歸艷艷 王碩 張健

摘 要：文章以?xún)?chǔ)罐容積為5立方的液化天然氣氣化站為例，主要從氣化站的設(shè)計(jì)依據(jù)、工藝流程選擇和儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，對(duì)新型的小型撬裝式液化天然氣氣化站的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論研究，并闡述了設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：小型撬裝式液化天然氣氣化站；工藝流程選擇；儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

隨著霧霾等空氣污染的加劇，人們對(duì)環(huán)境污染日益重視，提升空氣質(zhì)量成為我國(guó)急需解決的問(wèn)題。國(guó)務(wù)院2013年印發(fā)的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中明確提出全面整治燃煤小鍋爐，加快“煤改氣”工程建設(shè)。由于我國(guó)天然氣管道并未實(shí)現(xiàn)全部覆蓋，基礎(chǔ)管線(xiàn)還在鋪設(shè)當(dāng)中，一些鄉(xiāng)村等偏遠(yuǎn)地區(qū)并沒(méi)有天然氣管道。市場(chǎng)上一批主要為燃?xì)忮仩t提供氣源的小型撬裝式液化天然氣氣化站應(yīng)運(yùn)而生。有的叫“潔易順”，有的叫“快易冷”，有的叫“安必達(dá)”。這種小型氣化站主要是將小容積液化天然氣儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG氣化后再經(jīng)過(guò)調(diào)壓、計(jì)量、加臭等工藝流程后，把滿(mǎn)足要求的天然氣輸送到管道中去，以供直接使用。由于儲(chǔ)罐及后續(xù)裝置體積較小，通常將氣化站整體做成高度集成的撬裝單元。

文章以5立方液化天然氣儲(chǔ)罐及其供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，對(duì)小型（主要指儲(chǔ)罐幾何容積為5及5立方以下容積）撬裝式液化天然氣氣化站的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，工藝流程選擇等加以分析和討論。

1 小型撬裝式液化天然氣氣化站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

由于目前國(guó)家尚未有專(zhuān)用的天然氣氣化站標(biāo)準(zhǔn)，通常參考以下標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)：

（1）GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》

（2）GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》

（3）GB50184-2011《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》

儲(chǔ)罐部分設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

（2）GB18442.1-6 -2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器》

2 小型撬裝式液化天然氣氣化站工藝流程

小型撬裝式液化天然氣氣化站主體工藝流程如下圖所示：

3 LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

3.1 儲(chǔ)罐形式

LNG儲(chǔ)罐屬于固定式深冷壓力容器。容器采用雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)罐用不銹鋼承裝介質(zhì)，外罐用低合金鋼制造，在內(nèi)外罐中間的夾層抽真空后并用絕熱材料對(duì)內(nèi)容器進(jìn)行保冷。

考慮氣化站整體撬裝式的設(shè)計(jì)，為了盡量減少占地面積以及LNG液體從儲(chǔ)罐內(nèi)流出的順暢性，儲(chǔ)罐采用立式儲(chǔ)罐。5立方儲(chǔ)罐其有效容積為4.5立方[1]，密度按常壓下溫度為162℃時(shí)的426kg/m3[2]計(jì)算，儲(chǔ)罐最大充裝質(zhì)量為：

4.5×426=1917 kg。5立方儲(chǔ)罐高度通常在小于3米，可以直接立式運(yùn)輸和安裝。

3.2 設(shè)計(jì)壓力

一般按儲(chǔ)罐最高工作壓力0.8MPa和1.6MPa兩種去考慮設(shè)計(jì)壓力。設(shè)計(jì)壓力的取定滿(mǎn)足TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB 150.1～150.4-2011《壓力容器》的要求即可。

3.3 絕熱形式

固定式真空絕熱深冷壓力容器的絕熱形式可分為高真空多層絕熱和真空粉末絕熱[3]，儲(chǔ)罐的容積小，用氣量通常不會(huì)很大，所以選用高真空多層絕熱的方式，這樣會(huì)具有更好的保冷效果，來(lái)保證儲(chǔ)罐在不經(jīng)常用氣的時(shí)候罐內(nèi)壓力不會(huì)過(guò)快上升。由于容積小，制造成本上與真空粉末絕熱的儲(chǔ)罐相差不多。

3.4 管路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

儲(chǔ)罐需要設(shè)置上下進(jìn)液管路、液相管路、氣相管路、側(cè)滿(mǎn)管路、節(jié)氣管路、自增壓管路，以及液位計(jì)氣、液相管路。

上下進(jìn)液管路是用于給儲(chǔ)罐充裝的進(jìn)液管路。設(shè)計(jì)時(shí)可以在外端口處進(jìn)行匯總。

液相管路的設(shè)置需要滿(mǎn)足能夠使儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG進(jìn)入到儲(chǔ)罐的自增壓器和氣化器里面。如果有需求也可設(shè)置一個(gè)液體使用口，使得儲(chǔ)罐具有直接用液的功能。

氣相管路的設(shè)置要能夠使儲(chǔ)罐自增壓功能的回氣回到儲(chǔ)罐的氣相，以及儲(chǔ)罐壓力過(guò)高時(shí)能夠通過(guò)氣相進(jìn)行安全泄放。

儲(chǔ)罐需要設(shè)置節(jié)氣管路。雖然采用高真空多層纏繞絕熱，但在儲(chǔ)罐靜止的過(guò)程中，依然會(huì)有熱量從儲(chǔ)罐外部傳遞到儲(chǔ)罐的內(nèi)容器部分，使得罐內(nèi)介質(zhì)溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致壓力升高。儲(chǔ)罐有高壓泄放裝置，但安全閥起跳會(huì)造成天然氣排放的浪費(fèi)，并且安全閥回座后需要重新校驗(yàn)，會(huì)影響用戶(hù)使用。通過(guò)設(shè)置節(jié)氣管路，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力較高時(shí)優(yōu)先使用儲(chǔ)罐內(nèi)氣相的氣體，這樣可以有效降低儲(chǔ)罐壓力，大大降低超壓排放的情況，也更適合用戶(hù)端不連續(xù)用氣的工況。

儲(chǔ)罐通常帶有自增壓裝置。在儲(chǔ)罐壓力低時(shí)，通過(guò)自增壓提高罐內(nèi)壓力，保證罐內(nèi)液體的流出。原理是將液相的LNG通過(guò)增壓器的氣化變成氣態(tài)的天然氣再返回到儲(chǔ)罐內(nèi)，使得儲(chǔ)罐壓力上升。需要注意，罐內(nèi)的LNG進(jìn)入到增壓器是通過(guò)液柱靜壓力流入的，增壓器的設(shè)置不易高于儲(chǔ)罐的最低液面高度。

液位計(jì)管路是通過(guò)設(shè)置壓差式液位計(jì)來(lái)測(cè)得儲(chǔ)罐內(nèi)液面高度。原理是測(cè)量?jī)?chǔ)罐液相和氣相的壓力差值來(lái)實(shí)現(xiàn)反算出液面高度。由于不同產(chǎn)地的LNG密度不同，液位計(jì)顯示的數(shù)值于重裝質(zhì)量對(duì)照表的數(shù)值與實(shí)際重裝質(zhì)量不同屬于正常，不能作為計(jì)量依據(jù)，只能作為參考。

4 空溫式氣化器的設(shè)置與選擇

空溫式氣化器的氣化量主要取決于客戶(hù)的用氣量要求。當(dāng)管道氣用于燃?xì)忮仩t時(shí)，通常按5立方儲(chǔ)罐的氣化站與1噸型的燃?xì)忮仩t匹配考慮，1噸型燃?xì)忮仩t的最大用氣量一般為70Nm3/h左右。則氣化器的氣化量可以按照100Nm3/h設(shè)計(jì)便可滿(mǎn)足要求。

空溫式氣化器廠家通常按8小時(shí)連續(xù)工作來(lái)設(shè)計(jì)氣化器，所以?xún)?chǔ)罐可配置兩臺(tái)氣化量相同的氣化器。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)用氣的工況，使用的氣化器結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到氣化量和用氣量，便可切換到另一個(gè)氣化器繼續(xù)使用。

空溫式氣化器可以采用包覆在儲(chǔ)罐外罐筒體外部的形式，這樣的設(shè)置從空間上更加緊湊。也可單獨(dú)放置在底撬上，這樣的布置當(dāng)客戶(hù)需要的用氣量不同時(shí)，從設(shè)計(jì)上更容易改變氣化器的布置，更靈活。

5 水浴式電加熱器的設(shè)置與選擇

LNG液體從儲(chǔ)罐出來(lái)經(jīng)過(guò)空溫式氣化器氣化后，通常氣化器出口氣體溫度會(huì)比環(huán)境溫度低10～15℃?？紤]到后續(xù)的調(diào)壓閥、燃?xì)夤艿赖仍ǔ２捎玫秃辖痄摶蛘咛间摬馁|(zhì)，承壓情況下最低允許的使用溫度為-20℃。所以當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，建議使用水浴式電加熱器對(duì)管路中的天然氣進(jìn)行加熱。

電加熱器可以串聯(lián)在氣化器管路之后，在環(huán)境溫度高時(shí)則無(wú)需使用。但要注意電加熱器的進(jìn)出口口徑不宜小于主管道的口徑，以免影響后端的用氣量。電加熱器也可以以支路的形式并聯(lián)在管道中，相比串聯(lián)形式，這樣可以減掉在不使用加熱器時(shí)天然氣流經(jīng)過(guò)加熱器的阻力。水浴式電加熱器的規(guī)格應(yīng)與前端空溫式氣化器的氣化量一致。

6 調(diào)壓裝置的設(shè)置與選擇

儲(chǔ)罐正常的工作狀態(tài)下罐內(nèi)壓力通常在0.4MPa左右，經(jīng)過(guò)空溫式氣化后，出口管道內(nèi)的壓力通常等于或略高于罐內(nèi)的壓力，然而最終使用時(shí)需要的燃?xì)鈮毫θ蓖偷亩?。通常燃?xì)忮仩t進(jìn)入燃燒機(jī)需要的壓力為10-20kpa，供給居民用燃?xì)庠钊紵枰膲毫t僅為2kpa。所以需要通過(guò)設(shè)置調(diào)壓裝置來(lái)降低管道的壓力。

調(diào)壓管路可以按一備一用，兩路并聯(lián)來(lái)設(shè)置。一旦調(diào)壓器發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)切換使用可以保證后端管路正常供氣，對(duì)于不允許斷氣的使用工況必須這樣設(shè)置。當(dāng)用氣條件不是很苛刻的工況，考慮經(jīng)濟(jì)性可以只設(shè)置一路調(diào)壓。

需要注意的是調(diào)壓器對(duì)于介質(zhì)的潔凈性要求較高，一般應(yīng)在調(diào)壓前需設(shè)置過(guò)濾器，用于過(guò)濾掉天然氣內(nèi)的雜質(zhì)。

7 計(jì)量裝置的設(shè)置

燃?xì)夤就ǔ?huì)按一次充裝到儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG重量來(lái)進(jìn)行計(jì)量收費(fèi)。管路末端的氣態(tài)天然氣計(jì)量，則可根據(jù)客戶(hù)的需求來(lái)確定是否設(shè)置。當(dāng)設(shè)置流量計(jì)時(shí)，通常選用體積流量計(jì)。

8 加臭裝置的設(shè)置

為了保證燃?xì)馐褂玫陌踩?，?dāng)管道出現(xiàn)泄漏時(shí)起到提醒作用。建議在管路末端設(shè)置加臭裝置。臭劑通常為四氫噻吩。由于小型氣化站的用氣量通常較小，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，可以選用非智能型的小型加臭裝置。如重力式加臭裝置。在氣化站上也可設(shè)置燃?xì)鈭?bào)警器，對(duì)泄漏情況進(jìn)行報(bào)警。

9 其他

由于是小型的氣化站，氣化站上并沒(méi)有設(shè)置EGA加熱器，所以要求儲(chǔ)罐及管路上所有安全排放的管路要匯總后集中放空，并且放空管上要設(shè)置阻火器。

此類(lèi)型的小型氣化站也可根據(jù)用戶(hù)需求來(lái)設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制可以設(shè)置高液位報(bào)警、低液位報(bào)警、高壓報(bào)警、自動(dòng)用氣、自動(dòng)停止供氣、自動(dòng)充裝、充裝停止以及緊急切斷等功能。

10 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于小型撬裝式液化天然氣氣化站的設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際使用的需求進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)各個(gè)廠家的設(shè)計(jì)也各不相同。為了追求經(jīng)濟(jì)性，有些設(shè)計(jì)在安全性上缺乏考慮。期望國(guó)家能夠早日出臺(tái)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，從安全設(shè)計(jì)、管理和使用等各個(gè)方面來(lái)對(duì)類(lèi)新型液化氣氣化站加以規(guī)范。

參考文獻(xiàn)：

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[2][美]卡爾L.約斯 Matheson氣體數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]GB18442.1-6 -2011固定式真空絕熱深冷壓力容器[S].

作者簡(jiǎn)介：第一作者：歸艷艷（1990-），女，漢族，河北滄州人，本科，助理工程師，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2013年畢業(yè)于天津理工大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司技術(shù)中心從事深冷壓力容器設(shè)計(jì)的工作。