提高LNG接收站仪表空气可靠性的措施

陈双武(中海福建天然气有限责任公司，福建 莆田 351100)

0 引言

LNG接收站运行中，仪表空气主要作为现场气动阀门的驱动气源。在实际生产过程中，仪表空压机出现多次故障停车，当仪表空气压力持续降低，达到连锁设定值时，会造成全场紧急停车，将会给接收站带来巨大的损失。同时由于接收站扩容气动阀门随着增加，在进行气动阀门测试和操作时，仪表空气用量增大明显，造成仪表空气压力较低或者空压机长时间连续运行异常跳车风险增大。为了增加仪表空压机故障时应急时间和阀门测试工作的正常进行，保证接收站平稳运行，通过氮气补充仪表空气或对现有仪表空气系统流程进行改造，可提升仪表空气系统稳定性。

1 接收站仪表空气流程概述

1.1 仪表风(空气)简介

在LNG接收站公用工程区，空气经压缩机加压后，得到压力在0.8～0.9 MPa的压缩空气并储存在湿气罐中，压缩空气有两个用途，一个是经过干燥塔处理后使其露点低于-60 ℃，通过干气罐缓冲，进入仪表空气管网，供现场所有气动阀门驱动使用，称为仪表风。一个不经过干燥直接输入空气管网，用于现场管道设备空气吹扫，称为工厂风。在紧急停车保护系统中设置有仪表风压力低低连锁，当触发该连锁时，全厂设备将执行紧急停车保护，相应事故关阀门将关闭，若监控不到位，可能造成管道憋压。

1.2 氮气系统简介

LNG接收站氮气系统有两个气源：一个是外购液氮，储存至液氮储罐，气化后进入氮气管网；另一个是膜制氮设备，空气通过高分子膜分离出氮气，经过干燥塔处理后露点下降至-70 ℃以下，输送到氮气管网。氮气无色、无味、无毒，属于惰性气体，化学性质较稳定，只有在高温、高压或催化剂作用下能发生化学反应。在接收站中，氮气用于BOG压缩机负荷调节和氮封、火炬供氮防止回火、卸料臂和气相返回臂的回转接头氮封、检维修时管线或设备的吹扫、高、低压泵仪表电缆穿线管和电源电缆穿线管氮封等。另外，在流程及工况具备时，氮气可补充到仪表空气管网中以实现后者的功能[1]。

1.3 仪表风风量

根据仪表空压机的设计参数得知，仪表空压机设计量为456 m3/h。为了维持接收站的正常生产运行，仪表空压机正常操作压力为850 kPa，最低输出压力为600 kPa，维持时间30 min。

依据《石油化工仪表供气设计规范》中的公式为：

式中：V为贮气罐容积(m3)；Qd为标准状态下气源装置设计容积(m3/h)；T为维持时间(min)；P1为正常操作压力(kPa)，约为最高操作压力；P2为最低输出压力(kPa)；P0为大气压强，通常为P0=101.33 kPa。

通过计算，仪表缓冲罐的理论容积为82.5 m3，而目前福建LNG接收站仪表缓冲罐有两个，实际容积为11.5 m3+52.2 m3=63.7 m3，在满足设计的要求下，紧急情况下仍不能满足下游用量。

2 工艺流程改造

2.1 氮气管网与仪表空气冗余跨接

在用量满足的情况下，氮气在紧急情况下可代替仪表空气，在工艺上需进行变更。现从氮气系统后引一路气源接至给仪表空气管路上，作为仪表空气的紧急备用气源供气，设置供气调节阀14PV0005，并增加一个止逆阀，防止仪表空气倒输进入氮气管网。公用工程区仪表空气压缩机故障导致仪表空气压力过低时，自动切换为氮气系统紧急供气，保证装置安全、稳定的连续生产。改造后的工作原理如图 1所示。

图1 改造后的仪表空气流程图

氮气管网压力为0.85 MPa，比正常仪表空气0.80 MPa高，满足控制阀对气源压力的要求，为防止仪表空气和氮气互相串气，在氮气后给仪表缓冲罐供气管路上加有一止逆阀，在14PV0005 调节阀前、后增加的手切阀，便于日常检查，故障检修及其他意外情况。当仪表缓冲罐入口压力＜0.7 MPa 时，14PV0005 调节阀正常开启，空分气源通过仪表供气管道给仪表缓冲罐补充气源，保证其他装置仪表空气的正常供给；当仪表空气压缩机恢复正常供气，气源压力＞0.8 MPa 时，14PV0005 切断阀自动关闭，恢复至正常供气状态。

2.2 氮气的风险及预防措施

空气中氮气含量过高，使吸入气氧分压下降，引起缺氧窒息。吸入氮气浓度不太高时，患者最初感胸闷、气短、疲软无力；继而有烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳，称之为“氮酩酊”，可进入昏睡或昏迷状态。吸入高浓度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。为避免窒息的发生，操作人员必须站在上风向进行操作。根据工艺流程及现场实际情况对氮气供应仪表空气系统进行风险辨识，并针对性地制定管控措施，具体如表1所示[2]。

表1 氮气供应仪表空气系统风险辨识及管控措施

2.3 仪表缓冲罐并联

接收站仪表空气系统目前有两个干气缓冲罐，由图可以看出两个缓冲罐串联在一起，且干气罐A(11.5 m3)明显小于干气罐B(52.5 m3)，当下游仪表空气用量过大时，将大大减少缓冲罐B的利用率。若如图2 A线所示，增加干气罐B直接外输，关闭V1阀，使仪表缓冲罐并联，提高紧急情况下仪表空气维持时间。

图2 仪表空压机作为膜制氮空气源流程图

2.4 增加仪表空气缓冲罐

当现场某区域需要大量用到仪表风或氮气时，为保持气源的稳定性，增加缓冲罐是一个有效可行的选择，例如实际运用中的新增槽车站仪表风及氮气缓冲罐。通过前面计算可知，公用工程区仪表空气缓冲罐实际容积比理论容积偏少，且接收站来船前需要进行码头ESD测试和储罐HV阀测试，测试过程中开关阀门需要大量的仪表空气，会造成仪表空气管网压力不断降低。建议在码头与储罐间加装一个仪表空气缓冲罐(约20 m3)，不仅能够满足码头和储罐的相关作业，而且在应急情况下尽快地对现场异常关闭的阀门进行复位打开。

3 仪表空压机作为膜制氮空气源

根据设备使用年限及设备使用台账记录，福建LNG接收站膜制氮压缩机老化较为严重，故障率较高，另一方面经过二期扩容，仪表空压机备用率较高，建议在仪表空气压缩机出口增加与膜制氮压缩机出口跨接管线，当膜制氮压缩机故障时，可通过流程设置仪表空压机替代膜制氮压缩机，作为膜组空气源产生进而氮气，达到提高氮气系统作为仪表空气系统补充气源可靠性的目的：

方式一：关闭仪表空压机C出口到湿气罐手阀V2，打开导淋阀V1，通过仪表空压机C为膜制氮提供空气源。优点是膜制氮系统和仪表空气系统互不影响，且使用膜制氮可降低液氮用量，节约成本。缺点是仪表空压机备用率降低，目前仪表空压机A仍存在故障；

方式二：打开仪表空压机C出口到湿气罐手阀V2和导淋阀V1，通过仪表空压机A/C或B/C同时给仪表系统和膜制氮系统提供空气源。优点是通过三个缓冲罐可减少仪表空压机启停，增加空压机使用寿命。缺点是膜制氮系统和仪表空气系统相互影响，降低仪表空气可靠性。

4 仪表空气系统优化后预计运行效果

仪表空气系统是接收站安全运行最重要的系统之一。文章通过对仪表空气系统工艺流程进行梳理、现场核对以及仪表风风量进行设计核算，得出仪表空压机异常跳车、仪表风临时用量陡增、缓冲罐能力不足是影响仪表风系统运行安全稳定的主要因素。通过采取缓冲罐并联、氮气系统跨接、优化膜制氮运行流程的措施，在发生仪表空气压缩机故障事故时，氮气系统气源能及时自动投入运行，且仪表空气缓冲罐并联可增加维持时间，极大降低了仪表空气压缩机故障跳车或现场大量需要仪表空气的作业导致仪表空气压力下降的风险，提升了接收站仪表空气系统安全可靠性能[3]。