LNG接收站火炬管网系统设计比较

仇德朋徐国锋 鹿晓斌 陈景生 曲顺利

中海油山东化学工程有限责任公司 济南250101

1 LNG接收站简述

1.1 LNG资源［1］

液化天然气(LNG)是一种特殊商品。该产业技术含量高，投资大，联系紧密，合同关系复杂，具有显著的链系特征，通常称为LNG产业链。该产业链包括上游气田开发、天然气液化、LNG运输、LNG接收站和输气管线及各燃气用户等环节，环环相扣，紧密相连。

上游气田开发、天然气液化工厂的建设时间长、投资大。从LNG接收站到各燃气用户，涉及到国民经济的许多领域，与国计民生息息相关，建设投资也十分庞大，而且LNG的供应也有较严格的要求，不允许天然气供应有任何一次意外的中断。因此，LNG产业链的各个环节都必须安全、可靠、紧密、稳定地运行。

1.2 LNG接收站［2］

接收站的功能是接卸由LNG船舶运来的LNG并储存在LNG储罐内，再经高压泵加压气化后通过输气管线外输或直接利用低压泵将LNG通过槽车外运，供下游用户使用。

目前LNG接收站技术已相当成熟，LNG接收站设计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接收站主要由以下系统组成。

1.2.1 卸船系统(低压系统)

LNG接收站卸船工艺系统采用一根液相总管(100%能力)、一根气相平衡总管线和一根LNG循环保冷管线的设计。无卸船时，通过LNG循环管线以小流量循环来保持卸船总管处于低温状态。该设计已有长时间安全、可靠运行的记录，与双总管设计比较，单总管可节约投资。

通常设计要求完成卸料作业的时间不超过30h，最大卸船时，三台液体卸船臂同时工作。

1.2.2 LNG储罐(低压系统)

通常LNG储罐选用安全、可靠的全容式混凝土顶储罐(FCCR)。全容式混凝土顶储罐的最大操作压力比金属顶储罐高。在卸船操作时，可利用罐内蒸发气自身压力将气体直接返回到LNG运输船上，而无需设置返回气风机进行加压。

1.2.3 蒸发气(BOG)处理(低压系统)

蒸发气的产生主要是由于外界能量的输入造成，如泵运转、外界热量的导入。大气压的变化以及LNG注入储罐时造成罐内LNG体积的变化也是产生蒸发气的原因。在卸船操作时蒸发气的产生量是无卸船操作时的数倍。

按照LNG接收站对蒸发气的处理方式的不同，接收站气化工艺分为两种:直接输出工艺和再冷凝工艺。两种工艺并无本质上的区别，仅在蒸发气体的处理上有所不同。

1.2.4 LNG高压输送、气化及计量(高压系统)

正常情况下，LNG从再冷凝器直接进LNG高压输送泵，加压后输送至高压气化器。高压输送泵通常为潜液式电动多级泵，泵与电动机整体安装于泵筒内，泵筒相当于泵的外壳，通过进出口法兰与外部管道连接。

高压输送泵是输送系统中的重要设备，启动台数根据接收站的外输气量来确定。LNG高压输送泵外输流量可通过泵出口管线即气化器入口的流量调节阀进行控制，也可根据外输天然气总管的压力变化自动控制，保证外输天然气总管中的压力稳定。

1.2.5 火炬及放空系统(低压系统)

火炬系统用于处理蒸发气总管超压排放的气体，以及下游输气管需检修时管道中残留的高压气体。当同时发生因接收站事故需将蒸发气排至火炬的情况和因外输管线检修需将残存的高压天然气排火炬的情况时，应优先将蒸发气总管中的气体排至火炬，防止接收站蒸发气超压事故发生。

为防止空气进火炬及连接火炬的总管，应连续向火炬头通入低流量氮气，以维持系统微正压。

以下着重介绍火炬管网系统，主要针对国内通常采用的两种不同的工艺进行比较，并分析各自的优缺点。

2 LNG接收站火炬系统

2.1 火炬系统作用［3］

LNG接收站的火炬系统主要由火炬管网、火炬筒体、火炬头、火炬分液罐等组成。其中的管网系统为整个火炬系统中重要组成部分之一。管网系统的设计直接关系到火炬系统运行的稳定性、安全性，进而会间接影响到所有接入管网系统安全阀的运行情况。同时，由于火炬系统也直接与LNG储罐相连，一旦储罐超压(通常设定26kPa(G))，则需要自动打开压力调节阀，泄放的气体就会进入火炬系统放空燃烧。如果火炬需要检修，则需要储罐自身调节压力，利用调节阀可以手动或自动泄压排放至大气。

如果接收站外输管网需要检修，则需要放空外输管道内的气体，接收站至首站之间的封闭高压气体需要放空。通常首站会设置紧急放空筒，但是有些项目需要接收站的火炬系统也要能够实现相同功能的紧急放空，利用火炬燃烧排入大气。因此，设计火炬管网系统时需要根据项目情况酌情考虑。

综上所述，火炬系统关系到整个接收站的安全，同时也可以作为外输管道系统的备用紧急放空系统，其作用至关重要。

2.2 火炬系统分类［4］

按照运行压力可以分为低压火炬和高压火炬。按照结构型式可分为地面火炬和高空火炬。目前LNG接收站主要采用低压高空火炬，由于其高架式的结构，所以在设计火炬塔架结构时需要充分考虑风、地震等荷载的影响。同时需要按照API 521规范进行详细的热辐射影响计算。

2.3 火炬系统辅助设施［4］

除火炬系统的主要设备外，其它的一些辅助设施也会影响火炬系统的稳定运行，比如:氮气微正压吹扫(防止从火炬头进入空气而发生回火)、长明灯所需燃料气的供应等。通常此部分设计差别不大，只是有的项目设置备用气源，有的只是单气源设置。

2.4 火炬管网系统［5］

火炬管网主要是汇集所有安全阀/泄放阀的出口，同时也与LNG接收站中的BOG系统相连通。根据不同的泄放工况设计火炬系统的汇总管。需要在各种组合工况下分析校正管网系统的设计，达到满足泄放量、介质流速、噪声等要求。

对于LNG接收站而言，火炬管网系统中可能出现气相，也有可能出现液相。因为TSV(Thermal Safety Valve)起跳过程中可能会带有液相，而且一旦TSV泄漏(据报道国外某接收站曾发生)，则火炬管网中会出现大量带液。在这种情况下火炬管网的设计(增加液位监测等)就尤为重要。

LNG接收站中也存在高压的泄放(高压泵、高压气化器或者直接泄放排空、高压计量撬等)，这些相对高压的泄放是否足够影响到其他低压安全阀的泄放，都需要在管网设计中进行分析。合理安排高压泄放与低压泄放的距离，就能够在相对经济的条件下避免相互泄放造成的影响，确保整个管网的稳定运行。

在如今火炬设备成套整体供应的情况下，火炬设备制造相对成熟(火炬头主要进口)，各个供货商之间差别不大，那么对整个火炬系统起到关键作用的就是火炬管网的设计。

3 LNG接收站不同火炬管网设计分析

目前国内接收站的火炬管网系统设置主要分为两种:火炬管网－1和火炬管网－2，具体系统分别见图1和图2。这两种系统虽然目的相同，但是设计理念存在较大的差异，下面就这两种设置进行分析。

图1 火炬管网系统－1

图2 火炬管网系统－2

3.1 火炬管网－1

此系统最大的特点是高压泄放汇管与低压泄放汇管分别设置，即图1中的高压泄放总管和低压泄放总管。这种设置看似互不影响各自的泄放，但在进入火炬分液罐前，两个泄放汇管又汇合在一起，这就需要在管网设计中考虑在汇合点处的压力，分析是否互相产生影响。如果分别设置高低压火炬则完全避免相互的影响，但成本高出许多。而且目前世界范围看也无此种设置。

由于分为高低压泄放汇管，同时每个汇管上也有其它的支汇管，每个(支)汇管的末端都设有盲法兰。根据标准要求，需要在可能出现死角的火炬系统中设置持续的氮气吹扫。因此，该设置需要增加多个氮气吹扫口，氮气消耗量相对增加。同时，由于存在众多的(支)汇管，需要在各个(支)汇管的低点设置液位计实时监控报警(LT－Level Transmitters)，及时发现火炬管网系统中是否存在液相。

LNG接收站的火炬系统是经由火炬压力调节阀自动打开之后泄放。根据图1，压力调节阀设置在火炬分液罐的上游。一旦火炬系统带有液体泄放(火炬压力调节阀设定26kPa(G))，两相流体进火炬分液罐后压力无法准确界定，无法准确设计分液罐尺寸，可能不利于液滴的分离。同时，进火炬头燃烧的气体可能存在回火的情况。

管网另外一个重要的特点就是ORV泄放(110%ORV处理量)进火炬管网系统，此泄放量巨大(通常约200t/h)，泄放压力很高(14MPa(G))，对整个火炬系统设置、投资等会有很大的影响。而且，如果泄放气体为重组分(C1约86%)，经过巨大压降之后极有可能产生两相流，而两相流对于火炬管网影响也较大。这会对BOG系统火炬压力调节阀的开启(调节阀后背压)产生重要影响，一旦ORV安全阀起跳，需要密切分析是否可能有气体倒回至LNG储罐。

这种设置的BOG压缩机入口管道连接在火炬压力调节阀的上游，降低了进BOG压缩机带液的可能性，对选用卧式BOG压缩机的项目尤为重要。即使出现TSV泄漏的事故，也可以做到几乎不影响BOG压缩机的正常运行。

火炬泄放汇管与BOG系统相对独立(正常情况下火炬压力调节阀关闭)，一旦火炬检维修(可能主要是火炬头)，接收站所有的安全阀就无法正常使用，即火炬系统无法正常运行。如果项目许可，则可设置同等规模的放空筒(至放空筒)作为火炬检维修时的备用，但是会增加投资。

此种设置要求整个火炬系统的(支)总管必须按照ORV泄放量去计算，相对而言，整个管网系统的管径就会偏大。而在泄放量较低的工况下，其他(几乎所有)泄放量较小安全阀的背压都会大幅度下降，因此几乎所有的其它安全阀都可以选择弹簧型式，这样每个安全阀的可靠性就能得到保证。

在本管网系统中，安全阀的排入系统与储罐区BOG系统相互独立(火炬压力调节阀正常关闭)。一旦某一个泄放量较小的安全阀起跳(TSV等)，排入火炬系统的可燃气体流量非常小、流速也很低，增加了火炬头回火的可能性。

3.2 火炬管网－2

与火炬管网－1相比，此设计并未单独设置高低压泄放汇管，需要更仔细的分析核算各个安全阀之间的相互关系和影响。

由于并未设置众多的(支)汇管，因此氮气吹扫口仅设置一处，氮气耗量相对较低。同时，可不考虑设置各个(支)汇管低点的液位监测。

火炬压力调节阀设置在火炬分液罐的上游，利于分液，同时降低回火可能性。

ORV较大泄放量直接排入大气，降低两相流对火炬管网系统的影响，同时也不存在倒回LNG储罐的可能。但是可能会对空气环境产生影响。目前国内接收站此安全阀从未起跳过。

BOG压缩机入口管道与安全阀出口汇总管共用一个总管，势必增加BOG压缩机入口带液的可能性。因此需设置BOG压缩机入口分液罐，这样会增加投资。

火炬检维修时，不会影响安全阀的正常运行。这种情况下，安全阀的出口汇管系统与LNG储罐组成为一个“新系统”，完全可以利用LNG储罐压力调节阀(手动或自动)控制此“新系统”的压力，而不需设置备用的放空筒。既能保证接收站在此工况下正常运行，也无新增投资。

这种管网系统下火炬的设计泄放量要降低许多(通常80t/h)，与火炬管网－1相比，此系统的管径相对较小。但是可能会有安全阀背压过大的情况发生，这就需要选用波纹管式或者先导式的安全阀。这样选择会降低安全阀的可靠性，因为毕竟弹簧式安全阀性能要比波纹管式或者先导式的安全阀更稳定可靠。

本系统中，安全阀排入系统与整个罐区的BOG系统为一个整体，互相连通。即便有小排量的安全阀起跳，也不会立刻就排往火炬燃烧，而是由火炬压力调节阀自动控制(通常设定储罐压力26kPa(G)时才打开此阀)。因此，只要火炬排放就能保证有较大流量的可燃气体通过，降低了回火的可能性，也达到了节能减排的目的。

3.3 汇总分析

根据以上分析，两种火炬管网系统的设计分析对比见表1。

表1 两种火炬管网系统的比较

4 结语

综上所述，两种火炬管网系统的设置各有优缺点。火炬管网－1的设置投资较大，可靠性较好。但只要安全阀(排量大或排量小)起跳，必定有可燃气体排往火炬燃烧，不利于节能减排;火炬管网－2的设置投资相对较小，操作灵活，但管网设计会相对降低安全阀的可靠性(可能有些要选用非弹簧式安全阀)，同时泄放量较大的安全阀(来自ORV)一旦排入大气，对环境会有影响，与日益重视环保的意识不相符。

两种火炬系统的设置都可行可靠，并不是非黑即白，需要设计方及业主从多方面(安全、投资、运行、节能等)进行考虑，选择适合自己项目要求的火炬管网系统。

1 李猷嘉.液化天然气(LNG)及其应用［J］.城市燃气，2003/4(Vol.338).

2 杜光能.LNG终端接收站工艺及设备 ［J］.天然气工业，1999，19(5):82－86.

3 曹文胜等.液化天然气接收终端及其相关技术 ［J］.天然气工业，2006，26(1):112－115.

4 刘书华.高架火炬与地面火炬的比较 ［J］.化工设计，2012，22(3):28－30.

5 李长富等.火炬排放管网系统设计［J］.化工设计，2009，19(3):27－29.