LNG高壓泵管道設(shè)計

董 芳

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

LNG因其綠色、環(huán)保及成本優(yōu)勢將成為新能源的重要發(fā)展方向，隨著市場對LNG需求的不斷增加，泵送深冷流體技術(shù)已成為國內(nèi)外低溫學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題[1]。本文以某LNG項目接收站工程工藝處理設(shè)施單元高壓泵設(shè)計為例，對其平面布置、基礎(chǔ)高度確定及管道設(shè)計等進行探討。

1 LNG高壓泵的平面布置

目前，全球LNG接收站工程的設(shè)計主要參照兩個標準：美國NFPA 59A“Standard for the Production，Storage，and Handling of Liquefied Natural Gas(LNG)”和歐盟EN 1473“Installation and equipment for liquefied natural gas-Design of onshore installations”。我國關(guān)于LNG的主要標準有：GB/T 20368-2012《LNG生產(chǎn)、儲存和裝運》，SY/T 6711-2014《LNG接收站安全技術(shù)規(guī)程》等。

根據(jù)裝置設(shè)備布置的一般要求，將LNG高壓泵按照工藝流程順序和同類設(shè)備集中的原則在管廊一側(cè)成排布置。LNG泵的類型多為低溫潛液泵，是LNG產(chǎn)業(yè)鏈中的重要設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛[2]。雖然泵體本身占地面積較小，但因管道需盡量通過自然補償實現(xiàn)其柔性的要求，和閥門密集的特點，需充分考慮泵體間距及泵中心到管廊的距離。

2 LNG高壓泵基礎(chǔ)高度的確定

LNG低溫潛液泵的外型及安裝方式見圖1。泵體在安裝時利用泵筒外壁上的支耳支撐在泵池上方，并用螺栓將支耳固定在泵基礎(chǔ)上，所有管嘴以泵體為中心向四周開設(shè)。根據(jù)工藝流程要求，同泵體直接相連的主管均設(shè)有低點排凝線，泵本體亦設(shè)有排凝線，各排凝管道均需以一定的坡度步步低坡向工藝處理設(shè)施單元排凝總管。因此排凝總管的高度決定了泵排凝管道的高度，從而影響了與排凝管道相關(guān)的主管標高的設(shè)置，而同泵體直接相連的管道標高又需要結(jié)合設(shè)備圖紙中泵嘴相對于泵基礎(chǔ)的高差及管道布置等因素綜合考慮。由此可見，LNG高壓泵基礎(chǔ)高度的影響因素較多且相互關(guān)聯(lián)，因此要先理清整個單元排凝管路的設(shè)計，繼而反推其他相關(guān)管道的布置方式，并結(jié)合廠家圖紙最終選定合適的泵基礎(chǔ)高度。

圖1 LNG高壓泵外型及安裝方式圖

3 LNG高壓泵的管道設(shè)計

3.1 LNG管道的設(shè)計特點

3.1.1 管道材質(zhì)

LNG是將天然氣冷卻到-162℃左右凝結(jié)的液體，是天然氣儲存和運輸?shù)闹饕问健?162℃的超低溫條件要求輸送LNG的管道材料具有良好的低溫韌性、抗腐蝕性能、焊接性能，同時由于管道在常溫下安裝、低溫下使用，材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)盡量小。目前，國內(nèi)LNG接收站管道所用的材料多為奧氏體不銹鋼材料，而9%鎳鋼以其優(yōu)良的綜合性能，在未來有望成為LNG管道的主流材料[3]。

3.1.2 管道柔性

低溫管道系統(tǒng)的柔性主要通過管道的自然補償及膨脹彎來實現(xiàn)，禁止使用波紋管膨脹節(jié)，因此接收站內(nèi)大部分LNG管道都應(yīng)進行應(yīng)力分析，從而合理設(shè)置膨脹彎的位置以滿足管道所需膨脹量。另外，若是將大量LNG直接送入常溫管道，可能導(dǎo)致管道收縮而損壞管路，所以管道在投入使用前需進行預(yù)冷[3]。通常采用的預(yù)冷介質(zhì)為液氮(其常壓下的沸點為-196℃)，有些接收站也直接采用LNG進行預(yù)冷。因此做管道應(yīng)力分析時也要充分考慮管道開工預(yù)冷的工況。

3.1.3 保冷材料

GB/T 22724《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計》指出，絕熱材料的質(zhì)量和類型應(yīng)根據(jù)易燃度、吸氣率、絕熱材料對潮氣的敏感性、溫度梯度、低溫性能等幾個方面予以考慮[4]。目前LNG管道采用較多的保冷材料有：聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)、丁腈橡膠及二烯烴泡沫(LT+LTD) 。其中前兩種材料組合可用于硬質(zhì)保冷管道，后兩種材料組合可用于柔性保冷管道。

3.1.4 保冷支架

LNG管道保冷支架并不像常規(guī)煉油裝置管道支架形式多種多樣，由于管道外保冷材料較厚、不銹鋼管道不能直接焊接鋼材料支架等特點，保冷支架基本為管卡型(管托型)。如果有導(dǎo)向或止推的要求，則通過在支撐梁上或管托底板焊接金屬擋塊的方式實現(xiàn)。由于支架形式的特殊性和單一性，在管道設(shè)計初期就需將支架的可實現(xiàn)性一并考慮在內(nèi)。另外，為了保證支架安裝時同管道保冷材料更好的銜接，要求在支架生產(chǎn)過程中即預(yù)留出金屬管卡長度范圍外的保冷層過渡段(見圖2)，因此在計算管道焊縫同支架間距時應(yīng)將此過渡段長度也考慮在內(nèi)。

圖2 LNG管道保冷支架

3.2 LNG高壓泵的管道設(shè)計

圖3 LNG高壓泵平面布置及管道設(shè)計

LNG高壓泵的主要管道有：入口線、出口線、放空線、回流線、保冷循環(huán)線、排凝線、氮氣密封線及氮氣吹掃線等。圖3為某LNG項目接收站工程工藝處理設(shè)施單元高壓泵的平面布置及進出口和回流管道走向。

3.2.1 泵入口管道設(shè)計

根據(jù)工藝流程要求，LNG儲罐內(nèi)的LNG液體經(jīng)罐內(nèi)低壓泵送入工藝處理設(shè)施單元的LNG高壓泵升壓，泵入口線經(jīng)一個調(diào)節(jié)閥步步低進入泵體，且水平管段保持一定的坡度，這樣可以使LNG液體快速流入泵體(見圖3)。排凝線從調(diào)節(jié)閥前的管道底部接出，其作用是當(dāng)閥門關(guān)閉后，將閥前聚集的LNG液體排入凝液收集系統(tǒng)，避免管道內(nèi)液體的集聚造成局部氣化。而調(diào)節(jié)閥后的LNG液體則通過管道坡度流入泵體內(nèi)部，也避免了管道內(nèi)部積液。

泵入口管道內(nèi)的LNG液體為低壓LNG，管壁較薄，因此相對同口徑的高壓管線而言其管道柔性要好一些，但仍需考慮低溫工況下管道的自然補償，例如從總管接出時在管道軸向及水平方向分別走一小段“L”型，用以避免總管遇冷形變時對分支管道產(chǎn)生的拉力將焊接部位撕裂。

對泵嘴的保護主要考慮將不同工況下管道形變傳遞到泵嘴上的力降到最低。根據(jù)經(jīng)驗可以從三方面考慮：一是通過自然補償?shù)姆绞?，即在接近泵體處設(shè)置一小段“π”型補償器；二是將距泵嘴最近的支架安裝成彈簧用以吸收泵體在不同工況中產(chǎn)生的上下位移；三是在入口線較長段水平管道上選取合適的位置設(shè)置固定支架，作用是阻隔支架兩端管道形變的相互影響。

3.2.2 泵出口管道設(shè)計

泵出口管道的壓力較高，根據(jù)工藝流程要求，LNG液體經(jīng)高壓泵升壓后輸送至氣化器。出口線經(jīng)一個孔板流量計、雙止回閥、一個調(diào)節(jié)閥和一個手動切斷閥后接入總管(見圖3)。工藝流程要求最后一個切斷閥的位置要盡量靠近管道匯管處。為滿足工藝要求，同時考慮閥門的檢修操作，最終將此閥門放于管橋外側(cè)，并盡量靠近管橋側(cè)梁，且在其旁側(cè)設(shè)置檢修平臺。泵出口管道的排凝設(shè)置在雙止回閥后盡量靠近閥體處，作用同樣是當(dāng)閥門關(guān)閉后，將集聚在管道內(nèi)的LNG液體送入排凝系統(tǒng)。

泵出口線由于壓力升高，管壁相應(yīng)加厚，在管道柔性設(shè)計方面應(yīng)設(shè)置足夠的補償點。具體措施可以從以下幾點考慮：在泵體前端設(shè)置“π”型補償器來吸收管道的軸向位移；管線從泵嘴接出后，通過設(shè)置一段立管來減小泵體與管道垂直位移不一致時對泵嘴受力的影響；管道接入總管前在水平方向上通過改變走向來避免管道形變造成接縫處的撕裂；通過在較長段水平管道上選取合適的位置設(shè)置固定支架，來阻隔支架兩端管道形變的相互影響。

3.2.3 泵放空管道設(shè)計

圖4 LNG高壓泵放空管道軸測圖

泵放空管道的布置方式見圖4。根據(jù)工藝流程要求，泵放空管道經(jīng)一道切斷閥后匯入總管，繼而接入再冷凝器。為保護管嘴，放空線接出后同樣設(shè)置“π”型補償器以增強管道柔性。

由于放空氣體延管道上升時會夾帶少量LNG液體，為使液體快速回流至泵體內(nèi)，應(yīng)在放空管道水平段設(shè)置一定的坡度。坡度的具體數(shù)值可根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商及工藝要求綜合確定。另外，根據(jù)工藝要求，放空總管最低點的標高應(yīng)高于再冷凝器的高高液位。

3.2.4 泵回流管道設(shè)計

泵回流線要求從泵出口線上方引出，經(jīng)一個切斷閥、一個止回閥及兩個調(diào)節(jié)閥接入總管，回流至再冷凝器(見圖3)?？紤]到LNG管道局部上U會使得LNG氣化并集聚氣體，因此回流管道引出后步步高經(jīng)管橋側(cè)梁接入總管，閥門設(shè)置于平臺上便于支撐和操作檢修。由于泵回流管道上閥門相對較多，因此盡量將閥門布置的緊湊些，但也要預(yù)留足夠的直管段以保證支架的安裝。

3.2.5 泵保冷循環(huán)管道設(shè)計

根據(jù)工藝流程要求，泵的保冷循環(huán)線從泵出口線上雙止回閥后接出，經(jīng)兩道切斷閥及一個限流孔板后接入總管，進而輸送至氣化器。同回流線一樣，在管道設(shè)計中亦不能存在局部上U。保冷循環(huán)線的口徑一般較小，閥門數(shù)量少，管道設(shè)計在滿足工藝要求的前提下，方便進行操作檢修即可。

3.2.6 泵排凝管道設(shè)計

LNG高壓泵的排凝管道根據(jù)壓力不同分為兩類：低壓排凝管道和高壓排凝管道。其中低壓排凝管道主要收集泵體和泵入口管道中的凝液，而后排入工藝處理設(shè)施單元內(nèi)低壓排凝系統(tǒng)；而高壓排凝管道主要收集泵出口管道和保冷循環(huán)管道中的凝液，而后排入工藝處理設(shè)施單元內(nèi)高壓排凝系統(tǒng)。每條排凝管道第一個切斷閥應(yīng)盡量靠近主管根部，且接出點應(yīng)靠近主管閥門，從而盡量減少死區(qū)。為了使管道中收集的凝液迅速進入排凝系統(tǒng)防止氣化，除泵體本身的排凝管道外，其他排凝管道應(yīng)從主管底部接出，并設(shè)置一定的坡度且步步低接入排凝總管。管道柔性方面同樣需考慮排凝支管在接入總管前通過設(shè)置“L”型來滿足，避免因總管位移過大將支管焊接處撕裂，造成泄漏。

3.2.7 泵氮氣密封管道設(shè)計

由于高壓泵電機的接線盒是防爆的，為防止LNG沿電纜泄漏到接線盒而遇到電火花產(chǎn)生爆炸，要對屏蔽電機的外接電力系統(tǒng)進行密封和保護，通常的做法是在外接電纜和接線盒之間設(shè)置氮氣密封保護系統(tǒng)，作用是阻斷LNG可能進入電機接線盒的通道[5]。氮氣接入時應(yīng)在閥前將管道材質(zhì)變?yōu)榈蜏夭讳P鋼，以防止LNG經(jīng)管道泄漏而造成事故的發(fā)生。

3.2.8 氮氣吹掃管道設(shè)計

接收站LNG管道一個明顯的特點就是閥門兩端設(shè)置的氮氣吹掃線較多，氮氣吹掃的目的是在停工檢修時將管路里殘存的LNG吹凈，從而避免大量氣化造成危險。同常規(guī)煉油裝置不同，LNG管道氮氣吹掃通常以整套閥組的形式出現(xiàn)，一條管路上的切斷閥較多，其作用是避免LNG由吹掃管路泄漏，另外根部吹掃閥也應(yīng)選用低溫不銹鋼以增強其安全性。

氮氣吹掃線按管道壓力分為高壓和低壓兩種，其區(qū)別為低壓吹掃線上低溫不銹鋼切斷閥只有一個，而高壓線上均為雙閥。基于吹掃閥組較為密集的特點和在接入點就近布置的要求，如何將眾多的氮氣吹掃合理布置便成為高壓泵管道布置中的又一個難點。

4 結(jié)束語

LNG高壓泵的平面布置要充分考慮工藝管道的口徑、管道柔性、閥門操作檢修和氮氣吹掃閥組所需空間等因素。高壓泵基礎(chǔ)高度的選擇要綜合考慮整個排凝系統(tǒng)的布置方案，其中排凝總管、分支管道的標高以及泵嘴相對于基礎(chǔ)的高差影響較大。高壓泵的管道布置首先要滿足工藝流程要求，特別注意入口管道的坡度要求、出口管道最后一道切斷閥要靠近匯管布置的要求、放空管道切斷閥布置在泵頂部平臺的要求、回流管道從出口管道上方引出的要求等。LNG高壓泵閥門兩端的氮氣吹掃閥組數(shù)量較多，要充分考慮閥門的檢修操作空間和布置方案的合理性。