LNG接收站槽车系统低压总管预冷新工艺

杨伟红，张豪，孔令阳，宋玲，赵来 (.中海浙江宁波液化天然气有限公司，浙江 宁波 5800；.中海石油气电集团交通新能源事业部，北京 0008；.四川杰瑞恒日天然气工程有限公司，四川 成都 6004)

0 引言

近年来，全球液化天然气(liquef ied natural gas，LNG)因具备运输和储运便利的优点，其生产和贸易日趋活跃。为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，均开始大规模兴建LNG接收站。

1 LNG接收站简介

LNG接收站主要是接收、储存和气化LNG，并通过管网向下游用户供气[1-2]。目前LNG接收站技术已较为成熟，设计时将充分考虑工艺技术的先进性和可靠性，确保长期稳定、安全可靠的向下游供气。LNG 接收站主要由卸料系统、储存系统、蒸发气处理系统、外输系统、槽车装车系统和火炬系统等组成。其中，槽车装车系统是通过装车橇对LNG槽车充装，经陆路运输送往各类用户[3-5]。槽车由于其机动灵活性，覆盖周边城市，能很好补充外输管网覆盖不到的区域。浙江LNG一期建有7台装车橇，LNG由储罐内低压泵加压后经低压LNG管道送入槽车充装系统，低压LNG通过装车臂充装至槽车。为满足下游不断增大的需求，二期新增10台装车橇，工艺流程如图1所示。

在槽车系统投用前，需对低压LNG管道置换和预冷，主要目的是防止管道温度变化过快、热应力过大而造成管材损坏；检验和测试低温设备及管道的低温性能，特别是低温阀门的密封性和管道焊接质量[6-7]。槽车装车系统预冷成功，对接收站液态外输系统至关重要。

图1 浙江LNG槽车系统流程图

2 LNG管道预冷方法

LNG管道普遍采用耐低温、耐腐蚀、膨胀系数小的奥氏体不锈钢，具有优良的低温性能，但线性膨胀系数较大，LNG温度降低时，不锈钢收缩率约为千分之三。虽然设计时考虑了冷收缩的补偿，但温度变化速度较大时，还存在形变过快、热应力过大而使管道或连接部位损坏的问题，这就要求在低温管道或设备预冷过程中，必须控制好温降和管道上下管壁温差，防止出现因位移过大造成泄漏等安全事故。目前最常用的低温管道预冷方式是采用液氮预冷、LNG预冷和BOG(LNG蒸发气)预冷等。

2.1 液氮预冷

液氮预冷是将液氮通过汽化器气化后注入需要预冷的管道内，通过控制液氮进口流量、气化后低温氮气的温度及预冷管道的排气量，使管道温降维持在一定范围，最终达到管道预冷的目的。采用液氮预冷，初期效果明显，但后期管道底部会聚集较多氮气，不易流通，底部氮气浓度大于顶部，造成管道顶部和底部温差较大，不易控制。该方法需要额外增加液氮供应装置及液氮汽化器，设备占用生产用地，成本较高[8]。

2.2 LNG预冷

LNG预冷是间断性向低温管道中注入少量LNG(-150 ℃)，LNG吸收管道热量气化，利用低温气体对管道初步预冷，产生的BOG放空，从而降低管道温度，待降至一定温度后，再直接用LNG预冷。根据实际经验，该方案耗时最短，但因无法控制LNG注入量，导致管道温降速率不易控制。LNG注入量过多，会使初始阶段预冷管道温降过快，管道上下表面温差过大，产生形变及位移，严重时会造成安全事故。LNG注入量过少，BOG气化后压力不足，中后段管道预冷缓慢，预冷时间延长，且很难达到预期效果。同时，管道一旦出现问题，潜在危险程度将大大增加，对操作人员和整个站场的安全都存在较大威胁。

2.3 BOG预冷

BOG预冷是向常温管道中直接注入低温BOG，以热交换的方式实现管道降温，通过调节管道进口BOG流量、温度及管道排气量控制管道温降速率。BOG预冷管道温度最低只能降至-120 ℃。预冷完成后，管道温度会随着时间的延长大幅度升高。LNG接收站一般接卸首船时才具备条件使用BOG预冷，后期正常运行时，无法提供BOG预冷管道。

3 新预冷方法及实践

3.1 新预冷方法的提出及原理

在新增低压LNG总管预冷时，要确保不影响一期装车橇正常运行，上述预冷方式均无法达到较好的预冷效果。

分析传统预冷方法，选用BOG预冷最为安全可靠，但是接收站处于运行模式时，产生的BOG气体无法满足预冷需求量。一期装车橇正常运行时，考虑充分利用自有LNG和接收站氮气，且不增加外接设备，提出利用LNG+常温氮气预冷工艺。其原理为：注入LNG液体时，注入气态氮气，加快LNG气化，同时降低管道与NG温差。调整注入氮气的速度，可以防止出现因低温气体分层而导致管道上下表面温差较大(大于50 ℃)的工况。在氮气推动下，BOG和氮气混合气体迅速走向管道末端放空点，将整段管道全部预冷。间断性地排放管道内气体可以加大对管道内流体的扰动，减小管道顶底的温差，有效避免管道预冷不均引起的意外形变，保证管道安全[9-10]。

3.2 低压LNG总管预冷过程

3.2.1 LNG及氮气注入口的选择

在图1中，间断性开关3″排放管道上的阀门V-3注入LNG液体，同时对3″排放管道注入氮气，使LNG沿着3″排放管道进入装车橇后返流至12″低压LNG总管。根据预冷情况，不断调整LNG和氮气的注入量。

3.2.2 排气口的选择

维持装车橇管道压力为0.2～0.3 MPa，将12″低压LNG总管中的BOG排放到接收站放空管线，避免就地排放和直接燃烧造成浪费。

3.2.3 温度监测及控制

在预冷过程中，每隔半小时记录一次3″排放管道和12″低压LNG总管上的温度。确保冷却速率不超过-10 ℃/h，管道顶部和底部温差不超过50 ℃。现场人员严密监控管道位移。如果管道预冷速率较快或管道顶部和底部温差超过50 ℃，则及时关闭进液阀V-3和放空阀，加大氮气流量，当管道压力达到0.3 MPa时，打开放空阀进行泄压，降低预冷速率和管道截面温差。

3.2.4 管道位移监控

随着管道中冷量的不断注入，管道因受冷收缩将沿着管道的前后(上下游)、左右、上下方向产生一定的位移，位移量越小说明管道形变量越小，预冷效果越好。预冷过程中定时观察管道是否扭曲，记录横向和纵向位移，当位移超过允许位移和管道扭曲明显时，则应降低预冷速度。

3.2.5 预冷效果

当12″低压LNG总管温度降至-70 ℃时，暂停预冷，紧固管道螺栓，再继续预冷至-120 ℃后，填充LNG液体。可以发现，随着管道预冷时间的延长，LNG和氮气的需求量会逐渐增大。

预冷过程中LNG管道温度变化曲线如图2所示。由图2可以看出，管道温降曲线平滑，没有出现较大的温度波动，说明该方法工艺过程控制良好。注入管道的氮气与BOG混合后迅速流向管道末端放空点，将整段管道全部预冷，使管道内部达到了预冷温度，且各处温差不大，避免了温度应力的冲击，保证了整个预冷过程的安全性。

图2 3″排放管道和12″低压LNG总管预冷温度曲线

整个预冷过程管道没有发生明显位移，距离最远的管道末端位移最大为7.8 mm和8.7 mm，均在设计允许范围内，充分说明该工艺方法能使管道均匀冷却，更容易控制温降速度。

4 结语

(1) LNG+常温氮气预冷工艺使管道达到很好的预冷效果，避免预冷时上下游管段及管道上下温差过大造成严重位移的情况，降低预冷过程中的安全风险。

(2)该工艺不需配备外接汽化器和相应场地，节约生产成本。

(3) LNG+常温氮气预冷工艺可以作为今后LNG接收站投产试车的借鉴和参考。