LNG气化设备工艺优化

LNG气化站设备主要有储罐、气化器、泵和压缩机等,本节只结合气化站设计做一些基本说明。

1.固定式LNG储罐

LNG储罐主要有金属储罐和钢筋混凝土储罐两大类。

(1)基本要求 储罐在设计建造时应考虑下列基本要求。

1)低温性能。LNG储罐表面的任何部分都存在由于从法兰、阀门、密封点或其他非焊接点处泄漏LNG或冷蒸气而暴露在低温下的可能性,应采取预防保护措施来防止这种影响。当围栏中有两个或两个以上的储罐时,储罐的地基应能经受与LNG直接接触,或者采取措施防止与LNG的接触。

2)隔热性能。作为蒸气保护层包覆或固定在容器上的外露的隔热材料,应是防火的且在消防水的冲击下不会移动。可在外层设一个钢质或混凝土质的防护罩来保护松散的隔热材料。在储罐的内外层中的隔热层应为与LNG和天然气性能相适应的不可燃材料。当火焰蔓延到容器外壳时,隔热层不应出现导致隔热效果迅速下降的熔化或沉降。承受负载的底部隔热层应保证发生破裂时产生的热应力和机械应力不对储罐的完好造成危害。

3)地震载荷与风雪载荷。在储罐设计时应考虑到抗震性能,必须确定地震潜在的可能性和产生的特性曲线谱,并获得气化站和周围地区的地质资料,据此进行地震载荷分析。此外,还需考虑风雪载荷的影响。

4)充装容积。LNG充装时可能处于较低的温度和压力下。随着外界热量的传入,储罐内LNG的温度和压力会相应升高。液体温度升高后体积会发生膨胀,以纯甲烷为例,它在131K时的比体积比其标准沸点(111K)时的比体积增大了7.7%。在小型带压存储的LNG储罐中,20℃的温差在实际中是可能出现的,所以最大充装度设定在90%是较为适宜的。如果最大充装度设定在90%以上,则必须确保储罐运行温度和压力变化范围不能太大。当然,大型储罐均采用低压存储,LNG不可能有较大的温度和压力变化。

5)土壤防冻。储罐外壳的底部应在地下水层之上,或应永远防止其与地下水接触。与储罐外壳底部接触的材料,应能最大限度地减少腐蚀。当储罐外壳与土壤接触时,应使用一个加热系统,用来防止与外壳接触的土壤温度低于0℃。

6)分层与涡旋预防。所有LNG储罐应能在顶部和底部充灌调节,除非有其他手段能用来防止分层现象的出现,进而防止LNG涡旋事故的发生。

(2)金属储罐结构 运行压力小于0.1MPa的焊接结构的金属储罐按普通容器设计制造。运行压力大于0.1MPa的焊接结构的金属储罐按压力容器设计制造,说明如下。

1)储罐应制造成双层的,装有LNG的内胆与外壳之间应有隔热层。与LNG接触的内胆是Ni的质量分数为9%的低温钢,外层为碳钢,中间隔热层为膨胀珍珠岩,罐的隔热层为泡沫玻璃。

2)储罐内胆是焊接结构的,应根据储罐在使用一定时间后,储罐膨胀形成的内部压力、储罐内胆与外壳之间空间的清洗和运行时的压力以及地震负荷的综合作用下的临界负荷进行设计。在真空隔热的场合,设计压力应是工作压力、0.1MPa的真空余量和LNG静压头的总和。非真空隔热时,设计压力是工作压力与LNG静压头之和。储罐外壳也是焊接结构的,需装配一个减压设备或其他能降低其内部压力的设备。应设计一个保温装置,防止外壳温度低于其设计温度。储罐内胆必须用一个金属的或非金属的支撑系统将其与外壳同心地支撑在一起。

3)在储罐内胆和外壳之间及在隔热层间的内部管路,应能承受内胆的最大许用工作压力,且也能够承受热应力。波纹管不能放在隔热空间中。

4)大型的储罐往往有混凝土外壳、挡蓄或地中壁等结构。这些砌体结构一般都是预应力式的。建设这些预应力砌体结构的材料应能满足低温下使用的要求。处于工作低温下的混凝土要进行压缩应力及收缩系数的测试。混凝土材料应是密实的,且在物理及化学特性方面,聚合成的混凝土应是高强度、耐久性好的。

(3)储罐的类型 LNG储罐根据防漏设施不同可分为以下四种形式。1)单容罐。此类储罐在金属罐外有一比罐高低得多的混凝土挡蓄,挡蓄内容积与储罐容积相等。该形式储罐造价最低,但安全性稍差,占地较大。2)双容罐。此类储罐在金属罐外有一与储罐筒体等高的无顶混凝土外罐,即使金属罐内LNG泄漏也不至于扩大泄漏面积,只能少量向上空蒸发,安全性比前者好。

3)全容罐。此类储罐在金属罐外有一带顶的全封闭混凝土外罐,金属罐泄漏的LNG只能在混凝土外罐内而不至于外泄。在以上三种地上式储罐中安全性最高,造价也最高。

4)地下式储罐。与以上三种类型不同的是此类储罐完全建在地面以下,金属罐外是深达百米左右的混凝土连续地中壁。地下储罐主要集中在日本,抗地震性好,适宜建在海滩回填区上,占地少,多个储罐可紧密布置,对站周围环境要求较低,安全性最高。但这种储罐投资大(约比单容罐高出一倍),且建设周期长。

2.LNG气化器

(1)气化器分类 LNG气化器按其热源的不同,可分为以下三种类型。

1)加热气化器。气化装置的热量来源于燃料燃烧、电力、锅炉或内燃机废热。加热气化器有整体加热气化器和远程加热气化器两种类型。整体加热气化器采用热源整体加热法使低温液体气化,最典型的即是浸没式燃烧气化器。远程加热气化器中的主要热源与实际气化交换器分开,并采用某种流体(如水、水蒸气、异戊烷、甘油)作为中间传热介质,由中间介质与LNG换热,使LNG气化。

2)环境气化器。气化的热量来自自然环境的热源,如大气、海水、地热水。当然,自然环境的热量如果不是直接使LNG气化,而是通过加热一种中间介质,再由中间介质使LNG气化的话,则这就是一种远程加热气化器,而不是环境气化器。如果自然热源时与实际的气化器是分开的并使用了可控制的传热介质,则应认为这种气化器是远程加热气化器,应符合加热气化器的规定。(www.xing528.com)

3)工艺气化器。气化的热量来源于另外的热动力过程或化学过程,或有效利用LNG的制冷过程。实际上,在各种LNG冷量利用的综合流程,如发电、化工、空分等流程中,将需要排出热量的过程与LNG的吸热气化过程结合起来,可以节约用于LNG气化的能量,同时使各工艺过程的能量利用效率得到提高。

(2)气化器基本要求

1)气化器的换热器的设计工作压力,至少等于LNG泵或供给LNG的压力容器系统的最大出口压力中较大的压力值。

2)并联气化器的各个气化器均应设置进口和排放切断阀。

3)应提供恰当的自动化设备,以避免LNG或气化气体以高于或低于外送系统的温度进入输配系统。这类自动化设备应独立于所有其他流动控制系统,并应与仅用于紧急用途的管路阀门相配合。

4)用于防止LNG进入空置气化器(组)的隔断设施,应包括两个进口阀,并且提供排除两个阀门之间可能聚集的LNG或气体的安全措施。

5)每一加热气化器应提供一种在距气化器至少15m处切断热源的方式。此设备应在其安装位置可操作。

6)如果气化器与向其供液的储罐的距离不小于15m,则在LNG管路距加热气化器至少15m处应设置切断阀。此切断阀应在其安装位置和以远程方式均可操作,且应防止因外部结冰使其不可操作。

7)安装在距LNG储罐15m之内的任何环境或加热气化器,均应在液体管路上设置自动切断阀。此阀应设在距气化器至少3m处,应在管路失压时(过流),或气化器紧邻区域温度异常时(火灾),或气化器出口管路出现低温时,能自动关闭。在有人值班的地方,应允许在距气化器至少15m处对此阀实现远程操作。

8)如果在远程加热气化器中采用了可燃中间流体,应在中间流体系统管路的热端和冷端均设置切断阀。这些阀门的控制设施应设在距气化器至少15m处。

9)每台气化器应当安装减压阀,减压阀的口径按下列要求选取:①加热或工艺气化器的减压阀的排出量,应为额定的气化器天然气流量的110%,不允许压力上升到超过最大许用压力的10%以上;②环境气化器的减压阀的排出量,至少应为额定的气化器天然气流量的150%,不允许压力上升到超过最大许用压力的10%以上。加热气化器的减压阀在运行时温度不能超过60℃,除非设计的阀门能承受高温。

10)整体加热气化器或远程加热气化器用的一次热源在运行时燃烧所需要的空气,应从一个完全封闭的建筑外部获得。在安装整体加热气化器或远程加热气化器的一次热源的地点,应防止燃烧后生成的有害气体积聚。

3.泵和压缩机

LNG气化站中使用的泵和压缩机,应满足下列要求。

1)泵和压缩机应当使用在可能遇到的温度和压力条件下都能正常工作的材料来制造。

2)阀门的安装应使每一台泵或压缩机都能单独维修。在泵或离心压缩机因操作需要并列安装的场合,每一个出口管线上应配一个止回阀。

3)泵和压缩机应当在出口管线上装备一个减压装置来限制压力,使之低于机壳和下游管道、设备的设计最大安全工作压力。

4)每台泵应当装备有足够能力的释放阀,用以防止泵壳在冷却时产生最大流量期间超压。

5)低温泵的地基和油池的设计和施工中,应防止冷冻膨胀。

6)用于输送温度低于-29℃的液体泵,应配备预冷装置,确保泵不被损坏或造成临时或永久失效。

7)处理可燃气体的压缩设备,应在各个气体可能泄漏的点设排气道,使气体能排出到建筑物外部可供安全排放的地方。