林梓榮 汪雙鳳 傅書訓(xùn)

(1.佛山市公用事業(yè)控股有限公司 廣東佛山 528000； 2.華南理工大學(xué) 廣州 510641；3.佛山市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東佛山 528000)

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷升級(jí)發(fā)展，各類地下管線的鋪設(shè)或更新頻率逐漸加大，地下天然氣管網(wǎng)遇到臨時(shí)停氣的情況也不斷增多，如第三方破壞、新舊管線連接、管線維修維護(hù)等。目前城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)對(duì)停氣作業(yè)的臨時(shí)保供措施一般是采用小型液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱LNG)氣化瓶或小型撬裝LNG氣化裝置進(jìn)行臨時(shí)供氣[1]。其不足之處在于，臨時(shí)氣化裝置容積小、供氣能力有限，且管線布置受限，緊湊設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的應(yīng)力集中容易存在安全運(yùn)行隱患[2-3]，僅適用于少數(shù)用氣量較小的客戶，不適用于大范圍的停氣保供。因此探索一種供氣規(guī)模更大的小型應(yīng)急氣化站應(yīng)對(duì)大范圍停氣保供是城鎮(zhèn)燃?xì)獍踩\(yùn)行的必要措施。然而臨時(shí)應(yīng)急保供需求概率越高的城市建成區(qū)，建設(shè)用地就越緊張，還需滿足安全、環(huán)保、消防、規(guī)劃、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等要求[4]，常規(guī)的LNG氣化站實(shí)施難度非常大。為解決該業(yè)界難題，創(chuàng)新提出利用城市內(nèi)已建成的LNG加氣站，通過工藝改造、設(shè)施設(shè)備增加，實(shí)現(xiàn)小型應(yīng)急氣化站功能。

1 關(guān)于LNG加氣站改造的選擇

要對(duì)城市內(nèi)已建成的LNG加氣站進(jìn)行新增應(yīng)急氣化功能改造，首先需對(duì)如下條件進(jìn)行評(píng)估：

(1)是否具有與市政天然氣管網(wǎng)連通的條件。假如LNG加氣站周邊沒有天然氣管網(wǎng)，或LNG加氣站與天然氣管網(wǎng)之間難以連通，則該類LNG加氣站不具備改造條件；而LNG加氣站原來具有天然氣管網(wǎng)回收BOG功能的，則應(yīng)該優(yōu)先考慮作為改造對(duì)象。

(2)LNG加氣站內(nèi)是否有足夠的空間放置新設(shè)備。由于改造增加應(yīng)急氣化功能屬于臨時(shí)附屬功能，不改變LNG加氣站的原有工藝和屬性，因此實(shí)施改造前需參照《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(GB 50156—2012)對(duì)加氣站內(nèi)新增氣化器和調(diào)壓、計(jì)量及加臭裝置的防火間距進(jìn)行核對(duì)[5]，如表1所示。

表1 新增設(shè)施的站內(nèi)防火間距要求 m

注：該表只列出常規(guī)以LNG作為氣源的加氣站站內(nèi)設(shè)施，其中一、二、三級(jí)站包括LNG加氣站和LNG與其他加油加氣的合建站，站房的起算點(diǎn)應(yīng)為門窗等洞口， “空白”表示無防火間距要求。

(3)考慮LNG加氣站周邊的環(huán)境情況[6-7]。應(yīng)急氣化供氣時(shí)，如采用空溫式氣化器，由于與周邊空氣進(jìn)行換熱，所以容易形成大量的冷凝氣霧，氣霧的擴(kuò)散會(huì)影響周邊環(huán)境，因此實(shí)施改造的LNG加氣站工藝區(qū)應(yīng)遠(yuǎn)離重要的公共設(shè)施/場(chǎng)所，如道路、橋梁、居民居住區(qū)等。

(4)在不影響加氣站運(yùn)營(yíng)下，是否有足夠的LNG存量隨時(shí)進(jìn)行應(yīng)急供氣。因此改造需選擇罐容量較大，或LNG槽車配送效率高的加氣站。

2 LNG加氣站增加應(yīng)急氣化功能的工藝分析

以LNG和L-CNG加氣合建站作為典型LNG加氣站的工藝流程進(jìn)行分析，要實(shí)現(xiàn)增加應(yīng)急氣化功能，而最大程度下不影響原LNG加氣站的工藝，關(guān)鍵問題是選擇LNG氣源的出液口，其中可選的位置主要包括潛液泵的進(jìn)液管處、柱塞泵的進(jìn)液管處以及潛液泵的出液管處。而出液口的選擇應(yīng)綜合考慮以下因素：

(1)加氣站正常運(yùn)營(yíng)情況下，LNG和CNG的供應(yīng)量比例。若日常LNG的供應(yīng)量大于CNG的供應(yīng)量，則可以優(yōu)先考慮在柱塞泵的進(jìn)液管處設(shè)置出液口；若日常CNG的供應(yīng)量大于LNG的供應(yīng)量，則可以優(yōu)先考慮在潛液泵的進(jìn)液管處設(shè)置出液口。

(2)應(yīng)急氣化供氣的能力需求。正常情況下，LNG儲(chǔ)罐的出液管管徑為DN50，按正常運(yùn)行壓力下，估算管道內(nèi)LNG的流速約為1 m/s，氣化能力約為4 000 Nm3/h。如應(yīng)急供氣能力要求大于4 000 Nm3/h，則可以考慮在潛液泵的出液管處設(shè)置出液口，以獲得更大的LNG流量。

(3)LNG加氣站內(nèi)工藝管道的結(jié)構(gòu)形式。為方便施工及減少對(duì)原工藝管道的影響，出液口的設(shè)置位置應(yīng)優(yōu)先考慮在非真空結(jié)構(gòu)的保溫鋼管處。

為不同出液口位置設(shè)置的LNG和L-CNG加氣合建站應(yīng)急氣化系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)如圖1所示。為使得新增加的應(yīng)急氣化供應(yīng)流程最大程度下不影響原LNG加氣站的工藝，在氣化、過濾、調(diào)壓、計(jì)量的工藝前設(shè)置遠(yuǎn)程控制的分隔機(jī)構(gòu)。當(dāng)需要實(shí)施應(yīng)急供氣時(shí)，分隔機(jī)構(gòu)閥門打開；當(dāng)加氣站儲(chǔ)罐的液位過低或?qū)ν鈿饣獾臏囟冗^低時(shí)，分隔機(jī)構(gòu)閥門關(guān)閉。而同時(shí)加氣站的CNG和LNG加注工藝沒有發(fā)生變化，可以按原控制流程實(shí)施汽車加注服務(wù)。

以供氣能力為2 500 Nm3/h為例，按圖1中的工藝流程設(shè)計(jì)，主要設(shè)備包括3 000 Nm3/h 空溫式氣化器 2臺(tái)(1用1備)，調(diào)壓計(jì)量撬1套(4 000 Nm3/h的過濾器和調(diào)壓器，3 000 Nm3/h流量計(jì))，技術(shù)參數(shù)如表2所示。在工藝管道配置方面，調(diào)壓器前的燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，工作壓力為0.4～1.2 MPa；調(diào)壓器后的燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力為0.46 MPa，工作壓力為0.40 MPa； 氣化器前設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃，氣化器后設(shè)計(jì)溫度為-5～40 ℃。在安全放散系統(tǒng)設(shè)定方面，LNG低溫管道安全閥的開啟設(shè)定壓力為1.38 MPa；LNG低溫管道安全閥的回座壓力為1.08 MPa；常溫管道安全閥的開啟設(shè)定壓力為1.38 MPa(調(diào)壓前)/0.44 MPa (調(diào)壓后)；常溫管道安全閥的回座壓力為1.08 MPa(調(diào)壓前)/0.36 MPa (調(diào)壓后)。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析及安全措施

常規(guī)的LNG氣化站需參照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2006)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其與《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》的要求差異主要在于LNG卸車點(diǎn)、放散管、儲(chǔ)罐的站內(nèi)防火間距及站外的安全間距有所不同。而探索原有LNG加氣站通過工藝改造和設(shè)施設(shè)備新增來實(shí)現(xiàn)應(yīng)急氣化功能的技術(shù)方案實(shí)施可參照《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》執(zhí)行，主要從以下幾方面風(fēng)險(xiǎn)分析來考慮：

(1)原放散管可滿足安全放散要求。因?yàn)長(zhǎng)NG加氣站的儲(chǔ)罐容量沒有發(fā)生變化，而儲(chǔ)罐出液至新增的氣化器的LNG工藝管道的長(zhǎng)度有限，且管徑與加氣站內(nèi)原液相管相同，即整個(gè)系統(tǒng)新增可能需要緊急放散的LNG容量與原系統(tǒng)相比沒有發(fā)生較大變化。

(2)LNG的卸車頻次增加不大。以供氣能力為2 500 Nm3/h為例，1臺(tái)50 m3的槽車的卸車量約20 t LNG，以1 t LNG=1 400 Nm3天然氣計(jì)算，要滿足1 d的應(yīng)急供氣，則需在原LNG加氣站供氣量的基礎(chǔ)上增加2臺(tái)槽車的卸車量，即加氣站每天的卸車次數(shù)增加至3次。而由于加氣站的卸車系統(tǒng)可采用潛液泵裝載儲(chǔ)罐，每次卸車周期只需2～3 h，所以新增應(yīng)急氣化工藝后，即使需要進(jìn)行應(yīng)急氣化，LNG的卸車操作時(shí)間也不長(zhǎng)。

(3)能對(duì)應(yīng)急氣化所產(chǎn)生的冷凝氣霧進(jìn)行影響范圍控制。如不采取控制防治措施，冷凝氣霧將不斷對(duì)外擴(kuò)散，影響加氣站區(qū)域內(nèi)操作視野，也對(duì)周邊群眾帶來不良的情緒。目前常用的除霧方案包括以下幾種：

(a)出液口設(shè)置在柱塞泵進(jìn)液管處

(b)出液口設(shè)置在潛液泵的出液管和進(jìn)液管處圖1 LNG和L-CNG加氣合建站應(yīng)急氣化系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)

表2 供氣能力為2 500 Nm3/h應(yīng)急氣化系統(tǒng)主要設(shè)備

①方案一：采用水浴或電熱式氣化器替代空溫式氣化器。該措施除霧效果好，但能耗要求高。以供氣能力為Q=2 500 Nm3/h的電熱式加熱器為例，功率約為70 kW。而對(duì)于常規(guī)LNG和L-CNG加氣合建站，設(shè)計(jì)流量為8～340 L/min的LNG潛液泵和設(shè)計(jì)流量為1 500 L/h的LNG柱塞泵所需的功率不到35 kW。即能耗增加1倍，且可能涉及加氣站供電系統(tǒng)的升級(jí)，投資和運(yùn)行費(fèi)用都大。

②方案二：采用氣霧液化裝置，即使用強(qiáng)力離心風(fēng)機(jī)將水霧集中抽送至換熱器內(nèi)液化成水(該裝置一般為廠家根據(jù)用戶具體要求訂制，屬于組裝)。該措施除霧效果較好，投資適中，但因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)需要啟用強(qiáng)力風(fēng)機(jī)，能耗大。

③方案三：采取風(fēng)扇驅(qū)逐，即使用風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)將氣霧吹散至站外集中排放。該方法僅適用于加氣站周邊較為空曠、無明顯的障礙物阻擋的條件。同時(shí)為防止站外氣霧倒流至站內(nèi)，風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)后還需設(shè)置一條較長(zhǎng)的風(fēng)管將氣霧引至遠(yuǎn)離氣站的地方排放。該除霧措施效果一般，投資較小，運(yùn)行時(shí)需要啟用強(qiáng)力風(fēng)機(jī)，能耗中等。

④方案四：采取站內(nèi)隔離，即采用實(shí)體隔板等材料將氣化區(qū)域四周圍蔽，將氣霧控制在圍蔽區(qū)域內(nèi)而不向外擴(kuò)散，圍蔽區(qū)域內(nèi)的氣霧不做處理，同時(shí)配合相應(yīng)的操作、巡檢制度、應(yīng)急處置措施等，雖除霧效果一般，但氣霧擴(kuò)散受控。該措施投資小，基本無能耗。

綜上方案對(duì)比如表3所示，在氣化設(shè)計(jì)能力相對(duì)較小，且臨時(shí)應(yīng)急氣化功能緊作為L(zhǎng)NG加氣站的附屬功能的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用站內(nèi)隔離方案。圖2所示為一個(gè)增加應(yīng)急氣化功能的試點(diǎn)加氣站，LNG氣化過程與周邊空氣進(jìn)行熱交換所產(chǎn)生的冷凝氣霧，在重力作用下被局部隔離機(jī)構(gòu)圍蔽起來，并向引導(dǎo)的方向進(jìn)行擴(kuò)散，而卸車區(qū)、加氣區(qū)等完全沒有受到氣霧影響，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可控。

表3 氣霧處置方案評(píng)價(jià)

(a)未進(jìn)行圍板隔離氣霧前

(b)進(jìn)行圍板隔離氣霧后圖2 LNG和L-CNG加氣合建站氣化應(yīng)急供氣時(shí)采用圍板隔離氣霧的現(xiàn)場(chǎng)效果

4 結(jié)語

為解決城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)需要臨時(shí)應(yīng)急供氣的難題，創(chuàng)新提出利用現(xiàn)有LNG加氣站進(jìn)行工藝改造和設(shè)施設(shè)備增加實(shí)現(xiàn)應(yīng)急氣化功能的技術(shù)方案并探索其可行性。

(1)加氣站是否適合進(jìn)行增加應(yīng)急氣化功能的改造需綜合考慮與天然氣管網(wǎng)連通的條件、站內(nèi)的空間、周邊環(huán)境的敏感性以及罐容等情況。

(2)以LNG和L-CNG加氣合建站的工藝流程為例，分析設(shè)置不同出液口位置的適用情況，設(shè)計(jì)出不同出液口設(shè)置的工藝流程，并列出供氣能力為2 500 Nm3/h應(yīng)急氣化系統(tǒng)的主要設(shè)備和安全技術(shù)參數(shù)。

(3)基于原放散系統(tǒng)的適用性、所增加的卸車頻次有限、氣化冷凝氣霧影響可控等分析，指出實(shí)施LNG加氣站的應(yīng)急氣化改造可參照《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》執(zhí)行。

(4)通過對(duì)比提出站內(nèi)隔離方案對(duì)冷凝氣霧的控制的經(jīng)濟(jì)性效果最好，并通過試點(diǎn)驗(yàn)證。

(5)鑒于該技術(shù)方案主要是解決城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的臨時(shí)應(yīng)急供氣問題，建議實(shí)施改造的LNG加氣站應(yīng)屬于有臨時(shí)應(yīng)急供氣責(zé)任的城鎮(zhèn)燃?xì)夤?。只有同步?fù)責(zé)應(yīng)急供氣和通知用戶的城鎮(zhèn)燃?xì)夤静趴梢宰畲蟪潭壤蒙显摷夹g(shù)方案的優(yōu)勢(shì)而降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。