2 LNG气化站工艺设计
2．1 设计决定项目的经济效益
当确定了项目的建设方案后，要采用适用的LNG供气流程、安全可靠地向用户供气、合理降低工程造价、提高项目的经济效益，关键在于工程设计[1]。据西方国家分析，不到建设工程全寿命费用1％的设计费对工程造价的影响度占75％以上，设计质量对整个建设工程的效益至关重要。
影响LNG气化站造价的主要因素有设备选型(根据供气规模、工艺流程等确定)、总图设计(总平面布置、占地面积、地形地貌、消防要求等)、自控方案(主要是仪表选型)。
通常，工程直接费约占项目总造价的70%，设备费又占工程直接费的48％～50％，设备费中主要是LNG储罐的费用。
2．2 气化站设计标准
至今我国尚无LNG的设计标准，在LNG气化站设计时，常采用的设计规范为：GB 50028—93《城镇燃气设计规范》(2002年版)、GBJ 16—87《建筑设计防火规范》(2001年版)、G183—2004《石油天然气工程设计防火规范》、美国NFPA—59A《液化天然气生产、储存和装卸标准》。其中GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》是由中石油参照和套用美国NFPA—59A标准起草的，许多内容和数据来自NFPA—59A标准。由于NF-PA—59A标准消防要求高，导致工程造**，目前难以在国内实施。目前国内LNG气化站设计基本参照GB 50028—93《城镇燃气设计规范》(2002年版)设计，实践安全可行。
2．3 LNG储罐的设计
储罐是LNG气化站的主要设备，占有较大的造价比例，应高度重视储罐设计。
2．3．1 LNG储罐结构设计
LNG储罐按结构形式可分为地下储罐、地上金属储罐和金属/预应力混凝土储罐3类。地上LNG储罐又分为金属子母储罐和金属单罐2种。金属子母储罐是由3只以上子罐并列组装在一个大型母罐(即外罐)之中，子罐通常为立式圆筒形，母罐为立式平底拱盖圆筒形。子母罐多用于天然气液化工厂。城市LNG气化站的储罐通常采用立式双层金属单罐，其内部结构类似于直立的暖瓶，内罐支撑于外罐上，内外罐之间是真空粉末绝热层。储罐容积有50m3和100m3，多采用100m3储罐。
对于100m3立式储罐，其内罐内径为3000mm，外罐内径为3200mm，罐体加支座总高度为17100mm，储罐几何容积为105．28m3。
2．3．2 设计压力与计算压力的确定
目前绝大部分100m3立式LNG储罐的*高工作压力为0．8MPa。按照GB 150—1998《钢制压力容器》的规定，当储罐的*高工作压力为0．8MPa时，可取设计压力为0．84MPa。储罐的充装系数为0．95，内罐充装LNG后的液柱净压力为0．062MPa，内外罐之间压力为5Pa，则内罐的计算压力为1．01MPa。
外罐的主要作用是以吊挂式或支撑式固定内罐与绝热材料，同时与内罐形成高真空绝热层。作用在外罐上的荷载主要为内罐和介质的重力荷载以及绝热层的真空负压。所以外罐为外压容器，设计压力为-0．1MPa。
2．3．3 100m3LNG储罐的选材
正常操作时LNG储罐的工作温度为-162．3℃，次投用前要用-196℃的液氮对储罐进行预冷[2、3]，则储罐的设计温度为-196℃。内罐既要承受介质的工作压力，又要承受LNG的低温，要求内罐材料必须具有良好的低温综合机械性能，尤其要具有良好的低温韧性，因此内罐材料采用0Crl8Ni9，相当于ASME(美国机械协会)标准的304。
根据内罐的计算压力和所选材料，内罐的计算厚度和设计厚度分别为11．1mm和12．0mm。作为常温外压容器，外罐材料选用低合金容器钢16MnR，其设计厚度为10．0mm。
2．3．4 接管设计
开设在储罐内罐上的接管口有：上进液口、下进液口、出液口、气相口、测满口、上液位计口、下液位计口、工艺人孔8个接管口。内罐上的接管材质都为0Cr18Ni9。
为便于定期测量真空度和抽真空，在外罐下封头上开设有抽真空口(抽完真空后该管口被封闭)。为防止真空失效和内罐介质漏入外罐，在外罐上封头设置防爆装置。
2．4 BOG缓冲罐
对于调峰型LNG气化站，为了回收非调峰期接卸槽车的余气和储罐中的BOG(Boil Off Gas，蒸发气体)，或对于天然气混气站为了均匀混气，常在BOG加热器的出口增设BOG缓冲罐，其容量按回收槽车余气量设置。
2．5 气化器、加热器选型设计
2．5．1 储罐增压气化器
按100m3的LNG储罐装满90m3的LNG后，在30min内将10m3气相空间的压力由卸车状态的0．4MPa升压至工作状态的0．6MPa进行计算。据计算结果，每台储罐选用1台气化量为200m3/h的空温式气化器为储罐增压，LNG进增压气化器的温度为-162．3℃，气态天然气出增压气化器的温度为-145℃。
设计多采用1台LNG储罐带1台增压气化器。也可多台储罐共用1台或1组气化器增压，通过阀门切换，可简化流程，减少设备，降低造价。
2．5．2 卸车增压气化器
由于LNG集装箱罐车上不配备增压装置，因此站内设置气化量为300m3/h的卸车增压气化器，将罐车压力增至0．6MPa。LNG进气化器温度为-162．3℃，气态天然气化器温度为-145℃。
2．5．3 BOG加热器
由于站内BOG发生量的是回收槽车卸车后的气相天然气，故BOG空温式加热器的设计能力按此进行计算，回收槽车卸车后的气相天然气的时间按30min计。以1台40m3的槽车压力从0．6MPa降至0．3MPa为例，计算出所需BOG空温式气化器的能力为240m3/h。一般根据气化站可同时接卸槽车的数量选用BOG空温式加热器。通常BOG加热器的加热能力为500～1000m3/h。在冬季使用水浴式天然气加热器时，将BOG用作热水锅炉的燃料，其余季节送入城市输配管网。
2．5．4 空温式气化器
空温式气化器是LNG气化站向城市供气的主要气化设施。气化器的气化能力按高峰小时用气量确定，并留有一定的余量，通常按高峰小时用气量的1．3～1．5倍确定。单台气化器的气化能力按2000m3/h计算，2～4台为一组，设计上配置2～3组，相互切换使用。
2．5．5 水浴式天然气加热器
当环境温度较低，空温式气化器出口气态天然气温度低于5℃时，在空温式气化器后串联水浴式天然气加热器，对气化后的天然气进行加热[5、6]。加热器的加热能力按高峰小时用气量的1．3～1．5倍确定。
2．5．6 安全放散气体(EAG)加热器
LNG是以甲烷为主的液态混合物，常压下的沸点温度为-161．5℃，常压下储存温度为-162．3℃，密度约430 kg/m3。当LNG气化为气态天然气时，其临界浮力温度为-107℃。当气态天然气温度**-107℃时，气态天然气比空气轻，将从泄漏处上升飘走。当气态天然气温度低于-107℃时，气态天然气比空气重，低温气态天然气会向下积聚，与空气形成可燃性。为了防止安全阀放空的低温气态天然气向下积聚形成爆炸性混合物，设置1台空温式安全放散气体加热器，放散气体先通过该加热器加热，使其密度小于空气，然后再引入高空放散。
EAG空温式加热器设备能力按100m3储罐的安全放散量进行计算。经计算，100m3储罐的安全放散量为500m3/h，设计中选择气化量为500m3/h的空温式加热器1台。进加热器气体温度取-145℃，出加热器气体温度取-15℃。
对于南方不设EAG加热装置的LNG气化站，为了防止安全阀起跳后放出的低温LNG气液混合物冷灼伤操作人员，应将单个安全阀放散管和储罐放散管接入集中放散总管放散。
2．6 调压、计量与加臭装置
根据LNG气化站的规模选择调压装置。通常设置2路调压装置，调压器选用带指挥器、**压切断的自力式调压器。
计量采用涡轮流量计。加臭剂采用四氢噻吩，加臭以隔膜式计量泵为动力，根据流量信号将加臭剂注入燃气管道中。
2．7 阀门与管材管件选型设计
2．7．1 阀门选型设计
工艺系统阀门应满足输送LNG的压力和流量要求，同时必须具备耐-196℃的低温性能。常用的LNG阀门主要有增压调节阀、减压调节阀、紧急切断阀、低温截止阀、安全阀、止回阀等。阀门材料为0Cr18Ni9。
2．7．2 管材、管件、法兰选型设计
①介质温度≤-20℃的管道采用输送流体用不锈钢无缝钢管(GB/T14976—2002)，材质为0Cr18Ni9。管件均采用材质为0crl8Ni9的无缝冲压管件(GB/T 12459—90)。法兰采用凹凸面长颈对焊钢制管法兰(HG 20592—97)，其材质为0Cr18Ni9。法兰密封垫片采用金属缠绕式垫片，材质为0crl8Ni9。紧固件采用双头螺柱、螺母，材质为0Crl8Ni9。
②介质温度>-20℃的工艺管道，当公称直径≤200 mm时，采用输送流体用无缝钢管(GB/T8163—1999)，材质为20号钢；当公称径>200mm时采用焊接钢管(GB/T 3041—2001)，材质为Q235B。管件均采用材质为20号钢的无缝冲压管件(GB/T 12459—90)。法兰采用凸面带颈对焊钢制管法兰(HG 20592—97)，材质为20号钢。法兰密封垫片采用柔性石墨复合垫片(HG 20629—97)。
LNG工艺管道安装除必要的法兰连接外，均采用焊接连接。低温工艺管道用聚氨酯绝热管托和复合聚乙烯绝热管壳进行绝热。碳素钢工艺管道作防腐处理。
2．7．3 冷收缩问题
LNG管道通常采用奥氏体不锈钢管，材质为0crl8Ni9，虽然其具有优异的低温机械性能，但冷收缩率高达0．003。站区LNG管道在常温下安装，在低温下运行，前后温差高达180℃，存在着较大的冷收缩量和温差应力，通常采用“门形”补偿装置补偿工艺管道的冷收缩。
2．8 工艺控制点的设置
LNG气化站的工艺控制系统包括站内工艺装置的运行参数采集和自动控制、远程控制、联锁控制和越限报警。控制点的设置包括以下内容：
①卸车进液总管压力；
②空温式气化器管压力与温度；
③水浴式天然气加热器管压力与温度；
④LNG储罐的液位、压力与报警联锁；
⑤BOG加热器压力；
⑥调压器后压力；
⑦出站流量；
⑧加臭机(自带仪表控制)。
2．9 消防设计
LNG气化站的消防设计根据CB 50028—93《城镇燃气设计规范》(2002年版)LPG部分进行。在LNG储罐周围设置围堰区，以保证将储罐发生事故时对周围设施造成的危害降低到*小程度。在LNG储罐上设置喷淋系统，喷淋强度为0．15 L/(s·m2)，喷淋用水量按着火储罐的全表面积计算，距着火储罐直径1．5倍范围内的相邻储罐按其表面积的50％计算。水用水量按GBJ 16—87《建筑设计防火规范》(2001年版)和GB 50028—93《城镇燃气设计规范》(2002年版)选取。
低温液体贮槽供气模式及基本要求：
根据使用场合和用户需求不同，低温液体贮槽的供气模式主要有高压气瓶充装,低温绝热气瓶分装，管网集中供气和低温液体喷淋供液等。
1
高压气瓶充装
由低温液体贮槽作为供气源，用于高压气瓶充装，适宜于众多分散零星气体用户需求，一般须由生产充装单位规范化实施。根据当前国家行政许可要求，充装单位须持有危险化学品**生产（储存）批准书、安全生产许可证和气瓶充装许可证，即"一书二证"，方可进行高压气瓶充装。在低温液体贮槽液体出口，配置低温液体泵和高压气化器，用高压充装系统，将高压气体充装进入气瓶内。在气瓶充装工艺流程中，必须设置管路低温和**压自动停车保护系统。当气化器口尚存在有低温液体或管路压力**过气瓶*高工作压力时，低温液体泵应自动停车，低温液体贮槽应停止供气，避免低温液体直接充装进入气瓶或气瓶充装**压造成爆炸。
2
低温绝热气瓶分装：
由低温液体贮槽液体出口，借助槽内贮存压力，直接将低温液体分装进入低温绝热气瓶等小容器内，可供相对立且较大用户使用。在低温绝热气瓶分装时，若气瓶上设有放空阀，应打开放空阀放空。分装时，操作人员应注意站立于侧面作业，且液体出口处或放空口不宜长久停留。在分装过程中，若管阀冻结，宜用70℃左右热水解冻，禁用电热烘烤或强行敲击。在分装场所，应保持空气畅通，避免低温液体或气体积聚。
3
管网集中供气：
由低温液体贮槽液体出口，配接低温液体低压气化器和终端管路调节系统，后接气体使用管网，可集中供应较大区域或较多用户使用。根据管网使用气量需求，确定气体使用压力后，经终端管路调节系统调节增压设定工作压力，并以自动恒定压力输出使用气体，满足区域集中用气要求。低温液体贮槽内的低温液体应始终保持一定存量，使其内容器确保处于低温状态，供气系统确保处于低压恒定运行工况。
4
低温液体喷淋供液：
利用低温液体贮槽，通过低温管路向外界物体直接现场供应低温液体（常用介质为液氮）喷淋，用于低温加工工艺（如低温粉碎、食品速冻等）。低温液体贮槽，配接低温液体喷淋系统，应尽量缩短两者之间的距离，以减少低温管路长度，降低低温冷量的损失。输送低温液体管道应有绝热保护措施和防潮处理结构，一般采用真空绝热管道或采用绝热效果较佳的聚氨脂类发泡材料外敷白铁皮管道连接。
低温储罐介绍
低温储罐是用于存放液态氧、氮、氩、二氧化碳等介质的立式或卧式双层真空绝热储槽,主要功能是充装、储存低温液体。对低温储罐的安全使用要求，应周全考虑气体危险特性、低温保护效果、周围环境状况、压力容器特性等，采取相应技术管理措施，确保安全运行。贮槽处于作业状况时，存在走漏、**压、爆炸等潜在危险，若不及时处理这些隐患，将会造成严重的后果。低温储罐的使用应严格执行《低温液体贮运设备使用安全规则》（JB/T 6898-2015），加强日常安全管理。
山东中杰股份有限公司低温液体储罐
低温液体储罐是储存液化天然气的产品，特种设备，三类压力容器，06Ni9DR材料，经过探伤，水压气压试验，技术监督局现场检验，出具压力容器检验证书，外部除锈喷漆等工艺制造完成。低温液体储罐对受压元件材质、外观尺寸和焊缝质量、运行质量、安装质量、内部装置及安全附件有着严格质量。
对罐体材料的常规理化检验如：力学性能和化学成分。
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