丁昌 黃宇巍 呂林鵬 粟天瑋

鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院

目前，LNG氣化站的傳統(tǒng)工藝包括卸車工藝、增壓工藝、加熱氣化工藝、蒸發(fā)氣(boil-off gas，以下簡稱BOG)處理工藝、安全泄放工藝以及計量加臭工藝等[1]。其存在的問題是設(shè)備及管線布置所需空間較大，對于需要在城市中建造氣化站的項目來說相對困難，而使用撬裝式小型氣化站可以極大地節(jié)省空間，實現(xiàn)有限空間的充分利用。但隨之而來的問題是，在充分考慮縮小空間的同時，需要對設(shè)備和管線緊湊布置，在同等設(shè)計參數(shù)以及LNG使用量的情況下，給設(shè)備及氣化站的關(guān)鍵管線系統(tǒng)布置帶來了較高的要求。相對傳統(tǒng)的大型氣化站，設(shè)備與管線連接處，包括彎管、三通等管道交叉處極有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致大的形變或者管道設(shè)備的破壞，造成LNG的泄漏乃至爆炸事故的發(fā)生[2]。

針對上述問題，參考傳統(tǒng)LNG氣化站設(shè)計理念，以小型撬裝式氣化站為主體，充分考慮空間的局限，采用管道分析軟件CAESARⅡ?qū)η搜b式LNG氣化站管線進(jìn)行應(yīng)力分析，以保證小型撬裝式LNG氣化站能夠安全運行。

1 LNG氣化站設(shè)計

1.1 設(shè)計參數(shù)

物料:LNG;工藝:氣化站;用氣量:1000 m3/h;場地規(guī)格:12 m×2 m×2 m;LNG槽車卸車壓力:0.6 MPa;LNG儲罐設(shè)計壓力:0.88 MPa，最高工作壓力:0.8 MPa;BOG、逃逸氣體(escape air gas，以下簡稱EAG)處理系統(tǒng):設(shè)計壓力1.92 MPa，最高工作壓力1.2 MPa;LNG溫度:-162℃;氣化后溫度:-20～60℃[3-4]。

氣化站的規(guī)模需要綜合考慮用氣量的大小、氣體的來源、供氣安全、經(jīng)濟(jì)評估及輸配系統(tǒng)等因素。氣化站規(guī)模為1000 m3/h，出口壓力設(shè)計為3～50 k Pa(一般鍋爐用氣壓力值)[5]。

1.2 工藝流程

目前，LNG的儲存方式常采用的是罐式儲存，通過LNG槽車將LNG從生產(chǎn)廠地運輸至LNG氣化站進(jìn)行儲存或使用。槽車行至卸氣臺，通過卸車增壓器對槽車儲罐增壓，利用與低溫儲罐的壓力差將LNG送至氣化站的儲罐中。在非正常工作條件下，貯槽內(nèi)的溫度一般為-162℃，壓力為常壓;工作條件下，卸車增壓器將貯槽內(nèi)的LNG增壓，增壓后的低溫LNG進(jìn)入主空溫式氣化器，與空氣換熱后轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，氣態(tài)天然氣的溫度比LNG高，出口溫度一般比環(huán)境溫度要低-10℃左右;當(dāng)空溫式氣化器出口天然氣溫度達(dá)不到5℃以上時，則通過水浴式加熱器升溫。最后經(jīng)過加臭計量后進(jìn)入輸配管網(wǎng)送入用戶[6]。如圖1所示。

1.2.1 卸車工藝

卸車工藝一般采用槽車的自增壓方式，將LNG從槽車中運輸?shù)絃NG低溫儲罐中儲存。槽車中的LNG一般處于常壓狀態(tài)，溫度為-162℃，利用槽車自帶的增壓器，將LNG加壓到0.6 MPa左右，這時候槽車中的LNG與低溫儲罐間形成一定的壓差，通過壓差將LNG運輸至儲罐。

1.2.2 增壓工藝

LNG在低溫儲罐中的儲存壓力一般為常壓，溫度為-162℃，如需將LNG從低溫儲罐中送出，必須對其進(jìn)行增壓。傳統(tǒng)的氣化站增壓方式一般分為兩種:一種為增壓氣化器結(jié)合氣動式增壓閥的方式;另外一種為增壓氣化器結(jié)合自力式增壓調(diào)節(jié)閥的方式。這兩種常用于中小型LNG氣化站，但考慮到空間排布問題，小型撬裝式LNG氣化站的低溫儲罐增壓方式使用最多的是通過低溫增壓泵來實現(xiàn)對儲罐內(nèi)的LNG增壓。

1.2.3 氣化加熱工藝

LNG氣化站的加熱氣化工藝主要由空溫式氣化器和水浴式氣化器組成，其作用是將LNG進(jìn)行氣化，使之成為氣態(tài)天然氣供用戶使用。

1.2.4 BOG處理工藝

在整個LNG氣化站的工藝包括通過槽車運輸?shù)倪^程中，都會由于壓力的變化導(dǎo)致一部分LNG氣化，即BOG氣體。雖然BOG氣體相對于LNG來說非常少，但是倘若不加以處理，會對設(shè)備以及管道造成損壞，因此，需要針對BOG設(shè)置專門的處理工藝。一般在BOG處理工藝中設(shè)置BOG氣化器對BOG氣體進(jìn)行氣化增溫后，方可投入使用。考慮到對于撬裝式氣化站來說，使用BOG壓縮機(jī)會比氣化器更節(jié)省空間，所以，撬裝式的氣化站在該工藝中采用壓縮機(jī)處理BOG氣體[7]。

1.2.5 安全泄放工藝

天然氣溫度低，且密度比空氣大，一旦泄漏會聚集于地面，不易擴(kuò)散;而當(dāng)天然氣在常溫時，密度會小于空氣，泄漏后極易揮發(fā)擴(kuò)散，因此，在氣化站設(shè)置EAG處理器和泄放管，最終匯集到泄放塔中集中排放，保障工藝的安全性。

1.2.6 計量加臭工藝

LNG氣化站的計量裝置主要是采用氣體渦輪計量，其計量精度為1.5級，具有大于1∶16的量程，可以同時滿足最大流量和最小流量時的精度要求。LNG氣化站的加臭裝置的動力來源是隔膜式計量泵，可根據(jù)流量信號按適當(dāng)?shù)谋壤龑⒓映魟?四氫噻吩)注入天然氣管道中。

2 模型構(gòu)建

2.1 軟件平臺

采用管道分析軟件CAESARⅡ進(jìn)行模型構(gòu)建、邊界描述以及計算結(jié)果分析。CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件是由美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件。該軟件結(jié)合國際上通用的管道標(biāo)準(zhǔn)，對管道可進(jìn)行模型構(gòu)建以及綜合工況下的各種應(yīng)力分析。它既可以進(jìn)行靜態(tài)分析，也可以進(jìn)行動態(tài)分析。其具體的計算和分析功能包括:①鋼結(jié)構(gòu)可與管道進(jìn)行混合計算;②可驗算設(shè)備嘴子的受力條件;③根據(jù)WRC107計算設(shè)備嘴子的應(yīng)力條件;④根據(jù)WRC297計算設(shè)備嘴子的剛度;⑤提供了多種國際通用標(biāo)準(zhǔn)，比如美國ASME B31.1(工藝管道)等;⑥涉及到所有的靜力載荷，包括管道自重、所受內(nèi)壓以及溫度引起的應(yīng)力等;⑦分類計算載荷，也可在組合工況下對結(jié)果相互疊加[8-9]。

軟件通過交互式數(shù)據(jù)輸入圖形輸出的形式，可以讓使用者清晰便捷地查看模型，擁有3D計算結(jié)果的分析功能，可以結(jié)合多種工況對結(jié)果進(jìn)行疊加分析，使模型更加貼近實際工況，能夠?qū)吔鐥l件提供多種支撐類型的選擇以及膨脹節(jié)和法蘭庫等，還允許用戶使用自定義庫[8]。

2.2 三維模型

圖2為撬裝式LNG氣化站的三維模型，基本參數(shù)如前所述，工藝流程參考了文獻(xiàn)[10]。

圖2包括LNG低溫儲罐、增壓器、空溫式氣化器、備用水浴式氣化器、BOG處理器以及加溫器和排空塔等。為了不影響計算結(jié)果，對設(shè)備與管道的連接處特意添加固定端板約束。對懸空管道添加豎直方向的約束和徑向約束，防止管道由于懸空而導(dǎo)致變形和位移。

3 計算結(jié)果與分析

對所構(gòu)建的模型進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)不同工況對模型進(jìn)行疊加計算[11-12]，其主要工況如表1所列。

表1 管道載荷工況分類Table 1 Classification of pipeline load conditions

考慮到LNG氣化站建廠選址的地理因素，對LNG撬裝式氣化站不考慮風(fēng)載荷和地震載荷，只考慮重力載荷、壓力載荷以及溫度載荷的影響。綜合工況后的計算界面如表2所列。

表2 綜合工況計算結(jié)果Table 2 Calculation results of comprehensive working conditions

如表2所示，綜合工況后的計算結(jié)果包括冷態(tài)(SUS)和熱態(tài)(OPE)。其中還有對模型的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的校核，只有當(dāng)一次應(yīng)力與二次應(yīng)力同時校核成功才能說明模型所呈現(xiàn)的LNG氣化站是可以安全生產(chǎn)的。從圖3可以看到，對模型的二次應(yīng)力校核結(jié)果顯示為紅色，說明二次應(yīng)力校核未通過，其結(jié)果如表3所列。

表3 二次應(yīng)力校核結(jié)果Table 3 Results of secondary stress check

經(jīng)計算，二次應(yīng)力結(jié)果偏大，綜合應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了許用應(yīng)力。圖4為應(yīng)力超標(biāo)部分的局部放大圖。

根據(jù)應(yīng)力分布圖的結(jié)果，在整個撬裝式LNG氣化站中，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在加熱器所在的部分。在設(shè)計之初所考慮的是將加熱器置于BOG處理管系與LNG運輸管系之間以節(jié)省分布空間，但由于兩個部分的管線之間間隔狹小，在考慮了操作空間之后，加熱器的進(jìn)出管道就變得非常短，加上管道間還布置了閥門以及三通，這無疑增加了管道的受力，最終導(dǎo)致了應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

在靜力分析中，除了應(yīng)力分布圖外，管道的位移形變圖也是作為衡量管道是否安全的一個重要指標(biāo)。管道的位移形變主要是其管道所受載荷與管道的約束之間相互作用的結(jié)果。倘若管道所受載荷過大，超過了管道約束力并且超過了管道材料的屈服極限，那么就會造成管道的極大彎曲甚至破裂，最終造成泄漏甚至爆炸等事故[6]。

由圖5～圖6可見，管道的位移形變最大部位同樣也是集中在加熱器部分，說明在加熱器部分的管道不符合安全性以及穩(wěn)定性要求，如果投入實際的工程生產(chǎn)中，必定會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。綜上所述，在保證撬裝式氣化站小空間優(yōu)勢的前提下，應(yīng)盡可能減小管道的應(yīng)力分布，避免出現(xiàn)某一部分區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時也要防止管道的過量變形。

4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

4.1 優(yōu)化方案

根據(jù)之前的靜力分析結(jié)果可知，應(yīng)力主要集中點在整個氣化站工藝的加熱器所在處。在保證不改變現(xiàn)有空間大小的基礎(chǔ)上，對加熱器的管道布置進(jìn)行重新規(guī)劃，并對優(yōu)化后的模型再進(jìn)行靜力計算分析，直到應(yīng)力校核成功即可。

該小型撬裝式LNG氣化站的規(guī)格為:在豎直方向上還能夠?qū)Q熱器進(jìn)行布置，并且不會改變現(xiàn)有水平方向上的空間大小。優(yōu)化方案確定為:

(1)在現(xiàn)有空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將加熱器按照豎直方向進(jìn)行排布，不受BOG以及LNG管線距離的影響。

(2)對加熱器的進(jìn)出管道可采取添加補(bǔ)償器的方式[13]，以此來降低應(yīng)力集中。

分析表明，混凝土蓋板與基礎(chǔ)之間的脫空在探地雷達(dá)圖像上主要表現(xiàn)為電磁波在膠結(jié)面以下出現(xiàn)多次同相軸呈弧形的反射波，同相軸扭曲或者斷裂，能量明顯增強(qiáng)導(dǎo)致振幅很大。一般來說，雷達(dá)回波同相軸向下彎曲可能是反映地層含有大量水分。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

按照所設(shè)計的優(yōu)化方案，對模型進(jìn)行部分優(yōu)化和重新建模。其優(yōu)化后的模型如圖7～圖8所示。

對比之前的模型，此次的優(yōu)化設(shè)計將加熱器從地面位置的排布方式轉(zhuǎn)換成空間排布，將加熱器固定在撬上，下部留有足夠的空間來布置管線，不會出現(xiàn)加熱器的進(jìn)出管線過短，從而引起應(yīng)力集中。

對優(yōu)化之后的模型重新計算以確定其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。表4所示為優(yōu)化后的二次應(yīng)力校核。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的應(yīng)力有了明顯的降低，且符合二次應(yīng)力校核的要求。

表4 優(yōu)化后二次應(yīng)力校核結(jié)果Table 4 Results of secondary stress check after optimization

圖9～圖10為優(yōu)化后氣化站的形變圖。對比優(yōu)化之前的形變圖來看，此次在優(yōu)化后對氣化站整體工藝的形變緩解了很多，對于優(yōu)化之前形變嚴(yán)重的部分，在優(yōu)化之后已經(jīng)解決了管道的過形變問題，再結(jié)合靜力分析的一次應(yīng)力校核與二次應(yīng)力校核的結(jié)果來看，此次的優(yōu)化極大地降低了應(yīng)力水平和變形。

5 結(jié)論

通過對小型LNG撬裝式氣化站的設(shè)計以及優(yōu)化，可以得出如下結(jié)論:

(1)在重力載荷、壓力載荷和溫度載荷的作用下，氣化站的加熱器部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在一定條件下可能發(fā)生破壞。

(2)通過改變加熱器的空間布局，調(diào)節(jié)加熱器高度，留出足夠的空間布置管路，可以有效降低整個氣化站的變形量和應(yīng)力水平，保證其安全地運行。

收稿日期:2018-07-26;編輯:康 莉