LNG接收站中高壓泵的布置與管道設(shè)計(jì)

劉家楨

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

作為一種清潔、高效的優(yōu)質(zhì)能源，在“雙碳”目標(biāo)背景下，天然氣在改善大氣環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等方面具有較大的優(yōu)勢。液化天然氣(LNG)接收站是用于接卸并儲存外貿(mào)過程中運(yùn)輸?shù)腖NG的場所，高壓外輸泵是重要的增壓設(shè)施，與下游生產(chǎn)生活等活動的供氣穩(wěn)定性息息相關(guān)。高壓外輸泵屬于立式潛液泵，采用立式、電動、恒定轉(zhuǎn)速離心泵，安裝在專用的立式泵罐內(nèi)。

本文綜合近年來開工建設(shè)及投產(chǎn)的LNG接收站，以各接收站中的高壓泵設(shè)計(jì)為例，對高壓泵及其附屬管道的布置與設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，以期對后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提供一定的幫助。

1 高壓泵裝置區(qū)的平面布置

1.1 基本要求

首先，在布局上高壓泵應(yīng)當(dāng)按符合工藝流程順序的原則進(jìn)行布置。目前，大部分的接收站里處理BOG都是采用再液化的工藝，站內(nèi)設(shè)有低壓壓縮機(jī)以及再冷凝器。再冷凝器在該工藝中還兼有高壓泵入口緩沖裝置的功能。因此，根據(jù)兩者的緊密性，一般是將再冷凝器與高壓泵就近布置。

其次，設(shè)計(jì)過程中需將多臺高壓泵設(shè)備集中布置?？紤]到遠(yuǎn)期擴(kuò)建需求，目前接收站內(nèi)高壓泵規(guī)劃數(shù)量能夠達(dá)到8～9臺以上。

再次，接收站內(nèi)的高壓泵一般露天布置，且為了保證泵的檢維修作業(yè)能夠正常進(jìn)行，泵上方留有充足的空間。泵的入口管道往往設(shè)有過濾裝置，在考慮高壓泵的基礎(chǔ)高度時，需能夠滿足過濾裝置正常抽芯作業(yè)要求。

最后，高壓泵處理液化天然氣時存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，在考慮總體布置時，需設(shè)有配套的泄漏收集措施，即在裝置區(qū)內(nèi)設(shè)置收集溝，并接入集液池。集液池的位置和大小應(yīng)當(dāng)按照GB 50183—2004 《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定考慮。

1.2 裝置布局方式分類

高壓泵的裝置布局有兩種不同的分類方式：一種是按設(shè)備的安裝高度來區(qū)分；一種是按設(shè)備管口方位來區(qū)分。按照設(shè)備安裝高度，可區(qū)分為埋地式和框架式，這是由工藝選擇決定的[1]；按照設(shè)備的管口方位來區(qū)分，可區(qū)分為并排式和對稱式，這種更多和管道布置有關(guān)。

埋地式布置是通過設(shè)置泵井的方式，將高壓泵的大部分結(jié)構(gòu)放置于地面以下。常規(guī)做法是在地面設(shè)置泵井，泵井頂沿略高于地面，泵井同時具備支撐設(shè)備和阻擋雨水的作用。高壓泵支耳放置在泵井頂沿上，設(shè)備重心一般在地坪高度上下?？蚣苁讲贾靡话阃ㄟ^設(shè)置結(jié)構(gòu)框架的方式，將高壓泵支撐在結(jié)構(gòu)框架上。管道操作平臺與設(shè)備基礎(chǔ)平臺聯(lián)合布置，便于運(yùn)營人員的巡檢、操作及設(shè)備的檢維修作業(yè)。

并排式即將高壓泵同排布置，所有高壓泵的布置中，管口的朝向、連接管道的走向、閥門的操作方位均一致。對稱式則為兩兩一組，每兩臺高壓泵的管口朝向、附屬管道的走向以及管道上閥門的操作方位均沿中軸線呈鏡像對稱布置。

兩種不同的分類方式配合采用，兩兩組合，共有四種不同的布置方案，即埋地并排式、框架并排式、埋地對稱式和框架對稱式。其中由于框架對稱式占地較多，造價高，實(shí)際應(yīng)用的項(xiàng)目案例較少。下面對前三種進(jìn)行簡要介紹。

1.2.1 埋地并排式

如前所述，這種布置方式通過設(shè)置泵井，所有泵的管口朝向以及管道走向均一致。如圖1所示，平臺采用聯(lián)合平臺，且一般僅用于管道布置，聯(lián)合平臺與設(shè)備泵井互不干涉，獨(dú)立布置。平臺寬度相對較小，框架層數(shù)為1～2層，平臺高度整體較低，便于人員上下攀爬，投資也相對較低。

圖1 埋地并排式布置示例

1.2.2 埋地對稱式

埋地對稱式也是采用設(shè)置泵井的方式。高壓泵兩臺一組，其附屬管道呈鏡像對稱的方式分布。如圖2所示，聯(lián)合平臺與設(shè)備泵井基礎(chǔ)互不干涉、獨(dú)立布置，高壓泵附屬的工藝管道集中布置在聯(lián)合平臺上。平臺寬度相對較小，為便于閥門操作，一般考慮設(shè)置相互連通的局部平臺。

圖2 埋地對稱式布置示例

1.2.3 框架并排式

這種布置方式是將高壓泵布置于支撐框架結(jié)構(gòu)上。支撐框架和管道操作平臺聯(lián)合布置。設(shè)備周圍設(shè)巡檢通道，設(shè)備的巡檢通道與附屬管道的巡檢通道連通。如圖3所示，平臺寬度一般相對較大。

圖3 框架并排式布置實(shí)例

也可采用折疊管道的方式，在立面不同高度上設(shè)置操作面，可縮減平臺寬度，優(yōu)先保證滿足無袋形管道的布置空間需求，對布置要求不太嚴(yán)格的管道采取高低錯層布置，管道存在袋形的位置設(shè)置排凈放空點(diǎn)。

目前還有一種發(fā)展中的布局方式是考慮將高壓泵放置于泵井內(nèi)，但其附屬管道與管匯管廊統(tǒng)籌考慮降低標(biāo)高，敷設(shè)在地面上的支撐基礎(chǔ)上，通過設(shè)置局部跨步的方式，滿足人員通行和閥門操作的需求。此種理念可大大降低結(jié)構(gòu)框架的成本，有效節(jié)約了建設(shè)投資。

2 高壓泵的管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在高壓泵管道設(shè)計(jì)中，主要考慮的是管道內(nèi)介質(zhì)的泄漏[2]、易燃易爆以及介質(zhì)的低溫特性等方面的要求。

在滿足工藝流程要求的前提下，管道布置要盡量緊湊，另外還要考慮閥門的操作與檢修。高壓泵附屬管道上的吹掃、排凈和放空等支管管路和需要現(xiàn)場操作的閥門較多，一般會考慮將進(jìn)出口管道及高壓回流管道布置于操作平臺上。安全閥相關(guān)管道集中布置于更高的頂層局部平臺，或集中布置于臨近的管廊頂部。

在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡量減少法蘭式連接，避免其泄漏。介質(zhì)的操作溫度一般為-160 ℃，管道的柔性設(shè)計(jì)是布置過程中考量的一大重點(diǎn)[3]。液化烴管道上通過設(shè)置自然補(bǔ)償?shù)姆绞?，來降低管道系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力水平。

高壓泵的相關(guān)管道主要有低壓進(jìn)口管道，高壓出口管道、高壓泵回流管道以及放空管道等。

2.1 高壓泵的進(jìn)口管道

LNG入口總管自再冷凝器底部步步低接入高壓泵裝置區(qū)。每臺泵的入口管道自總管的底部引出，高壓泵的入口管道不得存在袋形并帶有一定的坡度，更利于介質(zhì)的流動。進(jìn)口管道上設(shè)有切斷閥門和過濾器等管件。過濾器可采用T型過濾器，也可采用SRT型過濾器。

除個別情況外，一般高壓泵進(jìn)口均高于支撐耳座。運(yùn)行工況下，泵殼收縮，管口有向下的位移。入口管道一般設(shè)置自然補(bǔ)償器，在靠近設(shè)備進(jìn)口處需設(shè)置彈簧支架，以滿足管口許用荷載和位移的要求，避免剛性支撐破壞設(shè)備管口。

2.2 高壓泵的LNG出口管道

LNG經(jīng)高壓泵增壓后，經(jīng)管廊總管傳輸至氣化器裝置。出口管道上設(shè)有止回閥、流量調(diào)節(jié)閥和切斷閥門等，并按照步步高接入?yún)R總管道的方式布置為佳。如不能實(shí)現(xiàn)，管道上也可出現(xiàn)低點(diǎn)，只是需注意設(shè)置排凈口。高壓泵出口管道的布置還需滿足在線計(jì)量裝置前后直管段長度的要求、閥門操作要求及支路管道的布置操作要求。供貨廠家不同，在線計(jì)量裝置前后直管段的長度要求不同。另外，有的軸流式止回閥也會有前后直管段要求。

由于管道壓力較高，管道壁厚值較大，布置過程中尤其要注意柔性設(shè)計(jì)。在運(yùn)行工況下，出口管道管口也有向下的位移，可考慮在高壓泵出口處設(shè)置彈簧支架，并且通過設(shè)置自然補(bǔ)償?shù)姆绞?，滿足管口許用荷載和位移的要求，避免破壞設(shè)備管口。

2.3 高壓泵的LNG回流管道

LNG回流管道自出口管道接出后返輸至再冷凝器，設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥和切斷閥。有些工藝方案在回流管道上也設(shè)置止回閥，降低高壓泵進(jìn)出口管道的壓力波動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

高壓回流管道可以與高壓LNG出口管道在同一高度平行布置，也可將回流管道與出口管道錯層布置。但高差不宜過大，在兩根管道間設(shè)置操作通道或平臺，為兩根管道上閥門的同層操作使用?；亓鞴艿缿?yīng)能保證從接出點(diǎn)步步高接入管廊上的總管，乃至步步高接入再冷凝器，避免出現(xiàn)袋形。

該管線的壓力值等參數(shù)同出口管道，布置過程中需保證該管道有足夠的柔性，在設(shè)計(jì)過程中與出口管道作為一個整體管系進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.4 高壓泵的放空管道

放空管道用于將高壓泵中吸熱產(chǎn)生的氣體及時排出，減小泵內(nèi)液位的波動。其上設(shè)有切斷閥門、超壓保護(hù)裝置和氣液分離裝置。根據(jù)工藝要求不同，氣液分離裝置有不同的安裝位置。

放空管道自高壓泵的管口引出至再冷凝器的頂端，布置時應(yīng)當(dāng)保證管道步步高，不能出現(xiàn)液袋或是氣袋。因此，當(dāng)氣液分離裝置設(shè)置于泵殼放空口附近時，需設(shè)置平臺，滿足閥門操作需求。匯總管道應(yīng)盡量高，保證不低于再冷凝器的高高液位。

當(dāng)氣液分離裝置設(shè)置在再冷凝器框架上時，放空管道可與進(jìn)出口管道布置于同一平臺，管廊上的匯總管道無需架高布置，且不得高于再冷凝器的低低液位；放空管道上的安全閥可與高壓泵進(jìn)出口管道上的安全閥統(tǒng)一布置。

根據(jù)布置方式的不同，管道內(nèi)介質(zhì)的形態(tài)以氣體為主(如第一種架高敷設(shè))，也可能以液體為主(如第二種平臺敷設(shè))。兩種情況下均為低溫管道，應(yīng)當(dāng)結(jié)合柔性分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 附屬管道的柔性設(shè)計(jì)對比

目前高壓泵附屬管道的典型布置方式可分為兩種。下面對兩種布置方式進(jìn)行描述，并對比其柔性設(shè)計(jì)方式，能夠發(fā)現(xiàn)其核心邏輯是一致的。

3.1 高壓泵的進(jìn)口管道

高壓泵的入口自泵筒的側(cè)面引出，高壓泵入口的常規(guī)設(shè)計(jì)如圖4左側(cè)所示，自管廊引出口水平接入設(shè)備。管道接入前，需將其標(biāo)高調(diào)整至與設(shè)備管口等高。管道可沿平臺和地面敷設(shè)，并保有一定的坡度。這種設(shè)計(jì)方案中入口總管與設(shè)備管口間距離較遠(yuǎn)，通過在管道中心位置設(shè)置固定點(diǎn)，將管道分為兩部分，固定點(diǎn)一般與管口在同一高度。自總管至固定點(diǎn)采用L型或Z型補(bǔ)償，自固定點(diǎn)至設(shè)備入口設(shè)置π型補(bǔ)償。為保證設(shè)備入口的垂直移動，管道在入口處設(shè)置彈簧支架。

圖4 進(jìn)口管道柔性設(shè)計(jì)典型圖

如圖4右側(cè)所示，為另外一種設(shè)計(jì)思路。該設(shè)計(jì)方案中，將高壓泵架高布置，并將高壓泵入口總管靠近高壓泵布置，設(shè)備入口管道自總管底部引出降至與設(shè)備入口等高，然后經(jīng)過不等臂的自然補(bǔ)償接入設(shè)備，管道保有一定坡度。管道上不再設(shè)置固定點(diǎn)，而是通過設(shè)置導(dǎo)向架的方式，保證接入直管段與設(shè)備管口同軸，避免管道徑向應(yīng)力作用于管口。管口處同樣需要設(shè)置彈簧支架，用于分擔(dān)管口垂直荷載。

3.2 高壓泵的出口管道

高壓泵的出口自泵的頂蓋上引出后調(diào)整為水平方向，高壓泵出口的常規(guī)設(shè)計(jì)如圖5左側(cè)所示。自高壓泵出口引出后接入管廊總管。出口管道(包括回流管道)與進(jìn)口管道走向相同，可平行設(shè)置。為滿足管道柔性，管道上設(shè)置2處固定支架，將出口管道分為3個部分。管道自設(shè)備出口接出后，沿水平方向敷設(shè)。隨后設(shè)置水平π型補(bǔ)償，補(bǔ)償后即設(shè)固定支架，固定支架盡量靠近設(shè)備，可有效簡化兩者間管道走向，易于調(diào)整管口應(yīng)力水平。自三通后接入平臺上方，此段直管段相對較長，需在中間位置設(shè)置固定支架，兩處固定支架為Z型結(jié)構(gòu)，并只設(shè)置承重支架，讓管道自由滑動，提高管道的柔性設(shè)計(jì)。第二個固定支架到管廊接入點(diǎn)間的管道也是Z型結(jié)構(gòu)，通過在管廊底部設(shè)置與總管同向的直管段，可有效降低接入點(diǎn)的應(yīng)力水平。

圖5 出口管道柔性設(shè)計(jì)典型圖

如圖5右側(cè)所示，為另一種設(shè)計(jì)方案。此方案中同樣采用自然補(bǔ)償用于吸收管道形變位移，降低管道應(yīng)力水平，但為節(jié)省裝置占地空間，采取了立式自然補(bǔ)償。在該方案中，出口管道自設(shè)備管口引出后沿管口朝向敷設(shè)，水平管道設(shè)計(jì)彈簧支架。隨后通過立管調(diào)整至地面敷設(shè)，布置了出口的控制閥門等管件后再次上翻至高處，接入管廊底部，管道整體走向?yàn)橐粋€立式回形針樣式。在地面管道靠近設(shè)備處設(shè)置止推管架，用于隔斷管道軸向變形，并降低了設(shè)備管口處管道變形量及管口水平荷載。第二段架高管道中間位置設(shè)置固定支架，止推支架與固定支架間管道為L型補(bǔ)償，固定支架至管廊接入點(diǎn)間管道也為L型補(bǔ)償。

4 結(jié)論

(1)高壓泵區(qū)域的設(shè)計(jì)是一個系統(tǒng)性的工作，需兼顧多方面的要求，既要滿足工藝要求，也要做到安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，并能夠滿足操作和檢維修的需要；

(2)高壓泵區(qū)域的布局方式有多種形式，可根據(jù)工藝的要求確定其支撐方式，然后根據(jù)總圖上用地規(guī)模及業(yè)主操作習(xí)慣選擇合理的布局方式；

(3)低溫管道的柔性設(shè)計(jì)是管道布置中的重點(diǎn)，需結(jié)合設(shè)備廠家提供的管口許用荷載，合理設(shè)置管道上的固定支架，對其進(jìn)行分段研究設(shè)計(jì)，避免因支架設(shè)置不合理給設(shè)備帶來損害。