LNG低溫儲罐預(yù)冷技術(shù)研究

薛 峰，張國中，姜永勝，陳 瑞

(海洋石油工程股份有限公司 天津300452)

0 引 言

自2006年廣東大鵬 LNG項目工程正式投產(chǎn)以來，國內(nèi) LNG(液化天然氣)項目發(fā)展迅猛[1]。經(jīng)過近些年的發(fā)展，目前國內(nèi)設(shè)計、施工單位逐漸掌握大型及特大型低溫儲罐的設(shè)計、建造技術(shù)及相關(guān)調(diào)試技術(shù)。但就技術(shù)含量、施工難度而言，LNG儲罐預(yù)冷調(diào)試相關(guān)工作仍是整個接收站的關(guān)鍵工作，在實際項目中往往作為單項工程，采用獨立招標方式，由承包商單獨管理。針對儲罐調(diào)試工作中儲罐冷卻危險高、操作難度大的特點，本文以海洋石油工程股份有限公司已完工的某 LNG儲罐項目為例，重點闡述了儲罐冷卻調(diào)試的相關(guān)技術(shù)。

1 儲罐調(diào)試工作概述

儲罐調(diào)試工作，是全面檢驗儲罐建造成果，調(diào)整管線儀表狀態(tài)，為儲罐正式投產(chǎn)做準備的工作。整個調(diào)試工作大體分為3個階段。

①預(yù)試車：即儲罐系統(tǒng)(包括工藝系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、儀表和控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和安全系統(tǒng))安裝測試，儲罐的水壓、氣壓(包括正壓和負壓)試驗及氮氣置換等工作。此部分工作的共同點是不涉及碳氫化合物的使用。

②試車：對 LNG儲罐及相關(guān)低溫管道進行冷卻工作，使整個低溫儲罐及相關(guān)管道具備接受低溫LNG的能力，進液并達到一定的液位后，進行低壓泵的性能測試、液位儀表的調(diào)試、控制系統(tǒng)測試和儲罐蒸發(fā)率的測試等調(diào)試工作。

③開車：即熟練地將儲罐從測試狀態(tài)轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)，儲罐與整個接收站聯(lián)合運行，實現(xiàn) LNG存儲及外輸功能。

2 儲罐的冷卻技術(shù)概述

2.1 儲罐預(yù)冷目的

LNG低溫液體在正式進入儲罐前，需對儲罐及相關(guān)管線進行充分冷卻，使其逐步達到使用溫度，以逐步釋放冷卻帶來的變形量，防止驟冷對管道及儲罐帶來破壞。此外，冷卻工作還能起到檢驗低溫材料是否合格、管道冷縮量和管托支撐變化、低溫閥門的密封性等作用。

2.2 儲罐的預(yù)冷方法

根據(jù)冷卻介質(zhì)，儲罐的預(yù)冷方法可分為兩種[2]：

①液氮加 LNG預(yù)冷方法。利用液氮對卸料管道和儲罐進行冷卻，待冷卻溫度達到-120～-110,℃，換成 LNG繼續(xù)對管道及儲罐進行冷卻。這種方式的預(yù)冷介質(zhì)由昂貴的 LNG換成相對便宜的液氮，節(jié)約了預(yù)冷成本。同時，由于使用不燃的液氮代替易燃的LNG來進行預(yù)冷，提高了儲罐預(yù)冷的安全性。

②LNG(含 BOG)預(yù)冷方法。利用 LNG 蒸發(fā)氣(BOG)對管道及儲罐進行預(yù)冷，待管道和儲罐溫度達到-120,℃時，通過注入 LNG(由儲罐頂部噴淋霧化裝置霧化后)對儲罐進行冷卻。這種方式直接利用接收站場內(nèi)LNG資源，但會消耗大量的LNG產(chǎn)品。

2.3 儲罐冷卻工藝流程

LNG儲罐冷卻前需要對卸料總管、低壓輸送總管等管線進行冷卻，目的是為了避免這些管線上下溫差過大而拱起，其產(chǎn)生過大的應(yīng)力會損壞管線或管線支架及附屬系統(tǒng)，同時如此大的應(yīng)力也會損壞儲罐或其他設(shè)備及其附屬系統(tǒng)。管線冷卻后，再對儲罐進行冷卻。

對于新建接收站，一般由于站場內(nèi)沒有現(xiàn)成的LNG，通常使用接卸首船 LNG對儲罐進行冷卻，在儲罐達到冷卻條件后，再冷卻其他管線。為減少受船期及天氣狀況的影響，項目利用了碼頭停泊的FSRU，通過FSRU的噴淋泵和卸料泵進行冷卻。圖1為儲罐冷卻及卸料工藝流程示意圖，LNG經(jīng)卸料總管預(yù)冷支路進入儲罐，LNG經(jīng)霧化后從頂部噴射至儲罐壁，在冷卻過程中儲罐壓力會增大，產(chǎn)生過量的BOG氣體，這些氣體通過放空或回流處理。

圖1 LNG儲罐冷卻及進料工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of process flow of LNG tank cooling and feeding

3 儲罐預(yù)冷噴淋系統(tǒng)

3.1 噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)設(shè)計為一套帶有噴淋裝置的環(huán)形管路，環(huán)形管路位于儲罐內(nèi)罐中心頂部，高度與內(nèi)罐相當(dāng)。為實現(xiàn)良好的冷卻效果，儲罐環(huán)路宜安裝噴淋裝置[3]。理想的噴淋效果是，霧狀 LNG在遇到管壁之前或遇到罐壁時能夠汽化，不在罐壁及罐底產(chǎn)生積液。

3.2 噴嘴的選型

由于水幕噴頭噴出的水能形成霧狀層及膜狀層的雙層效果，其均勻性、隔離性、冷卻效果均好，一般選用水幕型噴嘴進行儲罐的預(yù)冷。噴頭的型號根據(jù)液體的壓力及流量進行確定。在壓力小于 10,bar時，壓力p與流量v關(guān)系如下：

值得注意的是，一般噴嘴的設(shè)計和制造是以噴射介質(zhì)為水來計算的，在使用其他介質(zhì)時，需要考慮噴射介質(zhì)與水的密度關(guān)系。在本工況下使用的是 LNG液體，考慮介質(zhì) LNG與水密度因素，流量 v與密度ρ關(guān)系如下：

3.3 冷卻噴淋用量

儲罐預(yù)冷所需要的介質(zhì)用量計算較復(fù)雜，其中計算的方法主要采用能量守恒方法，儲罐罐體金屬材料、絕熱層材料和罐內(nèi)氣體的降溫以及抵消儲罐的漏熱，都需要預(yù)冷介質(zhì)進行能量的平衡。在實際預(yù)冷過程中，預(yù)冷介質(zhì)的類型、介質(zhì)的壓力及其溫度、環(huán)境溫度、預(yù)冷溫度和預(yù)冷時間等多種因素都對預(yù)冷介質(zhì)用量均有影響[4]。

4 儲罐冷卻操作

4.1 冷卻前提條件

儲罐冷卻之前，除了要具備必要的人員、工機具、用于預(yù)冷的冷媒介質(zhì)等基本條件外，更重要的是儲罐系統(tǒng)應(yīng)具備一定條件，主要包括：

①儲罐冷卻用相關(guān)的工藝管道已完成干燥和置換工作。

②儲罐干燥后，儲罐內(nèi)介質(zhì)的最高露點為-20,℃，當(dāng)環(huán)形空間填充膨脹珍珠巖時，允許環(huán)形空間的最高露點為-8,℃。采用氮氣對儲罐進行置換，要求置換儲罐的含氧量不大于 9%,，干燥及置換對罐底絕熱空間可不做要求。

③采用 BOG處理系統(tǒng)，處理冷卻時產(chǎn)生的大量閃蒸氣。保證所有可能產(chǎn)生閃蒸氣的空間能夠通過放空管線將蒸氣引向火炬處理系統(tǒng)。

④按照PI&D圖的要求檢查所有工藝閥門、放空閥門、安全閥上、下游手閥、儀表的隔離閥的狀態(tài)。

⑤確認相關(guān)安全、溫度、濃度等儀表設(shè)施處于正常工作狀態(tài)。

⑥具備在實施過程中任一階段出現(xiàn)中斷時的應(yīng)急方案。

4.2 冷卻注意事項

①儲罐冷卻時要嚴格控制儲罐的冷卻速度，內(nèi)罐的冷卻速度控制在 3,℃/h，最大冷卻速度為 5,℃/h。罐壁或罐底上任意相鄰的測溫元件最大溫差為30,℃/h。在冷卻過程中嚴格監(jiān)視儲罐測溫元件讀數(shù)。

②儲罐冷卻時主要管線，要有專人監(jiān)控，定期巡檢，密切監(jiān)視管托位移及影響管道正常收縮的障礙物，應(yīng)對在冷卻過程中發(fā)生的管線變形。

③儲罐必須在嚴格并且持續(xù)的監(jiān)視下進行冷卻，特別要嚴密監(jiān)視儲罐壓力、冷卻用 LNG流量等數(shù)據(jù)。

④注意卸料管線閥門、法蘭是否發(fā)生泄漏，保證BOG排放系統(tǒng)、火炬放空設(shè)施正常工作。

⑤當(dāng)儲罐罐底溫度達到-150,℃，儲罐底部能夠形成液化天然氣時，可以認為儲罐冷卻工作已經(jīng)完成。此時可以從底部進料管線小流量進料，待底部進料達到約300,mm時，可以快速進料。

4.3 冷卻過程分析

儲罐冷卻過程中要時刻關(guān)注儲罐罐底及罐壁溫度變化，以便對冷卻介質(zhì)流量、壓力等參數(shù)繼續(xù)調(diào)整，控制儲罐的冷卻速率滿足冷卻要求。此次預(yù)冷工作對2臺30,000,m3儲罐進行冷卻，圖2是其中一個儲罐 8個溫度傳感器檢測的罐底溫度隨時間變化的曲線。在 17～20,h區(qū)間，罐底溫度有回升的趨勢，原因是 FSRU碼頭排氣，導(dǎo)致噴淋管線的壓力下降，進入儲罐內(nèi)的 LNG流量不足。在 44,h左右，TI-02308B-A、TI-02308B-E兩點溫度降低較快，原因是打開了頂部進料閥的旁路閥，進料管線現(xiàn)場的安裝位置靠近兩個溫度計，導(dǎo)致兩點溫度下降較快。但各點溫差均滿足試車程序的要求。

本次冷卻工作兩個儲罐的預(yù)冷時間分別是 50,h和 56,h，預(yù)冷用量分別是 186,t和 213,t，主要原因是后者較前者長；其次，進入后者的 LNG與前者相比溫度較高，同樣質(zhì)量的 LNG攜帶的冷量較少，也導(dǎo)致使用的 LNG的量偏多。這也印證了冷卻液體用量與實際工況的密切關(guān)系。

圖2 儲罐冷卻曲線Fig.2 Cooling curve of the tank

5 結(jié) 論

①在管線冷卻過程中，應(yīng)嚴密關(guān)注管線冷卻速率，按時巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。對于可能出現(xiàn)的異常情況有緊急處理措施。

②儲罐冷卻時，嚴密監(jiān)測罐底及罐壁溫度檢測點溫度變化趨勢及變化速率，通過調(diào)節(jié)冷卻噴淋流量控制冷卻速率。

③對儲罐冷卻調(diào)試要精心組織，參加人員要熟悉操作流程，對于現(xiàn)場中的每一管線、閥門都能夠?qū)D紙一一對應(yīng)，熟記于心。

④LNG運輸船和接收站方的積極配合是冷卻調(diào)試成功的重要因素，在儲罐冷卻工作實施中儲罐方、接收站方及運輸船方要密切合作、統(tǒng)一指揮，保證儲罐冷卻及進料工作的正常開展?！?/p>

［1］邢云.構(gòu)建中國液化天然氣產(chǎn)業(yè)法規(guī)標準體系[R].上海：第二界中國LNG論壇，2009.

［2］金滔，盧泰古，湯珂，等.低溫乙烯儲罐置換預(yù)冷方案的分析與比較[C].中國動力工程學(xué)會工業(yè)氣體專業(yè)委員會2009 年技術(shù)論壇論文集，2009.

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T26978-2001 現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲罐的設(shè)計與建造 [S].北京：中國標準出版社，2011：1-5.

［4］王際強，葉建強.大型 LNG 儲罐預(yù)冷及預(yù)冷介質(zhì)用量的計算[J].深冷技術(shù)，2015(6)：36-39.