LNG接收站卸料管道專用隧道設計探討

摘 要

摘要：作為常規(guī)地面管架或棧橋管廊方案的替代，LNG接收站卸料管道專用隧道是一種全新的技術解決方案，具有許多獨特之處，為此，介紹了目前世界上僅有的兩條卸料管道專用隧道—&m
摘要：作為常規(guī)地面管架或棧橋管廊方案的替代，LNG接收站卸料管道專用隧道是一種全新的技術解決方案，具有許多獨特之處，為此，介紹了目前世界上僅有的兩條卸料管道專用隧道——美國Dominion Cove Point LNG接收站和日本東京瓦斯Ohgishima LNG接收站卸料管道專用隧道的情況，并以廣東省某地處于前期可行性研究階段的LNG項目為例，分析了國內第一條LNG卸料管道專用隧道工程的內部系統(tǒng)相關設計和研究情況，提出了該類型隧道內系統(tǒng)設計應著重考慮的設計特點：橫斷面的基本形狀；高等級安全性的保障；合適的操作和維護設施；連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的設置。該研究成果對更為廣泛的低溫管道專用隧道內部系統(tǒng)的設計和研究具有借鑒和參考意義。
關鍵詞：LNG接收站；低溫管道；專用隧道；設計
    近年來，在國內液化天然氣(LNG)接收站的研究與建設過程中，不斷遇到新的技術課題和挑戰(zhàn)，其中之一，就是LNG接收站卸料管道專用隧道的特殊設計問題。作為常規(guī)的地面管架或棧橋管廊的替代方案，LNG接收站卸料管道專用隧道內部設置有多種類型的工藝管道和公用系統(tǒng)管道。其受限空間的特點、LNG的低溫特性、距離LNG接收站區(qū)較近及對高度安全性的要求，使得這種隧道內部各種系統(tǒng)的設計既不同于棧橋管廊和LNG接收站站區(qū)的相關設計，也不同于通常的天然氣長輸管道隧道內的設計。
    為此，主要從使用安全和使用功能角度探討該專用隧道的基本橫斷面設計、內部管道布置、相關維護、安全保障方案及監(jiān)控設施等特殊問題。
1 國外LNG接收站卸料管道專用隧道介紹
    根據(jù)公開文獻和資料，在全世界諸多運行和在建的LNG接收站中，國外LNG接收站卸料管道專用隧道僅有2條，這2條隧道的共同特點是卸料管道與隧道部分地通過海底并通過立管與卸船碼頭相連接，隧道采取充氮密封保護方案，設置獨立隔離的巡檢通道。
1.1 Dominion Cove Point LNG接收站卸料管道專用隧道
    Dominion Cove Point LNG接收站位于美國馬里蘭州切薩皮克灣，1974年建成，1978年正式運營后兩年關停，于2003年7月重新運營[1]，并于2008年開始新增兩個16×104m3儲罐的建設。
該接收站位于一個自然保護區(qū)，考慮到環(huán)境保護部門的要求和視覺上的協(xié)調，連接碼頭與接收站儲罐區(qū)的LNG卸料管道放棄了傳統(tǒng)的棧橋方案，而采取了專用隧道的方案[2～3]。卸船碼頭包括2個卸船平臺，可以同時卸載2艘LNG運輸船。卸船碼頭距離接收站2414m，全程采用1951m長的水下隧道(海岸線以外)和地下隧道(陸地部分)相連接。詳見圖1。
 
    LNG卸料管道隧道內分為3個隔離區(qū)間，兩側空間分別布置一根32″(812.8mm)的LNG管道和一根14″(355.6mm)的蒸發(fā)天然氣(BOG)返回管道，中間區(qū)布置公用系統(tǒng)管道、通訊儀表電纜及電力電纜，同時還用作人員巡檢通道。兩側的低溫管道空間采用充氮密封的方案[2～4]。陸地部分的地下隧道凈寬8.36m，高5.33m，全長336m。這部分隧道是采用加強混凝土箱函形式的，蓋板及四周均設置了防水層。水下隧道(海岸線以外)是由20個連續(xù)組裝、配重、螺栓連接、混凝土外澆灌的鋼板骨架內襯構成的，全長1615m，凈寬8.36m，高4.88m[4]。
1.2 日本東京瓦斯Ohgishima LNG接收站卸料管道專用隧道
    Ohgishima LNG接收站位于橫濱灣。為了整體美觀和突出海景的需要，采用了2000m長的盾構隧道連接接收站罐區(qū)和海上碼頭(離岸500m)的方案[5]。其示意圖見圖2。
 
    該低溫管道隧道外徑8.9m，內徑7.2m，隧道頂部覆土最深達到60m。隧道橫斷面采用環(huán)形構造，內部分為2個相互獨立的間隔區(qū)，一個是管道區(qū)，另一個是人員巡檢通道。管道區(qū)內布置有40″(1016mm)的LNG卸料管道、20″(508mm)的BOG回氣管道、8″(203.2mm)的保冷循環(huán)管道以及20″(508mm)的LPG接收管道、10″(245mm)的LPG回氣管道、6″(152.4mm)的LPG循環(huán)管道，此外還有LNG/LPG排氣管道、儀表風管道、氮氣管道和水管道。巡檢通道內布置有各類電纜和可燃性氣體濃度、氧氣含量測試儀器。管道區(qū)采用充氮保護方案[6]。出于空間利用的需要，隧道內管道區(qū)分為3層，最上面一層為LPG管道層，最下面一層為20″(508mm)和8″(203.4mm)的LNG/BOG管道、LNG/LPG排氣管道及公用系統(tǒng)管道，中間層為最大口徑的LNG卸料管道。在隧道頂部和中間層底部安裝有3條測溫光纜，供隧道內溫度檢測和低溫液體泄漏檢測使用。在隧道最下面一層底部安裝了8條M1伴熱電纜。
    由于該隧道整體長度較長，在隧道中間設置了一個軸式豎井，既方便隧道內部施工期間的強制通風換氣和焊接操作排氣，也可作為運營期間發(fā)生事故情況下的排氣通道使用。
    上述2條國外LNG卸料管道專用隧道均已長期運行多年，安全記錄良好。
2 國內LNG接收站卸料管道專用隧道設計
    在國內廣東省某地處于前期可行性研究階段的LNG項目遇到同樣的設計問題，這將是國內首條、世界第三條LNG管道專用隧道。該LNG站址距離海岸線較遠，由于該地區(qū)生態(tài)旅游的環(huán)境保護要求，LNG卸料管道無法考慮地面管架或棧橋管廊方案，而是采用隧道方案穿越碼頭棧橋與接收站罐區(qū)之間的山頭。卸料管道全長約2005m，其中棧橋部分325m，隧道部分580m，其余部分1100m，隧道出口距離儲罐區(qū)450m。
    在該項目LNG低溫管道隧道研究和設計中，對以下4個主要方面進行了較為深入的研究。
2.1 U形膨脹彎(即靠型/門型補償器)的尺寸、數(shù)量與隧道橫斷面尺寸
    隧道橫斷面尺寸與LNG卸料管道U形膨脹彎的尺寸、數(shù)量的關系如下：膨脹彎的垂臂長度越小，則隧道內LNG管道的膨脹彎數(shù)量越多，隧道橫斷面尺寸較小，低溫管道的費用則越高，隧道工程的造價越低；反之則相反。綜合比選結果參見圖3。
 
    如果采用溫差不變形的合金材料管道(36%鎳鋼管，此時膨脹彎的數(shù)量為0)時，隧道寬度為5m。此時管道本身的采辦和安裝造價非常高(據(jù)了解國外生產(chǎn)廠商僅有一家，就580m的較短長度和u形彎數(shù)量而言，綜合造價過高)，而且該36%鎳鋼管的焊接非常困難。經(jīng)綜合研究后，隧道內設置的膨脹彎垂臂寬度為8m，膨脹彎間距為88m，隧道內輪廓擬采用馬蹄形斷面形式，隧道內凈尺寸為11m×8m。
2.2 隧道內采用充氮保護還是強制通風的方案選擇
    隧道內充氮和強制通風是可選擇的兩個基本安全保障方案，國外的兩個工程實例均是采用管道區(qū)充氮的方案。充氮保護是為了萬一發(fā)生少量LNG或天然氣泄漏時，因隧道內幾乎不存在氧氣而阻絕燃燒或爆炸的發(fā)生。在這種條件下，隧道內層施工應達到盡可能高的氣密性和水密性。而考慮到進入充氮環(huán)境下操作和維護的困難性，為了減少防腐刷漆維護的必要性和次數(shù)，隧道內的其他管道和管廊架均應采用不銹鋼材料?？梢钥闯?，該方案對隧道自身的施工要求很高，發(fā)生泄漏情況下的維搶修工作難度也很大。
    而強制通風方案本質上是稀釋泄漏的天然氣濃度以低于其燃爆下限，在工程實現(xiàn)和運行操作方面較為簡單，對隧道施工的氣密性要求一般，便于隧道內的巡檢和維修工作，而且附帶有熱量交換功能。結合現(xiàn)有隧道施工技術能力、維護便利程度及事故反應時間等條件，通過綜合比選和專家論證，本項目因地制宜地采用了強制通風的隧道方案，即平時用隧道頂部的射流風扇小流量通風、緊急情況下用棧橋側隧道入口處的大排量鼓風機強制通風相結合的方案。
2.3 隧道內空間的布置
    隧道內包括管道區(qū)域和人員通道兩大區(qū)域。其中工藝管線包括46″(1168.4mm)的LNG卸料管道、28″(711.2 mm)的BOG回氣管道、12″(304.8mm)的保冷循環(huán)管道和4″(101.6mm)的排氣(VENT)管道，公用系統(tǒng)管道包括16″(406.4mm)的消防海水管道及其他小口徑的氮氣、儀表風、水管道及儀表電纜、電力電纜(參見圖4)。低溫管道均采用焊接連接，不設任何閥門或法蘭。此外，作為防冷凍保障方案，在LNG卸料管道底部的管架上，設置M1電纜進行電伴熱，用于隧道通風換熱不足情況下的安全保障，其設計能力為18.0W/m。
 
    在充氮方案下必須設置獨立的人員檢修通道與逃生通道，但是，如果考慮采用常規(guī)通風與緊急強制通風相結合的保護方案，經(jīng)過有關評估，可以取消單獨隔離的逃生通道設置。
2.4 監(jiān)控與報警設施
    為確保對隧道內的安全狀況進行實時監(jiān)控和及時報警，隧道內還安裝有FGS火氣探測系統(tǒng)(FGS)、閉路電視系統(tǒng)(CCTV)、公共警報廣播系統(tǒng)(PAGA)。FGS系統(tǒng)包括感溫探測器、低溫液體泄漏探測器、火焰探測器、可燃氣體探測器、感煙探測器和含氧度測試儀等。此外，在隧道進出口設置門禁管理系統(tǒng)，確保進入隧道前得到正式的許可和進入期間得到實時安全監(jiān)控。
3 LNG接收站卸料管道專用隧道的設計特點
    LNG接收站卸料管道專用隧道內部系統(tǒng)在實現(xiàn)基本功能和高等級的安全性要求時，應著重考慮其下述幾個基本特征：相對密閉(受限空間)、易燃易爆介質、低溫特性和位置距離接收站罐區(qū)較近等。隧道內部系統(tǒng)設計應因地制宜，如本例LNG項目的卸料管道隧道采取了強制通風的方案，不再要求設置隔離的獨立人行通道空間，而國外的兩條隧道受條件限制采用強制通風方案是不合適的。一般來說，低溫管道隧道設計需要考慮下述4個特殊問題，也即相應此類低溫管道隧道內部系統(tǒng)的設計特點：
3.1 橫斷面的基本形狀
    影響隧道橫斷面形狀的首要因素是隧道內管道的布置要求，包括LNG卸料管道、BOG回氣管道、放空(VENT)管道、相關公用管道和電(光)纜等。起決定性作用的是最大口徑的LNG管道U形膨脹彎的數(shù)量和膨脹彎的寬度，該兩項參數(shù)應與隧道橫斷面進行共同優(yōu)化，以滿足綜合工程造價最低的要求。其他影響因素還包括監(jiān)控設施的安裝空間、巡邏通道的設置要求等。
3.2 高等級安全性的保障
    在受限(密閉)空間里布置有各種LNG/天然氣管道有可能形成易燃易爆氣體的混合物，而出于操作和維護的需要，應格外強調人員的安全性。因此，安全性設計應在杜絕LNG管道發(fā)生泄漏、盡快地檢測到微量LNG/天然氣的泄漏及防止隧道內積聚形成可燃氣體混合物3個層面進行考慮。其基本措施應因地制宜地在隧道內充氮密封和強制通風2種方案中進行選擇。另外，應著重研究是否需要單獨設置隔離的人員通道。
3.3 合適的操作和維護設施
    考慮到隧道及隧道內管線應滿足LNG接收站設計壽命的需要，隧道橫斷面的設計應滿足巡檢、維修等維護性工作的要求，而且應盡可能采用免維護的材料和結構。由于隧道內低溫管道與周圍環(huán)境持續(xù)換熱可能會導致出現(xiàn)結冰等問題，尤其當LNG或天然氣管道的保溫層溫度低至0℃時會因管道的收縮而發(fā)生損壞，而且隧道地表面形成冷凍層后可能會對隧道自身的結構性能造成破壞，因此應采取措施盡可能地降低隧道內的濕度，并考慮安裝加熱設施。
3.4 連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的設置
    為了確保隧道內各種設施能安全、穩(wěn)定地運行，應對隧道內部各種設施進行持續(xù)的監(jiān)控。
4 結論
    通過介紹國外LNG卸料管道專用隧道的設計和運行情況，較為詳細地分析和探討了國內首條LNG卸料管道專用隧道內部系統(tǒng)研究和設計的情況，總結了該類型隧道內系統(tǒng)設計應考慮的特點，為國內其他LNG管道專用隧道的設計與實施提供了參照和范例，也為國內其他類型的低溫管道專用隧道的研究提供了有益的借鑒作用。
參考文獻
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(本文作者：付子航 中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心)