LNG站場外輸管線設計標準規(guī)范差異性分析

賈保印

(中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012)

天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃明確了“十三五”期間的供氣目標，《關于加快儲氣設施建設和完善儲氣調(diào)峰輔助服務市場機制的意見》中要求加快形成與國內(nèi)消費需求相適應的儲氣能力及完善的調(diào)峰應急機制，推進天然氣產(chǎn)供儲銷體系建設[1]。與儲氣庫和氣田調(diào)峰相比，液化天然氣(LNG)接收站具有快速、靈活等特點，利用LNG接收站進行調(diào)峰，不但可滿足較大的瞬時調(diào)峰量，而且運行成本較低[2-3]，預計到2035年，中國LNG站場將增加至約40座。LNG站場是具有天然氣凈化及液化、液化天然氣儲存及裝運、液化天然氣接卸及再氣化功能的站場，如基荷型天然氣液化工廠、調(diào)峰型液化工廠、液化天然氣接收站、液化天然氣中轉站、液化天然氣儲配站、液化天然氣氣化站等。

LNG站場中天然氣外輸需借助天然氣外輸管線，而天然氣外輸管線通常分為LNG站場內(nèi)天然氣外輸管線(站內(nèi)管線，下同)和站外天然氣外輸管線(站外管線，下同)，站內(nèi)管線包含LNG氣化器出口至站場界區(qū)內(nèi)的管線；站外管線包含界區(qū)至用戶、首站或分輸站管線。站內(nèi)管線和站外管線因承包商的不同，分別由上游LNG站場工程承包商(接收站承包商，下同)和管道工程承包商(管道承包商，下同)負責，接收站承包商和管道承包商設計標準、設計理念、工藝方案等均存在較大的差異，但隨著現(xiàn)階段定量分析工具、站場設計一體化的推進，雙方在天然氣外輸管線、首站設計的差異越來越引起設計人員、安全審查人員、政府主管部門以及建設單位的關注和重視。

基于上述情況，筆者介紹了LNG站場外輸管線的主要流程及設計原理，分析了產(chǎn)生上述差異的原因和規(guī)范依據(jù)，并結合站內(nèi)和站外管線的設計規(guī)范和習慣，推薦出適合LNG站場外輸管線的設計原則和方法，并給出確定安全保護系統(tǒng)設定值的取值依據(jù)和重點關注點。

1 現(xiàn)有設計的現(xiàn)狀和主要問題

為了便于描述和分析現(xiàn)有工藝流程及原理，以某LNG站場示例項目的實際運行工藝參數(shù)為例，天然氣組成和工藝參數(shù)分別見表1和表2。

1.1 天然氣外輸?shù)湫凸に嚵鞒?/h3>

來自LNG站場的天然氣經(jīng)站內(nèi)管線和站外管線進行天然氣外輸，站內(nèi)管線設置有壓力變送器、緊急切斷閥等，設計溫度、設計壓力和設計流量見圖1。該流程在LNG站場配置中應用最廣。

表1 天然氣組成和工藝參數(shù)

表2 天然氣輸送管線的主要工藝操作參數(shù)

圖1 天然氣外輸?shù)湫凸に嚵鞒淌疽?/p>

由圖1可見：當壓力變送器探測壓力高高(PAHH)信號后，聯(lián)鎖信號進入安全儀表系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))聯(lián)鎖，關閉緊急切斷閥，避免下游站外管線超壓甚至損壞；站外管線設置有首站，首站具有計量、清管等功能。站內(nèi)管線的設計壓力同LNG站場內(nèi)相同，站外管線首站設計參數(shù)同長輸管線相同，站內(nèi)和站外管線設計壓力分別為15，10 MPa，差異較大。

1.2 現(xiàn)有設計存在的問題

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》要求，站外管線的閥室與接收站的距離根據(jù)不同等級地區(qū)推薦上限值來確定，即若該地為四級地區(qū)、三級地區(qū)、二級地區(qū)、一級地區(qū)，1#閥室與接收站的距離應分別為8，16，24，32 km。當1#閥室切斷閥發(fā)生誤關斷，若LNG站場仍持續(xù)按照已有設定流量值進行天然氣外輸，會導致1#閥室上游天然氣管線壓力迅速升高。此外，通常情況下LNG站場的首站設置有切斷閥或開關閥，正常操作過程中上述閥門存在誤操作關閉或失電失氣關閉的工況，一旦首站中閥門關閉，LNG站場外輸通道將會被切斷，而LNG站場的天然氣還在不斷地外輸，直至站內(nèi)管線上的壓力變送器觸發(fā)設定值，聯(lián)鎖關閉站內(nèi)管線的緊急切斷閥，但由于站內(nèi)關管線尺寸較大，緊急切斷閥的關閉時間較長，通常為30～40 s，在緊急切斷閥的關閉期間，會造成站外管線尤其是首站系統(tǒng)的超壓，因此需要特別關注站內(nèi)管線上的壓力變送器聯(lián)鎖設定值，但目前仍無法完全解決站外管線的超壓問題，甚至會發(fā)生火災，影響裝置的安全。由此可見，采用調(diào)整站內(nèi)管線上壓力高高聯(lián)鎖設定值的方法不能從根本上解決站外管線超壓的問題。

2 原因分析及解決措施

2.1 原因分析

通常情況下，國內(nèi)LNG站場的站內(nèi)管線和站外管線分別有接收站承包商和管道承包商分別實施，其設計原則和安全性評估均符合各自行業(yè)的設計規(guī)范和行業(yè)規(guī)定。LNG站場站內(nèi)管線按照LNG站場的設計規(guī)范進行實施；站外管線按照長輸管線的設計規(guī)范進行實施。雙方負責各自工作范圍內(nèi)的設計，除了界面溝通外，對LNG站場、站外管線的設計缺乏有效的溝通，極少從LNG站場、天然氣外輸管線等總體統(tǒng)籌考慮。但隨著現(xiàn)階段定量分析工具、站場設計一體化的推進，雙方在天然氣外輸管線、首站設計的差異越來越引起設計人員、安全審查人員、政府主管部門以及建設單位的關注。

導致上述現(xiàn)象的最終原因是站內(nèi)管線和站外管線設計壓力選取的標準不同，站內(nèi)管線設計壓力的標準是根據(jù)高壓泵出口的最大關閉壓力設定的，示例工程項目中站內(nèi)管線設計壓力為15 MPa，上述規(guī)范的設計原則同傳統(tǒng)化工、煉油工業(yè)、精細化工等行業(yè)的設計原則相同，被國內(nèi)主要工程公司和行業(yè)規(guī)范所認可。站外管線設計壓力的標準則是根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》，按照最大操作壓力或所連接管網(wǎng)設計壓力來確定，示例工程項目中站外管線設計壓力為10 MPa，與站內(nèi)管線設計壓力相差5 MPa。當站內(nèi)管線和站外管線連接時就會出現(xiàn)設計壓力不一致的現(xiàn)象，也存在安全風險隱患。

2.2 解決措施

2.2.1 采用安全閥或爆破片

解決上述問題的關鍵是避免站內(nèi)管線和站外管線系統(tǒng)的超壓。安全閥或爆破片通常作為最后一級安全保護措施，通過將超壓介質泄放至安全區(qū)域或火炬系統(tǒng)以避免因超壓而產(chǎn)生的潛在安全危害，但針對處理量極大的可燃、易燃的工藝系統(tǒng)，采用安全閥作為安全保護措施的經(jīng)濟性、安全性和可操作性較差，此類系統(tǒng)主要有[4-5]：①上下游管線系統(tǒng)的設計壓力差別較大的系統(tǒng)。正常情況下可通過壓力控制閥減壓，但下游堵塞時會導致下游低壓系統(tǒng)超壓，通常泄放量按照全流量考慮，該系統(tǒng)的安全閥數(shù)量較多，運維期間的成本較高。②具有毒性的系統(tǒng)。如苯、甲苯等作為介質，采用安全閥處理超壓工況，無法滿足環(huán)保要求。③已有項目的改擴建階段。已有的安全閥等設施不足以應對新增大量烴類物流泄放，增設新的安全閥又難以實現(xiàn)，因此不適宜選用安全閥。④排放量極大的系統(tǒng)。該系統(tǒng)整個火炬系統(tǒng)的投資較大。

2.2.2 采用高完整性壓力保護系統(tǒng)

高完整性壓力保護系統(tǒng)(high integrity pressure protection system，HIPPS) 已廣泛應用在石油化工、油氣儲運、海洋平臺領域。IEC61508標準《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》將HIPPS定義為高完整性壓力保護系統(tǒng)，是一種基于安全儀表保護的獨立的控制系統(tǒng)，通常用于安全等級要求較高的工藝設施[6]。該技術一方面降低了被保護對象的設計壓力，另一方面還可以作為主動防御安全設施，已被國內(nèi)外研究機構和工程公司大量應用[7-16]。

HIPPS的主要優(yōu)點是可靠性較大和成本較低，可使泄壓裝置的尺寸更小或數(shù)量更少。HIPPS設計可以通過使用低危險故障率的元件，或通過引入額外的儀表來監(jiān)控HIPPS，并對其進行定期檢測，以實現(xiàn)故障保護，進而達到具有比機械泄壓裝置更高的可用性和可靠性。因此，HIPPS可以作為一種降低風險的措施，用于特別高風險的工藝單元(如含劇毒物質)。在某些情況下，HIPPS可以與減壓裝置協(xié)同使用以達到較高的保護水平，HIPPS系統(tǒng)的應用也得到了管理部門的認可。TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定：高完整性壓力保護系統(tǒng)完全符合監(jiān)察規(guī)程的要求，可作為替代安全泄放裝置的保護措施，既節(jié)省了投資，又保證了閥門可靠的關斷。采用HIPPS可替代安全閥，保證裝置的安全，滿足規(guī)范的設置要求。

采用HIPPS系統(tǒng)的LNG站場站內(nèi)管線的工藝流程見圖2。

由圖2可見：來自LNG站場的天然氣經(jīng)站內(nèi)管線和站外管線進行天然氣外輸，站內(nèi)管線設置有HIPPS系統(tǒng)，HIPPS系統(tǒng)由3個SIL3的壓力變送器、控制器及2個SIL3的緊急切斷閥等組成。當壓力變送器檢測到壓力高高(PAHH)信號后，HIPPS系統(tǒng)自動觸發(fā)聯(lián)鎖在3～5 s關閉緊急切斷閥，避免下游站外管線超壓甚至損壞。站內(nèi)管線的設計壓力為15 MPa，同LNG站場內(nèi)相同，站外管線首站設計參數(shù)同長輸管線相同，為10 MPa。

2.2.3 采用安全切斷閥

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》要求，當壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障危及下游供氣設施安全時，應設置可靠的壓力安全裝置，即安全切斷閥。正常運行時，安全切斷閥的設定值高于監(jiān)控調(diào)壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥的設定值，處于全開狀態(tài)。當測量值大于安全切斷閥的設定值時，及時切斷供氣管路并發(fā)出報警信號，以保證下游設施的安全。安全切斷閥關閉后，應在人工現(xiàn)場確認關閉原因后才能將其開啟，安全切斷閥為自力式并獨立設置，以保證在任何情況下避免監(jiān)控調(diào)壓閥與安全切斷閥之間的相互影響[17-21]。將安全切斷閥系統(tǒng)應用于LNG站場站外管線，工藝流程見圖3。

圖3 采用安全切斷閥系統(tǒng)的天然氣外輸工藝流程示意

由圖3可見：來自LNG站場的天然氣經(jīng)站內(nèi)管線和站外管線進行天然氣外輸，站內(nèi)管線設置有壓力變送器、緊急切斷閥等。當壓力變送器檢測到壓力高高(PAHH)信號后，聯(lián)鎖信號進入安全儀表系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))聯(lián)鎖，關閉緊急切斷閥，避免下游站外管線超壓甚至損壞。站外管線設置有安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥等，站內(nèi)管線的設計壓力同LNG站場內(nèi)相同，站外管線壓力調(diào)節(jié)閥前設計壓力同LNG站場、站內(nèi)管線相同，壓力調(diào)節(jié)閥后設計壓力同長輸管線設計壓力相同。

2.2.4 工藝方案適用性和安全性分析

采用安全閥或爆破片的局限性及投資均較大，潛在危害風險較高，不適合高壓、大流量管線系統(tǒng)。采用HIPPS系統(tǒng)符合石油化工、煉油及LNG行業(yè)的設計規(guī)定，也符合AP1521—2014《Pressurerelieving and Depressuring Systems》和 TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監(jiān)察規(guī)程》的要求，能夠實現(xiàn)站內(nèi)管線和站外管線的安全。采用安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器對下游管線進行壓力保護，符合GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》的要求，能夠實現(xiàn)站內(nèi)管線和站外管線的安全。后2種工藝設計均能維持下游工藝管線系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，但由于規(guī)范體系不同，壓力管道的許可級別及監(jiān)管法規(guī)也存在差異，在實際工程實踐中，應結合項目實際定位、工程投資以及設計范圍等進行方案比選后確定最優(yōu)化工藝流程。

采用HIPPS系統(tǒng)及安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器等措施在實際應用中會受到HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥的聯(lián)鎖觸發(fā)值、閥門關閉時間等因素的影響，其設定值和關閉時間應根據(jù)工藝系統(tǒng)運行特點、工藝管道幾何容積的不同進行設定。因此，針對具體系統(tǒng)可以采用動態(tài)模擬[22-28]工具進行定量分析，合理地設定值觸發(fā)點和閥門關閉時間，保證HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥能夠穩(wěn)定實現(xiàn)其保護功能。

3 結論

分析了現(xiàn)有天然氣外輸工藝流程中存在的問題，優(yōu)選出適合LNG站場外輸管線的設計原則和方法，并給出確定安全保護系統(tǒng)設定值的取值和關閉時間的定量方法，得到以下結論。

1)現(xiàn)有工藝流程中首站或分輸站閥門失效關閉會導致站外管線的超壓，通過調(diào)整站內(nèi)管線上壓力高高聯(lián)鎖設定值的方法可靠性較差，無法解決站外管線超壓的問題?，F(xiàn)有體系存在風險的原因主要是站內(nèi)管線和站外管線設計壓力選取原則及參照規(guī)范不同。

2)從經(jīng)濟性角度分析，安全閥上并不完全適用于石油化工領域的超壓工況。采用HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥能夠保證站內(nèi)管線和站外管線的安全性和穩(wěn)定性，應結合項目實際定位、工程投資以及設計范圍等因素進行綜合比選，以確定最優(yōu)化工藝流程。

3)HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥的聯(lián)鎖觸發(fā)值、閥門關閉時間等因素會影響整個系統(tǒng)的安全性，推薦采用動態(tài)模擬技術進行定量分析，合理地設定值觸發(fā)點和閥門關閉時間，保證HIPPS系統(tǒng)和安全切斷閥能夠穩(wěn)定實現(xiàn)其保護功能。