LNG加气站管道预冷装置研发与应用

张 鹏, 戴 航, 王 娜, 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

目前,全国各地LNG加气站建设呈现高速发展趋势,截至2022年底,全国已建成LNG加气站逾5 000座。预冷是LNG加气站投产过程中最为关键且风险最高的环节。目前,LNG加气站工艺管道预冷介质主要为经济性、稳定性好的液氮,采用液氮槽车进行预冷。该预冷方式作业程序复杂,且存在液氮调配难、预冷成本高、手动操作不规范、安全风险大、预冷温度和压力无法实时监测、自动化程度低、预冷质量不高等突出问题,给LNG加气站后期安全运行带来一定风险[1-2]。针对上述问题,本文研制出一种LNG加气站管道预冷装置(简称预冷装置,实物见图1)。

图1 新型LNG加气站管道预冷装置实物

2 LNG加气站管道预冷装置

2.1 结构

预冷装置主要包括控制柜、填充液氮的预冷泵池、设置在预冷泵池中的低温潜液泵,以及用于连接预冷泵池和待预冷管道的液相管路、回流管路。液相管路、回流管路通过金属软管、专用连接器连接待预冷管道。预冷泵池上设置有连通外部的放散管路。预冷泵池出入口、回流管路和液相管路上均设置有截止阀。回流管路和液相管路(靠近待预冷管道的一端)以及专用连接器上均设置温度传感器和压力传感器。

2.2 预冷方法

2.2.1与待预冷管道的连接

本装置与待预冷管道的连接方式为管道直连。当待预冷管道比较长时,为实时监测待预冷管道的状况,保证预冷质量,待预冷管道中间使用专用连接器连接。

预冷装置完成液氮充装,液氮预冷装置液相管路出口用第1金属软管与待预冷管道进口连接;液氮预冷装置回流管路进口用第2金属软管与待预冷管道出口连接;专用连接器的入口通过第3金属软管与待预冷管道的中间出口连接,专用连接器的出口通过第4金属软管与待预冷管道的中间入口连接,形成预冷回路。

2.2.2预冷过程

① 第1步:打开低温潜液泵、放散阀(图2中未画出)、液相管路的第2手动截止阀和回流管路的第4手动截止阀、第2电动阀、第3手动截止阀,打开并调节预冷泵池出口的第1手动截止阀、第1电动阀,将液氮的流速控制在4～6 m/s。液氮进入待预冷管道再经过回流管路返回预冷泵池,完成一次循环。然后关闭低温潜液泵,通过温度传感器、压力传感器现场读取或通过控制柜读取管路温度、压力。

图2 预冷装置进行LNG加气站管道预冷的工艺流程

② 第2步:重复第1步多次,直至回流管路上的温度传感器读数降至-51 ℃。

③ 第3步:调节预冷泵池出口的第1手动截止阀,将液氮的流速控制在18～22 m/s,当液氮完成一次循环后,关闭低温潜液泵,观察管路温度、压力。

④ 第4步:重复第3步多次,直至回流管路上的温度传感器读数降至-162 ℃,关闭低温潜液泵,停止循环。

⑤ 第5步:当液相管路的压力传感器的读数为0时,关闭放散阀,使得预冷泵池和待预冷管道之间形成密闭回路,打开低温潜液泵控制液氮在密闭回路中循环30 min,流速为5 m/s,待温度稳定后,关闭低温潜液泵,完成预冷。

2.2.3预冷过程中的监控

通过温度传感器、压力传感器实时监测预冷过程中的温度、压力,可以在控制柜的显示屏上读取。当温度、压力出现异常时,控制柜控制潜液泵停止工作,也可通过第1急停按钮、第2急停按钮人工控制潜液泵停止工作。

2.2.4预冷后清理

预冷完毕,通过放散管路对待预冷管道内的液氮进行放散,拆除金属软管、专用连接器,清理现场。

2.3 预冷效果

采用预冷装置预冷,通过分阶段合理控制液氮流速,使待预冷管道逐步冷却,提高了预冷过程的稳定性。预冷装置已取得国家实用新型专利[3]和外观设计专利[4-5],并荣获陕西省科技工作者创新创业大赛一等奖、2022年度中国创新方法大赛二等奖。

3 预冷装置优点

① 创新性。预冷装置集多检测手段、多安全设施于一体,可提升管道预冷作业的安全性和可靠性,实现预冷作业全过程控制。

② 实用性。预冷装置的预冷效率高、准备时间短、应用广,实际运行参数达到设计指标。

③ 安全性。预冷装置设置实时数据监控、数据通信、数据处理、安全报警联锁和紧急停车等功能。控制集成度高,劳动强度降低,安全系数较高。

4 经济性分析

某公司有LNG加气站若干座,对于新建或改造的加气站,需要进行预冷。该公司拥有1套预冷装置,预冷装置除自用外,还可以对外租赁。对使用该预冷装置进行经济性分析,相关基础数据见表1。

表1 经济性分析的相关基础数据

根据表1数据计算得知,从静态分析来看,使用预冷装置的总投资收益率为27.71%,大于行业基准投资收益率(为8%);静态投资回收期较短,仅为3.6 a;从动态分析来看,财务净现值为82.47×104元,大于0。分析结果说明,使用预冷装置的技术方案在经济上可行。