LNG接收站卸料管道專用隧道設(shè)計(jì)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(shù)解決方案，具有許多獨(dú)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(shù)解決方案，具有許多獨(dú)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(guó)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(xiàng)目為例，分析了國(guó)內(nèi)第一條LNG卸料管道專用隧道工程的內(nèi)部系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)和研究情況，提出了該類型隧道內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：橫斷面的基本形狀；高等級(jí)安全性的保障；合適的操作和維護(hù)設(shè)施；連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置。該研究成果對(duì)更為廣泛的低溫管道專用隧道內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究具有借鑒和參考意義。
關(guān)鍵詞：LNG接收站；低溫管道；專用隧道；設(shè)計(jì)
    近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)液化天然氣(LNG)接收站的研究與建設(shè)過(guò)程中，不斷遇到新的技術(shù)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(shè)計(jì)問(wèn)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(nèi)部設(shè)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(diǎn)、LNG的低溫特性、距離LNG接收站區(qū)較近及對(duì)高度安全性的要求，使得這種隧道內(nèi)部各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既不同于棧橋管廊和LNG接收站站區(qū)的相關(guān)設(shè)計(jì)，也不同于通常的天然氣長(zhǎng)輸管道隧道內(nèi)的設(shè)計(jì)。
    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(shè)計(jì)、內(nèi)部管道布置、相關(guān)維護(hù)、安全保障方案及監(jiān)控設(shè)施等特殊問(wèn)題。
1 國(guó)外LNG接收站卸料管道專用隧道介紹
    根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)和資料，在全世界諸多運(yùn)行和在建的LNG接收站中，國(guó)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(diǎn)是卸料管道與隧道部分地通過(guò)海底并通過(guò)立管與卸船碼頭相連接，隧道采取充氮密封保護(hù)方案，設(shè)置獨(dú)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(guó)馬里蘭州切薩皮克灣，1974年建成，1978年正式運(yùn)營(yíng)后兩年關(guān)停，于2003年7月重新運(yùn)營(yíng)[1]，并于2008年開(kāi)始新增兩個(gè)16×104m3儲(chǔ)罐的建設(shè)。
該接收站位于一個(gè)自然保護(hù)區(qū)，考慮到環(huán)境保護(hù)部門的要求和視覺(jué)上的協(xié)調(diào)，連接碼頭與接收站儲(chǔ)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(gè)卸船平臺(tái)，可以同時(shí)卸載2艘LNG運(yùn)輸船。卸船碼頭距離接收站2414m，全程采用1951m長(zhǎng)的水下隧道(海岸線以外)和地下隧道(陸地部分)相連接。詳見(jiàn)圖1。
 
    LNG卸料管道隧道內(nèi)分為3個(gè)隔離區(qū)間，兩側(cè)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(shí)還用作人員巡檢通道。兩側(cè)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(zhǎng)336m。這部分隧道是采用加強(qiáng)混凝土箱函形式的，蓋板及四周均設(shè)置了防水層。水下隧道(海岸線以外)是由20個(gè)連續(xù)組裝、配重、螺栓連接、混凝土外澆灌的鋼板骨架內(nèi)襯構(gòu)成的，全長(zhǎng)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(zhǎng)的盾構(gòu)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(jiàn)圖2。
 
    該低溫管道隧道外徑8.9m，內(nèi)徑7.2m，隧道頂部覆土最深達(dá)到60m。隧道橫斷面采用環(huán)形構(gòu)造，內(nèi)部分為2個(gè)相互獨(dú)立的間隔區(qū)，一個(gè)是管道區(qū)，另一個(gè)是人員巡檢通道。管道區(qū)內(nèi)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(fēng)管道、氮?dú)夤艿篮退艿馈Ｑ矙z通道內(nèi)布置有各類電纜和可燃性氣體濃度、氧氣含量測(cè)試儀器。管道區(qū)采用充氮保護(hù)方案[6]。出于空間利用的需要，隧道內(nèi)管道區(qū)分為3層，最上面一層為L(zhǎng)PG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(cè)溫光纜，供隧道內(nèi)溫度檢測(cè)和低溫液體泄漏檢測(cè)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，在隧道中間設(shè)置了一個(gè)軸式豎井，既方便隧道內(nèi)部施工期間的強(qiáng)制通風(fēng)換氣和焊接操作排氣，也可作為運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生事故情況下的排氣通道使用。
    上述2條國(guó)外LNG卸料管道專用隧道均已長(zhǎng)期運(yùn)行多年，安全記錄良好。
2 國(guó)內(nèi)LNG接收站卸料管道專用隧道設(shè)計(jì)
    在國(guó)內(nèi)廣東省某地處于前期可行性研究階段的LNG項(xiàng)目遇到同樣的設(shè)計(jì)問(wèn)題，這將是國(guó)內(nèi)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(yuǎn)，由于該地區(qū)生態(tài)旅游的環(huán)境保護(hù)要求，LNG卸料管道無(wú)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(zhǎng)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(chǔ)罐區(qū)450m。
    在該項(xiàng)目LNG低溫管道隧道研究和設(shè)計(jì)中，對(duì)以下4個(gè)主要方面進(jìn)行了較為深入的研究。
2.1 U形膨脹彎(即靠型/門型補(bǔ)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(guān)系如下：膨脹彎的垂臂長(zhǎng)度越小，則隧道內(nèi)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(fèi)用則越高，隧道工程的造價(jià)越低；反之則相反。綜合比選結(jié)果參見(jiàn)圖3。
 
    如果采用溫差不變形的合金材料管道(36%鎳鋼管，此時(shí)膨脹彎的數(shù)量為0)時(shí)，隧道寬度為5m。此時(shí)管道本身的采辦和安裝造價(jià)非常高(據(jù)了解國(guó)外生產(chǎn)廠商僅有一家，就580m的較短長(zhǎng)度和u形彎數(shù)量而言，綜合造價(jià)過(guò)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(nèi)設(shè)置的膨脹彎垂臂寬度為8m，膨脹彎間距為88m，隧道內(nèi)輪廓擬采用馬蹄形斷面形式，隧道內(nèi)凈尺寸為11m×8m。
2.2 隧道內(nèi)采用充氮保護(hù)還是強(qiáng)制通風(fēng)的方案選擇
    隧道內(nèi)充氮和強(qiáng)制通風(fēng)是可選擇的兩個(gè)基本安全保障方案，國(guó)外的兩個(gè)工程實(shí)例均是采用管道區(qū)充氮的方案。充氮保護(hù)是為了萬(wàn)一發(fā)生少量LNG或天然氣泄漏時(shí)，因隧道內(nèi)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(nèi)層施工應(yīng)達(dá)到盡可能高的氣密性和水密性。而考慮到進(jìn)入充氮環(huán)境下操作和維護(hù)的困難性，為了減少防腐刷漆維護(hù)的必要性和次數(shù)，隧道內(nèi)的其他管道和管廊架均應(yīng)采用不銹鋼材料。可以看出，該方案對(duì)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(qiáng)制通風(fēng)方案本質(zhì)上是稀釋泄漏的天然氣濃度以低于其燃爆下限，在工程實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行操作方面較為簡(jiǎn)單，對(duì)隧道施工的氣密性要求一般，便于隧道內(nèi)的巡檢和維修工作，而且附帶有熱量交換功能。結(jié)合現(xiàn)有隧道施工技術(shù)能力、維護(hù)便利程度及事故反應(yīng)時(shí)間等條件，通過(guò)綜合比選和專家論證，本項(xiàng)目因地制宜地采用了強(qiáng)制通風(fēng)的隧道方案，即平時(shí)用隧道頂部的射流風(fēng)扇小流量通風(fēng)、緊急情況下用棧橋側(cè)隧道入口處的大排量鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合的方案。
2.3 隧道內(nèi)空間的布置
    隧道內(nèi)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?dú)?、儀表風(fēng)、水管道及儀表電纜、電力電纜(參見(jiàn)圖4)。低溫管道均采用焊接連接，不設(shè)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(shè)置M1電纜進(jìn)行電伴熱，用于隧道通風(fēng)換熱不足情況下的安全保障，其設(shè)計(jì)能力為18.0W/m。
 
    在充氮方案下必須設(shè)置獨(dú)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(fēng)與緊急強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合的保護(hù)方案，經(jīng)過(guò)有關(guān)評(píng)估，可以取消單獨(dú)隔離的逃生通道設(shè)置。
2.4 監(jiān)控與報(bào)警設(shè)施
    為確保對(duì)隧道內(nèi)的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)報(bào)警，隧道內(nèi)還安裝有FGS火氣探測(cè)系統(tǒng)(FGS)、閉路電視系統(tǒng)(CCTV)、公共警報(bào)廣播系統(tǒng)(PAGA)。FGS系統(tǒng)包括感溫探測(cè)器、低溫液體泄漏探測(cè)器、火焰探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、感煙探測(cè)器和含氧度測(cè)試儀等。此外，在隧道進(jìn)出口設(shè)置門禁管理系統(tǒng)，確保進(jìn)入隧道前得到正式的許可和進(jìn)入期間得到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。
3 LNG接收站卸料管道專用隧道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
    LNG接收站卸料管道專用隧道內(nèi)部系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)基本功能和高等級(jí)的安全性要求時(shí)，應(yīng)著重考慮其下述幾個(gè)基本特征：相對(duì)密閉(受限空間)、易燃易爆介質(zhì)、低溫特性和位置距離接收站罐區(qū)較近等。隧道內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜，如本例LNG項(xiàng)目的卸料管道隧道采取了強(qiáng)制通風(fēng)的方案，不再要求設(shè)置隔離的獨(dú)立人行通道空間，而國(guó)外的兩條隧道受條件限制采用強(qiáng)制通風(fēng)方案是不合適的。一般來(lái)說(shuō)，低溫管道隧道設(shè)計(jì)需要考慮下述4個(gè)特殊問(wèn)題，也即相應(yīng)此類低溫管道隧道內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：
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(nèi)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(guān)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(xiàng)參數(shù)應(yīng)與隧道橫斷面進(jìn)行共同優(yōu)化，以滿足綜合工程造價(jià)最低的要求。其他影響因素還包括監(jiān)控設(shè)施的安裝空間、巡邏通道的設(shè)置要求等。
3.2 高等級(jí)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(hù)的需要，應(yīng)格外強(qiáng)調(diào)人員的安全性。因此，安全性設(shè)計(jì)應(yīng)在杜絕LNG管道發(fā)生泄漏、盡快地檢測(cè)到微量LNG/天然氣的泄漏及防止隧道內(nèi)積聚形成可燃?xì)怏w混合物3個(gè)層面進(jìn)行考慮。其基本措施應(yīng)因地制宜地在隧道內(nèi)充氮密封和強(qiáng)制通風(fēng)2種方案中進(jìn)行選擇。另外，應(yīng)著重研究是否需要單獨(dú)設(shè)置隔離的人員通道。
3.3 合適的操作和維護(hù)設(shè)施
    考慮到隧道及隧道內(nèi)管線應(yīng)滿足LNG接收站設(shè)計(jì)壽命的需要，隧道橫斷面的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足巡檢、維修等維護(hù)性工作的要求，而且應(yīng)盡可能采用免維護(hù)的材料和結(jié)構(gòu)。由于隧道內(nèi)低溫管道與周圍環(huán)境持續(xù)換熱可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)冰等問(wèn)題，尤其當(dāng)LNG或天然氣管道的保溫層溫度低至0℃時(shí)會(huì)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(huì)對(duì)隧道自身的結(jié)構(gòu)性能造成破壞，因此應(yīng)采取措施盡可能地降低隧道內(nèi)的濕度，并考慮安裝加熱設(shè)施。
3.4 連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置
    為了確保隧道內(nèi)各種設(shè)施能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，應(yīng)對(duì)隧道內(nèi)部各種設(shè)施進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控。
4 結(jié)論
    通過(guò)介紹國(guó)外LNG卸料管道專用隧道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況，較為詳細(xì)地分析和探討了國(guó)內(nèi)首條LNG卸料管道專用隧道內(nèi)部系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的情況，總結(jié)了該類型隧道內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的特點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)其他LNG管道專用隧道的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了參照和范例，也為國(guó)內(nèi)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(xiàn)
[1] LT.CMDR.MARK HAMMOND. Cove Point risk assessment[J].Proceedings，2005，62(3)：87-91.
[2] STILES R E. Imported LNG to serve East Coast utilities[J].Pipeline Industry，1974，40(1)：48-50.
[3] PERAINO J.CHASE B L，PLODOWSKI T，et al. LNG：From Ship to Shore[C].Houston：OTC，1976，1119-1127.
[4] P&GJ STAFF.6000-ft tunnel，LNG unloading facility Unique aspects of Cove Point terminal[J].Pipeline and Gas Journal，1975，202(7)：60，62，66.
[5] NISHIKl0RI MINORU，MORI YOICHI，KASAHARA SHINICHI. The startup of the latest LNG base. Oogishima factory in Tokyo Gas[J].Piping Engineering，1999，41(7)：15-22.
[6] ISAYAMA TERUHIRO，KATO TOSHIHIRO. Construction report for LNG receiving terminal of Tokyo Gas Ohgishima[J].NKK Technical Report，1999，167：56-61.
 
(本文作者：付子航 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心)