LNG加气站工艺管沟积水解决方案

杨卫涛，白佳飞

(陕西燃气集团交通能源发展有限公司，陕西 西安 710016)

1 概述

近年来，全国各地LNG加气站呈现高速发展趋势，截至2020年逾4 800座，有力地保障了LNG车辆的燃料加注。由于早期建设和设计经验不足，在LNG管道管沟排水设计方面出现较多技术细节问题。特别是在我国南方地区和北方雨水较多区域，LNG加气站因雨水、积雪、地表及地下渗水造成工艺管沟和防护堤内积水难以排出，产生管沟内结霜结冰现象，给LNG加气站安全运行带来风险[1-2]。防护堤为露天敞开设计，雨雪天气易造成防护堤内积水，并且防护堤内为易燃易爆低温场所，液化天然气温度为-162 ℃，遇到常温水产生天然气蒸气云，造成运行安全风险，因此需及时排出防护堤内积水。此外，应关注LNG管道保冷的有效性[3]。

2 LNG管道保冷方式及管沟积水形式

目前大部分LNG管道采用的保冷材料一旦浸水就会失效，所以防止LNG管道管沟积水尤为重要。管沟进水后难以排出，积水将造成LNG管道保冷材料损坏，工艺管道保冷失效见图1。

图1 工艺管道保冷失效

LNG加气站加气区的工艺管道采用管沟敷设，且均进行保冷处理。管沟为钢筋混凝土结构，在管沟内壁做防水处理[4]，预防管沟积水，但由于部分地区地下水位高、管沟盖板密封质量及管沟内壁防水效果差等原因，管沟积水现象普遍存在。

2.1 工艺管道保冷方式

① 采用LNG真空管道

LNG真空管道保冷效果好，但存在以下缺点。

a.LNG真空管道使用2 a后，一般出现真空度下降，保冷失效，真空管道外壁出现大量凝结水，BOG量明显上升。需定期对真空管道现场抽真空，维护难度和费用较高[5]。

b.LNG真空管道内设有波纹管补偿段，当LNG加气站非连续加气时，将出现升温和预冷交替的工况，易造成波纹管补偿段疲劳开裂，使LNG从抽空阀处喷出，存在较大安全隐患。如果更换损坏的真空管道，需要重新定制，更换时必须从始端拆到损坏的管段，然后再按反向顺序进行安装，费时费力。出现此类故障后，LNG加气站必须停运，造成较大经济损失[6]。

c.供货期长。LNG真空管道需要定制，且在生产车间内抽真空，制造时间较长，供货期长，一般30 d以上，影响LNG加气站运营。

d.维修工作量大。真空管道有2种连接方式，法兰连接和焊接连接。法兰连接时间长易漏气，焊接连接当真空管道需更换时，必须对所有管道置换后再进行动火更换，维修工作量较大。

② 采用304不锈钢管道外包保冷材料

采用304不锈钢管道外包高性能保冷材料的方式，虽保冷效果不如真空管道，但规避了LNG真空管道的缺点，能够满足加气站生产运行需要，优点是施工简单快速、成本低、维护简单、使用安全，缺点是对保冷材料要求较高。

经对2种保冷方式对比，采用304不锈钢管道外包保冷材料方式更适合地下LNG工艺管道。因此，如何解决工艺管道管沟积水是影响LNG加气站管道安全运行的关键[7]。

2.2 管沟积水形式

① 地表渗水

LNG管道管沟地表渗水多出现在南方地区，此地区气候湿润、多雨，地表水多从混凝土伸缩缝、管沟通风孔进入管沟。

② 地下渗水

地下渗水多出现在地下水位较高位置，针对此种情况，目前的防水材料不能达到相关要求，地下水渗入管沟，形成积水。

③ 水蒸气冷凝

LNG加气站加气作业时，LNG温度约为-150 ℃，工艺管道外表面温度很低，空气中的水蒸气凝结，形成的水滴积存于管沟内部。长此以往，将在管沟内积水。

3 管沟积水解决方案研究

3.1 研究目标

研究目标：实现管沟和防护堤内积水远程自动化排水[8]，避免管沟内管道保冷失效、结冰，提高LNG加气站安全运行可靠性，避免修复管道保冷结构发生改造费用，促进LNG加气站经济效益的提升。

3.2 利用TRIZ理论的因果链分析[9]

确定研究的关键点为改进防爆泵功能[10]、实现自动化控制、改变积液池结构、提升安全可靠性。利用TRIZ理论(发明问题解决理论)的因果链分析，设计一种LNG加气站积液池装置。

3.3 利用TRIZ理论确定研发方案

利用TRIZ理论中的技术矛盾、物理矛盾、物-场模型3种方法进行研究论证[9]，设计一种LNG加气站积液池装置[11](简称积液池装置)，见图2。积液池装置主要由防护堤积液池、管沟积液池、管道泵、潜液泵、智能控制柜、管道及其他附属设施组成。LNG加气站积液池装置运行过程如下。

① 管沟积液池积水排出过程

当管沟积液池1内积水达到一定水位时，管沟积液池1内的液位传感器3感知，通过智能控制柜控制双输出轴防爆电机4启动，并切换为管道泵模式，第1离合器5分离，第2离合器7吸合，带动管道泵8开始工作。管沟积液池1内的积水依次经管道泵进水管10、管道泵8、管道泵排水管11、总排水管9排出，直至管沟积液池1内水位降低至低水位后，自动停止。

② 防护堤积液池积水排出过程

当防护堤积液池2内积水达到一定水位时，防护堤积液池2内的液位传感器3感知，通过智能控制柜控制双输出轴防爆电机4启动并切换为潜液泵模式，第2离合器7分离，第1离合器5吸合，带动潜液泵6开始工作。防护堤积液池2内的积水依次经潜液泵6、潜液泵排水管12、总排水管9排出，直至防护堤积液池2内水位降低至低水位后，自动停止。

③ 管沟积液池与防护堤积液池积水排出过程

当管沟积液池1、防护堤积液池2内积水同时达到一定水位时，管沟积液池1内的液位传感器3和防护堤积液池2内的液位传感器3同时感知，通过智能控制柜控制双输出轴防爆电机4启动并切换为双泵模式，第1离合器5和第2离合器7均吸合，带动管道泵8和潜液泵6同时工作，直至将管沟积液池1、防护堤积液池2内水位降低至低水位后，自动停止。

④ 双输出轴防爆电机工作特点

双输出轴防爆电机4可根据水位高低调整工作频率，水位较高时工作频率高，排水量大；水位较低时工作频率低，排水量小。

⑤ 注水管工作过程

当管道泵进水管10内无水时，管道泵8无法正常工作。此时，通过智能控制柜控制双输出轴防爆电机4启动并切换为潜液泵模式，第2离合器7分离，第1离合器5吸合，带动潜液泵6工作，同时控制潜液泵6出口与注水管14入口之间的潜液泵互锁电磁阀打开，潜液泵6出口与潜液泵排水管12入口之间的潜液泵互锁电磁阀关闭。防护堤积液池2内的积水依次经潜液泵6、注水管14进入管道泵进水管10。由于管道泵进水管10入口处设置有单向阀18，管内积水不会流入管沟积液池1，管道泵进水管10逐渐被注满。当注水管14内压力达到一定值时，压力传感器17感知，注水作业停止，潜液泵6出口与注水管14入口之间的潜液泵互锁电磁阀关闭。

⑥ 循环管工作过程

当温度传感器19感知环境温度较低时，为了防止管道泵进水管10发生结冰，通过智能控制柜控制双输出轴防爆电机4启动并切换为管道泵模式，第1离合器5分离，第2离合器7吸合，带动管道泵8工作，同时控制管道泵8出口与循环管13入口之间的管道泵互锁电磁阀打开，管道泵8出口与管道泵排水管11入口之间的管道泵互锁电磁阀关闭。管沟积液池1内的积水依次经管道泵进水管10、管道泵8、循环管13回流至管沟积液池1。积水不断循环流动，防止结冰。

⑦ 燃气报警单元工作过程

燃气报警单元23用于探测燃气体积分数，并在发生燃气泄漏时进行报警。智能控制柜可根据燃气报警单元23的探测信号控制双输出轴防爆电机4停止工作。

图2 LNG加气站积液池装置1.管沟积液池 2.防护堤积液池 3.液位传感器 4.双输出轴防爆电机 5.第1离合器 6.潜液泵 7.第2离合器 8.管道泵 9.总排水管 10.管道泵进水管 11.管道泵排水管 12.潜液泵排水管 13.循环管 14.注水管 15.管道泵互锁电磁阀组 16.潜液泵互锁电磁阀组 17.压力传感器 18.单向阀 19.温度传感器 20.潜液泵保护罩 21.保护罩进水孔 22.过滤网 23.燃气报警单元 24.传动轴

4 方案经济性分析

以某LNG加气站为例进行经济性分析。积液池装置的设备费为40×104元，运行年限为10 a。设备维护费0.2×104元/a，电费0.3×104元/a。按照改造一次费用为40×104元，如果不使用该装置，每10 a改造3次工艺管道保冷结构，费用共为120×104元。使用该装置后，平均每年节省费用12×104元，即每年收入12×104元。

① 静态分析

a.总投资收益率

总投资收益率表示项目总投资的赢利水平，按下式[12]计算：

(1)

式中RROI——总投资收益率

AEBIT──运营期内每年的净收益，元/a，取11.5×104元/a

I──项目总投资，元，取40×104元

经计算，总投资收益率为28.75%。

b.静态投资回收期

方案静态投资回收期为项目总投资与运营期内每年净收益的比值。经计算，本项目单站的静态投资回收期为3.48 a。

② 动态分析

a.财务净现值

项目运营期内第1年净现金流为-28.5×104元,第2～10年净现金流均为11.5×104元。财务净现值计算式[12]为:

(2)

式中P──财务净现值，元

t——运营期，a

ΔCt──每年净现金流，元/a

i──行业基准投资收益率，取8%

经计算，本项目的财务净现值大于0，所以技术方案在经济上可行。

b.财务内部收益率

财务内部收益率实质是使项目在计算期内财务净现值等于0时，根据式(2)计算的投资收益率。经计算，财务内部收益率大于行业基准收益率8%，技术方案可行。

5 成果转化

LNG加气站积液池装置取得国家发明专利和实用新型专利[11]，并在陕南地区LNG加气站成功推广应用4台，运行效果良好，有效解决了LNG加气站工艺管沟积水和防护堤积水问题，提升了LNG加气站安全运行可靠性，促进LNG加气站运行效益提升。后续将同LNG加气站设备制造厂家协作，将该成果作为加气站设备的组成部分，探索产业化推广，更好地服务于行业健康安全发展。