擴(kuò)建LNG接收站火炬方案比選

摘" " 要：規(guī)?；瘮U(kuò)建的LNG接收站火炬系統(tǒng)設(shè)計方案主要有新增火炬和原有火炬系統(tǒng)改造兩種，在互聯(lián)互通的需求下，通過泄放量核算對現(xiàn)有火炬剩余能力進(jìn)行校核，在剩余能力不滿足泄放需求時，應(yīng)通過壓降核算、經(jīng)濟(jì)、安全及技術(shù)等多方面的比選綜合確定最優(yōu)方案。以國內(nèi)某接收站二期項目為依托，對LNG接收站擴(kuò)建項目的火炬系統(tǒng)配置方案進(jìn)行比選研究?；趯ΜF(xiàn)有工程、本期建設(shè)規(guī)模及遠(yuǎn)期規(guī)劃進(jìn)行泄放量核算，并通過HYSYS仿真模擬對新增火炬和依托一期火炬系統(tǒng)改造兩種方案進(jìn)行火炬管網(wǎng)壓降核算。綜合考慮本期及遠(yuǎn)期的火炬泄放需求，優(yōu)選分期新增火炬的設(shè)計方案，單臺火炬處理能力80 t/h，并新建D1 168 mm×12.7mm火炬管道以滿足儲罐26 kPa（G）泄放壓力下的需求。

關(guān)鍵詞：LNG接收站擴(kuò)建；互聯(lián)互通；泄放計算；火炬系統(tǒng)；方案比選

Comparison of flare system design schemes for LNG terminal expansion project

LI Anqi， SUN Yajuan， JIANG Xiaxue， LIANG Hairui

CNOOC Gas amp; Power Group Co.， Ltd.， Beijing 100028， China

Abstract：Adding new flares or renovating the existing flare system are two schemes of flare system design for large-scale expansion of LNG terminals. Under the need for interconnections， when the remaining capacity of the existing flare system which needs to be examined by calculating the discharge capacity does not meet the discharge requirements， an optimal scheme should be determined through pressure drop calculation and comparison in terms of economy， safety， and technique. In this paper， the second-phase project of a domestic terminal is selected to compare and study the flare system design schemes for LNG terminal expansion projects. The discharge capacity is calculated based on the existing foundation， construction scale of the current phase， and long-term planning. The pressure drop of the flare pipeline network under the two schemes of adding new flares or renovating the first-phase flares is calculated using HYSYS software. Taking into account the current and future flare discharge needs， this paper recommends a design scheme for adding new flares in stages. Specifically， the processing capacity of a single flare is 80 t/h， and a new flare pipeline with an outer diameter of 1 168 mm and a wall thickness of 12.7 mm will be built to ensure the function of the storage tank at a discharge pressure of 26 kPa（G）.

Keywords：LNG terminal expansion project; interconnection; discharge calculation; flare system; scheme comparison

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.006

隨著國家以大庫、大站為基地，打造LNG接收站集群，形成“全國一張網(wǎng)、保供一盤棋、運營一體化”天然氣產(chǎn)供儲運銷體系戰(zhàn)略的落實，LNG接收站擴(kuò)建熱潮不斷。天津、江蘇、浙江、珠海等多個沿海地區(qū)正在通過擴(kuò)建形成LNG接收站產(chǎn)業(yè)集群。

擴(kuò)建項目相比于單獨新建能夠有效利用已有項目的基礎(chǔ)設(shè)施剩余能力，實現(xiàn)操作互聯(lián)互通，降低設(shè)備投資及運營成本。但是系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大、互聯(lián)互通結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能不斷疊加，使得在LNG接收站擴(kuò)建項目設(shè)計中需要根據(jù)市場需求，在現(xiàn)有工程基礎(chǔ)上對全廠近、遠(yuǎn)期的工藝及接口進(jìn)行兼容性核算與設(shè)計[1]。擴(kuò)建項目的核算與設(shè)計主要內(nèi)容包括：罐容及儲罐數(shù)量核算、氣化外輸設(shè)施核算、BOG系統(tǒng)核算與設(shè)計、火炬能力核算與設(shè)計，以及公用工程相關(guān)核算與設(shè)計等。相比于新建項目，擴(kuò)建項目核算與設(shè)計的制約因素更多，除了考慮市場需求，更受到土地資源、岸線資源、已有設(shè)備布置等因素的制約。其中，火炬系統(tǒng)作為確保LNG接收站安全運行的重要設(shè)備，具有占地面積大、單體設(shè)備投資高等特點。合理進(jìn)行火炬系統(tǒng)的核算與設(shè)計方案比選，對確保LNG接收站安全運行、優(yōu)化項目的總圖布置、降低總投資起到舉足輕重的作用。

以國內(nèi)某接收站二期建設(shè)項目為依托，基于對現(xiàn)有工程、本期建設(shè)規(guī)模及遠(yuǎn)期規(guī)劃的泄放核算，綜合考慮本期及遠(yuǎn)期的火炬泄放需求，通過HYSYS進(jìn)行初步的火炬管網(wǎng)壓降核算，確定安全經(jīng)濟(jì)的火炬系統(tǒng)設(shè)計方案，包括火炬處理能力、分期配置方案、管道尺寸等。

1" " 計算基礎(chǔ)

1.1" " 項目概況

某LNG接收站一期建設(shè)規(guī)模600 × 104 t，建設(shè)4座22 × 104 m3和6座27 × 104" m3 LNG儲罐，整體泄放規(guī)模為187.77 t/h（含輸氣首站放空35.4 t/h），配套火炬泄放能力202.12 t/h。二期考慮新增市場需求，設(shè)計規(guī)模400×104 t，建設(shè)4座27 ×104 m3 LNG儲罐及配套設(shè)施。同時在原有卸料碼頭配套建設(shè)1座卸料泊位，加上原有的1座卸料泊位可實現(xiàn)向一、二期儲罐區(qū)同時卸料。項目的一、二期在原有功能基礎(chǔ)上，實現(xiàn)卸料系統(tǒng)互聯(lián)、高低壓LNG系統(tǒng)互聯(lián)、外輸NG系統(tǒng)互聯(lián)。同時，項目為遠(yuǎn)期預(yù)留4座27 × 104 m3儲罐、4條氣化線及相關(guān)配套設(shè)施。全站流程示意見圖1。

由于沿海接收站火炬一般選用高架火炬，更換火炬難度高、費用多且不安全，因此多以改造火炬管網(wǎng)及新增火炬為主要的解決方案[1]。國內(nèi)已有的LNG接收站項目在擴(kuò)建中采用的火炬系統(tǒng)配置方案見表1。

1.2" " 計算工況

LNG接收站的火炬泄放量核算主要考慮5種工況，見表2。

2" " 泄放量計算及火炬方案比選

2.1" " 設(shè)計泄放量核算

1）工況一。本工況在卸料時主要考慮卸料返氣失效和、BOG壓縮機(jī)故障，同時每座儲罐有1臺低壓泵回流[2]。與新建LNG接收站不同的是，極端工況為雙卸料時兩個泊位的返氣系統(tǒng)均失效。二期考慮卸料速率為13 200 m3/h，遠(yuǎn)期受系統(tǒng)動力影響，卸料速率下降至11 000 m3/h。項目平均大氣壓降低速率為500 Pa/h，低壓泵回流功率為234 kW。此工況下，二期總泄放量為175.69 t/h，遠(yuǎn)期總泄放量為200.89 t/h。

2）工況二。本工況考慮高壓補(bǔ)氣閥誤開、最大的氣壓變化以及日蒸發(fā)。本項目設(shè)置了單罐補(bǔ)氣，選取全廠最大補(bǔ)氣閥能力作為計算基礎(chǔ)，即81 t/h。最大大氣壓變化速率為841 Pa/h（降低）。此工況下，二期總泄放量為189.40 t/h，遠(yuǎn)期總泄放量為221.89 t/h。

3）工況三。本工況考慮最大大氣壓變化時的儲罐泄放量和火災(zāi)時儲罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG量[3]?；馂?zāi)工況計算常用的標(biāo)準(zhǔn)有API-521、GB/T 20368、NFPA 59A，其中GB/T 20368為NFPA 59A的采標(biāo)，使用同一套計算公式。本計算中使用API-521的公式進(jìn)行計算，火災(zāi)時產(chǎn)生的BOG量為9.81 t/h。此工況下，二期總泄放量為89.92 t/h，遠(yuǎn)期總泄放量為113.94 t/h。

4）工況四。本工況考慮儀表空氣故障，閥門處于故障位置，所有泵均處于回流狀態(tài)；同時考慮儲罐靜蒸發(fā)及正常大氣壓變化引起的BOG產(chǎn)生量。擴(kuò)建或新建項目中，除了低壓泵、高壓泵外，一般還配有裝船泵，本項目單臺裝船泵流量為2 000 m3/h，最大工作臺數(shù)均為3臺。低壓泵的運行數(shù)量由槽車外輸、氣化外輸及保冷循環(huán)流量確定，含一期在內(nèi)，二期共有17臺低壓泵運行，其中9臺用于氣化外輸；遠(yuǎn)期共有26臺低壓泵運行，其中16臺用于氣化外輸。此工況下，二期總泄放量為176.48 t/h，遠(yuǎn)期總泄放量為287.06 t/h。

5）工況五。本工況考慮電力失效導(dǎo)致設(shè)備停轉(zhuǎn)后，儲罐的靜蒸發(fā)量和最大的氣壓變化引起的儲罐BOG量。此工況下，二期總泄放量為108.18 t/h，遠(yuǎn)期總泄放量為140.67 t/h。

各工況BOG產(chǎn)生量核算結(jié)果見表3。

二期建成后整體火炬泄放量最大為189.40 t/h，泄放決定工況為“工況二：最大的氣壓變化和高壓補(bǔ)氣閥誤開”；遠(yuǎn)期建成后整體火炬泄放量最大為287.06 t/h，泄放決定工況為“工況四：儀表空氣故障”。

結(jié)合一期首站泄放量35.4 t/h，二期全廠泄放能力達(dá)224.80 t/h，遠(yuǎn)期達(dá)322.46 t/h。

若疊加考慮大氣壓變化，則工況四對應(yīng)的二期全廠泄放量為224.35 t/h，遠(yuǎn)期為348.98 t/h。

2.2" " "火炬配置方案對比分析

一期火炬設(shè)計能力為202.12 t/h，火炬直徑為1.0 m，高度為113.0 m，分液罐容積為125 m3。工況二對應(yīng)的接收站BOG主要參數(shù)如表4所示。

二期火炬設(shè)計方案主要有新增火炬及配套設(shè)施和原有火炬系統(tǒng)改造兩種，現(xiàn)比選如下。

2.2.1" " 方案一：新增地面火炬

受項目所在區(qū)域地理位置影響，二期項目未直接與海岸線連接，如果設(shè)置高架火炬需繞過一期外圍公路，因此選用地面火炬。本方案擬在接收站新建地面火炬1座，考慮遠(yuǎn)期泄放需求及現(xiàn)階段地面火炬筒最大處理量為100 t/h，初步擬定火炬處理量為80 t/h，并為遠(yuǎn)期預(yù)留1座80 t/h火炬接口。該方案需配套火炬分液罐及燃料氣系統(tǒng)。

此方案下，火炬管網(wǎng)的管徑只需考慮二期及遠(yuǎn)期單獨產(chǎn)生的泄放量，同時確保泄放氣體到達(dá)兩期火炬分液罐前的壓力相當(dāng)，以確保系統(tǒng)物流的平衡。根據(jù)整體流程搭建HYSYS模型，對管徑進(jìn)行計算比選，壓降核算結(jié)果見表5。

經(jīng)HYSYS模型核算，當(dāng)火炬管道規(guī)格為D 1 168 mm × 12.7 mm時，到達(dá)火炬塔底的壓力為14.01 kPa（G），新建火炬后可以滿足工藝系統(tǒng)在26 kPa（G）下的泄放壓降要求。

本方案的優(yōu)點是建造工藝簡單，建設(shè)周期短，能夠充分保證接收站的泄放處理需求，同時兼顧遠(yuǎn)期的建設(shè)需求；缺點是設(shè)備投資較高，為滿足安全間距要求，占地面積相對較大。

2.2.2" " 方案二：與一期共用火炬

本方案擬通過一、二期BOG互聯(lián)管道，將二期產(chǎn)生的泄放量引入一期火炬管網(wǎng)并進(jìn)入火炬處理，一、二期BOG互聯(lián)管道HYSYS仿真流程如圖2所示。

此方案下，需對二期范圍內(nèi)的BOG總管及一、二期之間互聯(lián)互通BOG總管進(jìn)行管徑及壓降的核算[4]，確保緊急工況下二期高壓壓縮機(jī)無法處理的BOG到達(dá)一期高架火炬塔底的壓力滿足要求[5]。據(jù)整體流程搭建HYSYS模型，對管徑進(jìn)行計算比選，壓降核算結(jié)果見表6。

經(jīng)HYSYS模型核算，至火炬分液罐前泄放氣壓力僅為3.37 kPa（G），低于一期原有火炬泄放壓力要求，故本工程遠(yuǎn)距離依托泄放存在安全風(fēng)險。同時二期所需處理泄放量高于一期火炬現(xiàn)有能力。

此方案優(yōu)點在于無需新增火炬設(shè)備，投資低。缺點一是若后期要符合火炬廠家壓力需求，可能需要單獨設(shè)置大尺寸管道，并接在一期火炬分液罐前，涉及停產(chǎn)及動火作業(yè)；二是遠(yuǎn)期也需要增加兩臺火炬，若在遠(yuǎn)期一次性配置，一方面遠(yuǎn)期設(shè)備投資高，投資回報周期也相應(yīng)增加，且二期也需要為遠(yuǎn)期預(yù)留用地。

綜上所述，推薦二期單獨配置火炬的方案，二期配置1座處理量為80 t/h的地面火炬，并為遠(yuǎn)期預(yù)留1座80 t/h火炬接口。

3" " 結(jié)論

本文結(jié)合工程實際案例，對互聯(lián)互通需求下的LNG接收站火炬方案設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到如下結(jié)論。

1）規(guī)模化擴(kuò)建的LNG接收站火炬系統(tǒng)設(shè)計主要有新增火炬和原有火炬管網(wǎng)改造兩種方案，在互聯(lián)互通的需求下，需通過泄放量核算對現(xiàn)有火炬剩余能力進(jìn)行校核，在剩余能力不滿足泄放需求時，通過壓降核算、經(jīng)濟(jì)、安全及技術(shù)比選，綜合確定最優(yōu)方案。

2）案例中，一期已建火炬泄放能力202.12 t/h。最大泄放工況二條件下，二期泄放需求最大為224.80 t/h，遠(yuǎn)期達(dá)322.46 t/h，綜合考慮遠(yuǎn)期需求及余量，推薦二期配置1座處理量為80 t/h的地面火炬，并為遠(yuǎn)期預(yù)留1座80 t/h火炬接口。此方案下，新建46 in（1 in=25.4 mm）泄放管道，經(jīng)HYSYS模型核算，當(dāng)火炬管道規(guī)格為D1 168 mm × 12.7 mm時，到達(dá)火炬塔底的壓力為14.01nbsp; kPa（G），滿足儲罐26 kPa（G）泄放壓力下的需求。

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作者簡介：

李安琪（1996—），女，江蘇連云港人，工程師，2023年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（ 華東 ）油氣儲運工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事LNG接收站工藝設(shè)計與“天然氣+”技術(shù)研究工作。

Email：lianq@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-06-22