LNG接收站中高压泵的布置与管道设计

刘家桢

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

作为一种清洁、高效的优质能源，在“双碳”目标背景下，天然气在改善大气环境、优化能源结构等方面具有较大的优势。液化天然气(LNG)接收站是用于接卸并储存外贸过程中运输的LNG的场所，高压外输泵是重要的增压设施，与下游生产生活等活动的供气稳定性息息相关。高压外输泵属于立式潜液泵，采用立式、电动、恒定转速离心泵，安装在专用的立式泵罐内。

本文综合近年来开工建设及投产的LNG接收站，以各接收站中的高压泵设计为例，对高压泵及其附属管道的布置与设计进行总结，以期对后续的工程设计提供一定的帮助。

1 高压泵装置区的平面布置

1.1 基本要求

首先，在布局上高压泵应当按符合工艺流程顺序的原则进行布置。目前，大部分的接收站里处理BOG都是采用再液化的工艺，站内设有低压压缩机以及再冷凝器。再冷凝器在该工艺中还兼有高压泵入口缓冲装置的功能。因此，根据两者的紧密性，一般是将再冷凝器与高压泵就近布置。

其次，设计过程中需将多台高压泵设备集中布置。考虑到远期扩建需求，目前接收站内高压泵规划数量能够达到8～9台以上。

再次，接收站内的高压泵一般露天布置，且为了保证泵的检维修作业能够正常进行，泵上方留有充足的空间。泵的入口管道往往设有过滤装置，在考虑高压泵的基础高度时，需能够满足过滤装置正常抽芯作业要求。

最后，高压泵处理液化天然气时存在泄漏的风险，在考虑总体布置时，需设有配套的泄漏收集措施，即在装置区内设置收集沟，并接入集液池。集液池的位置和大小应当按照GB 50183—2004 《石油天然气工程设计防火规范》的规定考虑。

1.2 装置布局方式分类

高压泵的装置布局有两种不同的分类方式：一种是按设备的安装高度来区分；一种是按设备管口方位来区分。按照设备安装高度，可区分为埋地式和框架式，这是由工艺选择决定的[1]；按照设备的管口方位来区分，可区分为并排式和对称式，这种更多和管道布置有关。

埋地式布置是通过设置泵井的方式，将高压泵的大部分结构放置于地面以下。常规做法是在地面设置泵井，泵井顶沿略高于地面，泵井同时具备支撑设备和阻挡雨水的作用。高压泵支耳放置在泵井顶沿上，设备重心一般在地坪高度上下。框架式布置一般通过设置结构框架的方式，将高压泵支撑在结构框架上。管道操作平台与设备基础平台联合布置，便于运营人员的巡检、操作及设备的检维修作业。

并排式即将高压泵同排布置，所有高压泵的布置中，管口的朝向、连接管道的走向、阀门的操作方位均一致。对称式则为两两一组，每两台高压泵的管口朝向、附属管道的走向以及管道上阀门的操作方位均沿中轴线呈镜像对称布置。

两种不同的分类方式配合采用，两两组合，共有四种不同的布置方案，即埋地并排式、框架并排式、埋地对称式和框架对称式。其中由于框架对称式占地较多，造价高，实际应用的项目案例较少。下面对前三种进行简要介绍。

1.2.1 埋地并排式

如前所述，这种布置方式通过设置泵井，所有泵的管口朝向以及管道走向均一致。如图1所示，平台采用联合平台，且一般仅用于管道布置，联合平台与设备泵井互不干涉，独立布置。平台宽度相对较小，框架层数为1～2层，平台高度整体较低，便于人员上下攀爬，投资也相对较低。

图1 埋地并排式布置示例

1.2.2 埋地对称式

埋地对称式也是采用设置泵井的方式。高压泵两台一组，其附属管道呈镜像对称的方式分布。如图2所示，联合平台与设备泵井基础互不干涉、独立布置，高压泵附属的工艺管道集中布置在联合平台上。平台宽度相对较小，为便于阀门操作，一般考虑设置相互连通的局部平台。

图2 埋地对称式布置示例

1.2.3 框架并排式

这种布置方式是将高压泵布置于支撑框架结构上。支撑框架和管道操作平台联合布置。设备周围设巡检通道，设备的巡检通道与附属管道的巡检通道连通。如图3所示，平台宽度一般相对较大。

图3 框架并排式布置实例

也可采用折叠管道的方式，在立面不同高度上设置操作面，可缩减平台宽度，优先保证满足无袋形管道的布置空间需求，对布置要求不太严格的管道采取高低错层布置，管道存在袋形的位置设置排净放空点。

目前还有一种发展中的布局方式是考虑将高压泵放置于泵井内，但其附属管道与管汇管廊统筹考虑降低标高，敷设在地面上的支撑基础上，通过设置局部跨步的方式，满足人员通行和阀门操作的需求。此种理念可大大降低结构框架的成本，有效节约了建设投资。

2 高压泵的管道设计要点

在高压泵管道设计中，主要考虑的是管道内介质的泄漏[2]、易燃易爆以及介质的低温特性等方面的要求。

在满足工艺流程要求的前提下，管道布置要尽量紧凑，另外还要考虑阀门的操作与检修。高压泵附属管道上的吹扫、排净和放空等支管管路和需要现场操作的阀门较多，一般会考虑将进出口管道及高压回流管道布置于操作平台上。安全阀相关管道集中布置于更高的顶层局部平台，或集中布置于临近的管廊顶部。

在设计中应当尽量减少法兰式连接，避免其泄漏。介质的操作温度一般为-160 ℃，管道的柔性设计是布置过程中考量的一大重点[3]。液化烃管道上通过设置自然补偿的方式，来降低管道系统内的应力水平。

高压泵的相关管道主要有低压进口管道，高压出口管道、高压泵回流管道以及放空管道等。

2.1 高压泵的进口管道

LNG入口总管自再冷凝器底部步步低接入高压泵装置区。每台泵的入口管道自总管的底部引出，高压泵的入口管道不得存在袋形并带有一定的坡度，更利于介质的流动。进口管道上设有切断阀门和过滤器等管件。过滤器可采用T型过滤器，也可采用SRT型过滤器。

除个别情况外，一般高压泵进口均高于支撑耳座。运行工况下，泵壳收缩，管口有向下的位移。入口管道一般设置自然补偿器，在靠近设备进口处需设置弹簧支架，以满足管口许用荷载和位移的要求，避免刚性支撑破坏设备管口。

2.2 高压泵的LNG出口管道

LNG经高压泵增压后，经管廊总管传输至气化器装置。出口管道上设有止回阀、流量调节阀和切断阀门等，并按照步步高接入汇总管道的方式布置为佳。如不能实现，管道上也可出现低点，只是需注意设置排净口。高压泵出口管道的布置还需满足在线计量装置前后直管段长度的要求、阀门操作要求及支路管道的布置操作要求。供货厂家不同，在线计量装置前后直管段的长度要求不同。另外，有的轴流式止回阀也会有前后直管段要求。

由于管道压力较高，管道壁厚值较大，布置过程中尤其要注意柔性设计。在运行工况下，出口管道管口也有向下的位移，可考虑在高压泵出口处设置弹簧支架，并且通过设置自然补偿的方式，满足管口许用荷载和位移的要求，避免破坏设备管口。

2.3 高压泵的LNG回流管道

LNG回流管道自出口管道接出后返输至再冷凝器，设有流量调节阀和切断阀。有些工艺方案在回流管道上也设置止回阀，降低高压泵进出口管道的压力波动，提高了系统的稳定性。

高压回流管道可以与高压LNG出口管道在同一高度平行布置，也可将回流管道与出口管道错层布置。但高差不宜过大，在两根管道间设置操作通道或平台，为两根管道上阀门的同层操作使用。回流管道应能保证从接出点步步高接入管廊上的总管，乃至步步高接入再冷凝器，避免出现袋形。

该管线的压力值等参数同出口管道，布置过程中需保证该管道有足够的柔性，在设计过程中与出口管道作为一个整体管系进行应力分析。

2.4 高压泵的放空管道

放空管道用于将高压泵中吸热产生的气体及时排出，减小泵内液位的波动。其上设有切断阀门、超压保护装置和气液分离装置。根据工艺要求不同，气液分离装置有不同的安装位置。

放空管道自高压泵的管口引出至再冷凝器的顶端，布置时应当保证管道步步高，不能出现液袋或是气袋。因此，当气液分离装置设置于泵壳放空口附近时，需设置平台，满足阀门操作需求。汇总管道应尽量高，保证不低于再冷凝器的高高液位。

当气液分离装置设置在再冷凝器框架上时，放空管道可与进出口管道布置于同一平台，管廊上的汇总管道无需架高布置，且不得高于再冷凝器的低低液位；放空管道上的安全阀可与高压泵进出口管道上的安全阀统一布置。

根据布置方式的不同，管道内介质的形态以气体为主(如第一种架高敷设)，也可能以液体为主(如第二种平台敷设)。两种情况下均为低温管道，应当结合柔性分析进行设计。

3 附属管道的柔性设计对比

目前高压泵附属管道的典型布置方式可分为两种。下面对两种布置方式进行描述，并对比其柔性设计方式，能够发现其核心逻辑是一致的。

3.1 高压泵的进口管道

高压泵的入口自泵筒的侧面引出，高压泵入口的常规设计如图4左侧所示，自管廊引出口水平接入设备。管道接入前，需将其标高调整至与设备管口等高。管道可沿平台和地面敷设，并保有一定的坡度。这种设计方案中入口总管与设备管口间距离较远，通过在管道中心位置设置固定点，将管道分为两部分，固定点一般与管口在同一高度。自总管至固定点采用L型或Z型补偿，自固定点至设备入口设置π型补偿。为保证设备入口的垂直移动，管道在入口处设置弹簧支架。

图4 进口管道柔性设计典型图

如图4右侧所示，为另外一种设计思路。该设计方案中，将高压泵架高布置，并将高压泵入口总管靠近高压泵布置，设备入口管道自总管底部引出降至与设备入口等高，然后经过不等臂的自然补偿接入设备，管道保有一定坡度。管道上不再设置固定点，而是通过设置导向架的方式，保证接入直管段与设备管口同轴，避免管道径向应力作用于管口。管口处同样需要设置弹簧支架，用于分担管口垂直荷载。

3.2 高压泵的出口管道

高压泵的出口自泵的顶盖上引出后调整为水平方向，高压泵出口的常规设计如图5左侧所示。自高压泵出口引出后接入管廊总管。出口管道(包括回流管道)与进口管道走向相同，可平行设置。为满足管道柔性，管道上设置2处固定支架，将出口管道分为3个部分。管道自设备出口接出后，沿水平方向敷设。随后设置水平π型补偿，补偿后即设固定支架，固定支架尽量靠近设备，可有效简化两者间管道走向，易于调整管口应力水平。自三通后接入平台上方，此段直管段相对较长，需在中间位置设置固定支架，两处固定支架为Z型结构，并只设置承重支架，让管道自由滑动，提高管道的柔性设计。第二个固定支架到管廊接入点间的管道也是Z型结构，通过在管廊底部设置与总管同向的直管段，可有效降低接入点的应力水平。

图5 出口管道柔性设计典型图

如图5右侧所示，为另一种设计方案。此方案中同样采用自然补偿用于吸收管道形变位移，降低管道应力水平，但为节省装置占地空间，采取了立式自然补偿。在该方案中，出口管道自设备管口引出后沿管口朝向敷设，水平管道设计弹簧支架。随后通过立管调整至地面敷设，布置了出口的控制阀门等管件后再次上翻至高处，接入管廊底部，管道整体走向为一个立式回形针样式。在地面管道靠近设备处设置止推管架，用于隔断管道轴向变形，并降低了设备管口处管道变形量及管口水平荷载。第二段架高管道中间位置设置固定支架，止推支架与固定支架间管道为L型补偿，固定支架至管廊接入点间管道也为L型补偿。

4 结论

(1)高压泵区域的设计是一个系统性的工作，需兼顾多方面的要求，既要满足工艺要求，也要做到安全可靠，经济合理，并能够满足操作和检维修的需要；

(2)高压泵区域的布局方式有多种形式，可根据工艺的要求确定其支撑方式，然后根据总图上用地规模及业主操作习惯选择合理的布局方式；

(3)低温管道的柔性设计是管道布置中的重点，需结合设备厂家提供的管口许用荷载，合理设置管道上的固定支架，对其进行分段研究设计，避免因支架设置不合理给设备带来损害。