通過(guò)下進(jìn)液口輸送LNG，至卸車完成時(shí)，雖然 LNG儲(chǔ)罐液位較高，但是儲(chǔ)罐整體壓力處于較低水平。同時(shí)，由于該站儲(chǔ)罐出液管路一分為二，分別供應(yīng)汽化和灌裝，所以潛液泵入口處的實(shí)際壓力又低于儲(chǔ)罐壓力。此工況下裝置的NPSHa較小，不建議直接啟泵。

實(shí)際灌裝作業(yè)時(shí)，建議采取以下措施將儲(chǔ)罐壓力pc控制在合理范圍：

(1)由于泵的電機(jī)功率為定值，若泵入口處壓力過(guò)高，則泵出口處壓力可能超過(guò)安全閥的起跳壓力2.5 MPa，因此灌裝前必須檢查儲(chǔ)罐壓力。該站設(shè)置當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于0.7 MPa時(shí)不得進(jìn)行灌裝作業(yè)。

(2)當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力低于0.55 MPa時(shí)，可通過(guò)儲(chǔ)罐增壓器、潛液泵和灌裝平臺(tái)的 BOG回氣管路對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行升壓，通常保持在0.60～0.68 MPa。安全起見(jiàn)，升壓操作時(shí)停止灌裝作業(yè)。

(3)避免在汽化管路用氣量Qe高峰時(shí)進(jìn)行批量灌裝作業(yè)。當(dāng)Qe＞450 m3/h時(shí)，暫停灌裝作業(yè)；當(dāng)Qe＜250 m3/h時(shí)，灌裝作業(yè)效率較高，通常為夜間。

3.2 增大Hg

為增大儲(chǔ)罐內(nèi)液面與潛液泵入口處液面的高差Hg，可采取以下措施：

(1)在設(shè)計(jì)階段提高儲(chǔ)罐安裝高度或降低潛液泵安裝高度。

(2)盡可能在儲(chǔ)罐液位較高時(shí)進(jìn)行灌裝作業(yè)。該站設(shè)置儲(chǔ)罐液位低于3.2 m時(shí)停止灌裝。

3.3 減小Hf

儲(chǔ)罐出液口至潛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)為減小管道的直管阻力，可通過(guò)增大管道直徑或縮小直管長(zhǎng)度，即在工藝設(shè)備布置設(shè)計(jì)階段將潛液泵盡可能靠近儲(chǔ)罐，放置于擋液堤內(nèi)。

(2)為減小管道的局部阻力，工藝管道布置階段應(yīng)注意儲(chǔ)罐出液口和潛液泵入口的接管方向，減少?gòu)濐^和三通的設(shè)置。

3.4 減小Pv

潛液泵入口處LNG的飽和蒸汽壓pv與其溫度Tv的關(guān)系符合Antoine公式：

式中：A、B和C為常數(shù)。

由式(2)可以看出，pv隨著Tv的升高而增大。因此，在運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取以下措施減緩Tv的升高：

(1)儲(chǔ)罐至潛液泵入口管道的保冷工藝盡可能使用真空保冷。當(dāng)使用PIR聚氨酯發(fā)泡料保冷時(shí)，增加保冷層厚度，管托采用聚氨酯材質(zhì)。

(2)嚴(yán)格規(guī)范保冷管道初次預(yù)冷作業(yè)流程。預(yù)冷低溫儲(chǔ)罐和低溫管道要逐步降低溫度，根據(jù)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，首先低溫氮?dú)忸A(yù)冷，合格后進(jìn)入液氮預(yù)冷。要求低溫氮?dú)忸A(yù)冷階段嚴(yán)格控制預(yù)冷速率，一般為8～10 K/h，嚴(yán)禁超過(guò)20 K/h，液氮預(yù)冷階段嚴(yán)格控制預(yù)冷速率在30～50 K/h之間，防止溫度驟降對(duì)儲(chǔ)罐和管道的損傷。

(3)長(zhǎng)時(shí)間未灌裝時(shí)，可適當(dāng)放空泵池內(nèi)的氣相，使泵池壓力降低，LNG沸點(diǎn)隨之降低，則當(dāng)泵池內(nèi) LNG溫度高于其沸點(diǎn)時(shí)，發(fā)生劇烈沸騰吸收熱量，從而使LNG溫度降低。

4 杜瓦瓶工況調(diào)節(jié)

LNG杜瓦瓶作為灌裝的容器，其設(shè)計(jì)和工況參數(shù)會(huì)影響灌裝效率。該站選用的杜瓦瓶設(shè)計(jì)規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 DPW650-410型杜瓦瓶設(shè)計(jì)規(guī)格

灌裝前應(yīng)對(duì)杜瓦瓶初始?jí)毫M(jìn)行檢查。初始?jí)毫^(guò)高時(shí)可采取預(yù)冷降壓或必要的放散，防止灌裝開始時(shí)瓶?jī)?nèi)壓力急劇升高導(dǎo)致安全閥起跳。

根據(jù)該站的灌裝作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于初次使用或空閑3 d以上的“暖瓶”，灌裝速度較慢，單瓶耗時(shí)約12～15 min，且灌裝時(shí)可明顯聽到BOG回氣的“滋滋”聲；對(duì)于3 d內(nèi)使用過(guò)的“冷瓶”，灌裝速度較快，單瓶耗時(shí)約3～8 min。即瓶?jī)?nèi)溫度越低，灌裝效率越高。

5 灌裝的操作工藝

灌裝平臺(tái)設(shè)置有匯流排和灌裝秤，是灌裝作業(yè)人員的主要操作區(qū)域。平臺(tái)人員與儀表間控制人員相互配合，一般的灌裝操作流程如下。

5.1 啟泵

開啟泵撬進(jìn)液閥、回氣閥，泵開始預(yù)冷，可適當(dāng)開啟泵池氣相放空閥以減少預(yù)冷時(shí)間。當(dāng)回氣溫度低于–120 ℃且液位高于600 mm時(shí)，關(guān)閉泵池氣相放空閥。保持泵池溫度低于–120 ℃且液位高于600 mm，等待20 min，泵池預(yù)冷完成。

開啟泵撬回流閥，控制旋鈕在“循環(huán)”狀態(tài)時(shí)按下“啟動(dòng)”按鈕啟泵，對(duì)泵出液管道進(jìn)行預(yù)冷。當(dāng)管道出液溫度＜–120 ℃時(shí)停泵，管道預(yù)冷完成。

5.2 灌裝

開啟泵撬出液閥、灌裝秤的進(jìn)液閥和回流閥，連接杜瓦瓶進(jìn)液閥、回氣閥并開啟，關(guān)閉回流閥。

控制旋鈕在“灌裝”狀態(tài)時(shí)按下“啟動(dòng)”按鈕，泵進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，按下“灌裝”按鈕，進(jìn)液氣動(dòng)閥開啟同時(shí)給控制反饋運(yùn)行命令，當(dāng)達(dá)到設(shè)定灌裝質(zhì)量或人為停止時(shí)進(jìn)液氣動(dòng)閥關(guān)閉，同時(shí)給控制反饋停止命令。

單只杜瓦瓶灌裝完成后，應(yīng)關(guān)閉瓶口進(jìn)液閥和回氣閥，卸下接頭。一批杜瓦瓶灌裝完成后平臺(tái)短期不用時(shí)，應(yīng)開啟出液回流閥，防止出液管路憋壓。

該站設(shè)有3臺(tái)灌裝秤。當(dāng)其中1臺(tái)進(jìn)液閥開啟時(shí)即給泵運(yùn)行命令，3臺(tái)灌裝秤進(jìn)液閥全部關(guān)閉時(shí)才給泵停止命令。

5.3 停泵

開啟灌裝秤回流閥，關(guān)閉泵撬進(jìn)液閥，保持泵撬出液閥為常開狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)奉賢海灣 LNG儲(chǔ)配站設(shè)計(jì)和運(yùn)行的寶貴經(jīng)驗(yàn)，建議在 LNG杜瓦瓶灌裝效率的優(yōu)化方面，可采取以下措施：

(1)相比儲(chǔ)罐增壓式，利用低溫潛液泵作為動(dòng)力源能夠提供較大且連續(xù)的灌裝壓差，在保持充足裝置汽蝕余量，做好操作安全培訓(xùn)的前提下，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(2)灌裝裝置的氣蝕余量 NPSHa不足時(shí)，容易誘發(fā)潛液泵的氣蝕現(xiàn)象，從而引起泵的連鎖保護(hù)停機(jī)。為了增大NPSHa，可以采取增大儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力、減小潛液泵入口處 LNG的飽和蒸汽壓、增大儲(chǔ)罐內(nèi)液面與潛液泵入口處液面的高差和減小儲(chǔ)罐出液口至潛液泵入口段管道的摩擦阻力造成的壓力損失等優(yōu)化措施。

(3)杜瓦瓶作為灌裝容器，其溫度和壓力越低，灌裝效率越高。灌裝前應(yīng)對(duì)杜瓦瓶的初始?jí)毫M(jìn)行檢查，防止壓力急劇升高導(dǎo)致安全閥起跳，危及作業(yè)人員，必要時(shí)應(yīng)預(yù)冷降壓或氣相放散。

(4)灌裝時(shí)必須嚴(yán)格遵守作業(yè)流程，啟泵前對(duì)泵池和管路進(jìn)行預(yù)冷。一批杜瓦瓶灌裝完成后，若平臺(tái)短期不用，應(yīng)開啟出液回流閥，防止出液管路憋壓；停泵后開啟灌裝秤回流閥，關(guān)閉泵撬進(jìn)液閥，保持泵撬出液閥為常開狀態(tài)。