大型LNG全容儲(chǔ)罐珍珠巖在線填充分析與實(shí)踐

1. 廣東珠海金灣液化天然氣有限公司, 廣東 珠海 519001;2. 中海福建液化天然氣有限公司, 福建 莆田 351100

0 前言

自2006年廣東大鵬LNG項(xiàng)目投產(chǎn)以來,國(guó)內(nèi)相繼投產(chǎn)了約19座LNG接收站,投用16×104m3及以上大型LNG全容儲(chǔ)罐超過40個(gè),另有十幾個(gè)大型LNG全容儲(chǔ)罐即將投用或正在建設(shè)中。大型LNG全容儲(chǔ)罐均采用珍珠巖進(jìn)行絕熱保冷,投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)之后會(huì)出現(xiàn)不同程度的珍珠巖沉降,若不及時(shí)處理將會(huì)損壞儲(chǔ)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)安全造成較大隱患[1-4]。結(jié)合珠海LNG接收站3座16×104m3全容儲(chǔ)罐珍珠巖在線填充實(shí)例,探討運(yùn)行中的LNG全容儲(chǔ)罐珍珠巖沉降現(xiàn)象和檢測(cè)手段,研究LNG全容儲(chǔ)罐在線填充珍珠巖的控制技術(shù),提煉和總結(jié)大型LNG全容儲(chǔ)罐珍珠巖在線充填方法和經(jīng)驗(yàn),有效降低LNG全容儲(chǔ)罐珍珠巖在線填充的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 珍珠巖填充目的及儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

圖1 LNG全容儲(chǔ)罐保溫結(jié)構(gòu)

2 珍珠巖沉降原因分析及檢測(cè)

2.1 沉降原因分析及表象特征

LNG全容儲(chǔ)罐投用后,操作壓力控制在15～25 kPa之間,液位控制在2～32 m之間。儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)間累積、操作壓力和液位的波動(dòng)、內(nèi)罐冷縮變形、罐內(nèi)設(shè)備啟停及卸料引起的震動(dòng)等都會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐珍珠巖出現(xiàn)不同程度的不均勻沉降,從而影響儲(chǔ)罐保冷層保冷效果。儲(chǔ)罐珍珠巖沉降的主要表象特征為:儲(chǔ)罐部分外表出現(xiàn)不均勻結(jié)露;部分區(qū)域出現(xiàn)青苔;儲(chǔ)罐BOG蒸發(fā)量明顯增加,出口管線BOG溫度升高;儲(chǔ)罐內(nèi)部部分溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)異常變化。

2.2 沉降檢測(cè)

儲(chǔ)罐內(nèi)部無可窺視系統(tǒng),無法判斷珍珠巖沉降情況,更無法開啟儲(chǔ)罐進(jìn)行勘測(cè),只能通過儲(chǔ)罐外表結(jié)露、長(zhǎng)青苔、BOG溫度升高等表象初步判斷儲(chǔ)罐珍珠巖是否發(fā)生沉降。為了更科學(xué)和客觀地判斷儲(chǔ)罐珍珠巖沉降情況,借助立體紅外熱成像技術(shù)[12-13],在儲(chǔ)罐液位較高或液位較低時(shí)對(duì)儲(chǔ)罐外壁表面進(jìn)行全面紅外熱成像∝可見光圖像拍攝檢查,監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐外壁傳熱情況。由于罐壁內(nèi)外溫差巨大,存在明顯的熱傳遞現(xiàn)象,如果保溫層不均勻或缺失,會(huì)形成罐壁表面熱量傳遞快慢的差異。保溫效果差的區(qū)域,熱量傳遞速度較快,表面溫度低,對(duì)外輻射的紅外線能量少,在拍攝的紅外熱圖像上表現(xiàn)為溫度低的冷區(qū)；保溫效果好的區(qū)域,熱量傳遞速度較慢,表面溫度高,對(duì)外輻射的紅外線能量多,在拍攝的紅外熱圖像上表現(xiàn)為溫度高的熱區(qū)。保溫層狀況的差異性形成罐壁表面的溫度分布差異,紅外攝像儀通過獲取被拍攝儲(chǔ)罐罐壁表面的紅外輻射能量,顯示出其溫度分布狀況,形成罐壁表面具有溫度分布信息的紅外熱圖像照片。通過分析紅外熱圖像照片,確定漏冷的具體方位、漏冷面積、漏冷程度、漏冷分布狀態(tài)等,對(duì)珍珠巖填充順序、預(yù)估填充量等填充方案的制定提供直觀依據(jù)。儲(chǔ)罐立體熱成像見圖2,儲(chǔ)罐頂部部分區(qū)域顏色較深表示漏冷嚴(yán)重,可以判斷出罐內(nèi)珍珠巖的沉降;部分區(qū)域顏色均勻溫度正常,可以判斷出該部分珍珠巖保持正常。

a)熱成像漏冷區(qū)檢測(cè)情況

a)熱成像正常區(qū)檢測(cè)情況

3 大型LNG全容儲(chǔ)罐珍珠巖在線填充

3.1 在線填充難點(diǎn)

珍珠巖在線填充安全等級(jí)要求高,罐內(nèi)充滿低溫BOG,在線填充時(shí)需防止氧氣、水分等隨珍珠巖進(jìn)入儲(chǔ)罐,低溫BOG排出罐外造成凍傷和發(fā)生爆炸;在線填充時(shí)如果儲(chǔ)罐內(nèi)外壓差過大易造成珍珠巖飛濺,顆粒破損,降低保溫效能[14],使填充質(zhì)量不受控制(與建設(shè)期珍珠巖填充不同,運(yùn)行期珍珠巖在線填充無法開展振搗夯實(shí)操作);壓差過小容易使珍珠巖在填充管道內(nèi)堵塞;儲(chǔ)罐壓力過低BOG蒸發(fā)量較大,存在放空風(fēng)險(xiǎn);儲(chǔ)罐壓力過高,作業(yè)過程中罐內(nèi)天然氣容易泄漏。

3.2 在線充填作業(yè)解決方法及思路

圖3 全密封式珍珠巖填充置換裝置

2)控制LNG全容儲(chǔ)罐珍珠巖在線填充過程中的壓力。LNG全容儲(chǔ)罐投用后將壓力控制在15～25 kPa之間,按要求珍珠巖在線填充時(shí)儲(chǔ)罐壓力控制在10 kPa內(nèi),通過HYSYS軟件初步模擬和計(jì)算,若將儲(chǔ)罐壓力由20 kPa降至10 kPa,每噸LNG將閃蒸BOG約25 m3[18-19],短時(shí)間內(nèi)接收站無法完全處理該部分BOG只能通過火炬放空。為減少損失,實(shí)行技術(shù)改造,采用單罐提前降壓,減少放空,確保填充期間儲(chǔ)罐壓力要求。

3)合理確定珍珠巖在線填充量。采用儲(chǔ)罐立體熱成像技術(shù)可以確定珍珠巖沉降的區(qū)域,估算預(yù)填充量，繪制儲(chǔ)罐珍珠巖填充分布圖，見圖4,再根據(jù)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和沉降區(qū)域計(jì)算大概填充量。在填充前需對(duì)插入儲(chǔ)罐的填充管道標(biāo)上多處記號(hào)標(biāo)識(shí),當(dāng)填充至大概填充量時(shí),拔出填充管道檢查記號(hào)標(biāo)識(shí),以判斷珍珠巖填充情況,當(dāng)檢測(cè)不能滿足要求時(shí)繼續(xù)填充,直至填充到符合條件滿足要求時(shí)停止作業(yè)。

圖4 根據(jù)熱成像情況繪制的珍珠巖填充分布

4)精準(zhǔn)測(cè)量珍珠巖填充高度。珍珠巖填充完成后,需對(duì)填充高度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,為防止罐內(nèi)低溫BOG泄漏和大量珍珠巖噴出,無法采用常規(guī)方式測(cè)量,通過技術(shù)改造,采用“毛細(xì)血管法”測(cè)量珍珠巖填充情況[20]，見圖5。珍珠巖填充完成后抽出填充管,在隔離閥法蘭頂面安裝密封彈性墊片(中間開孔直徑10 mm),將6 m長(zhǎng)薄壁銅管(壁厚2 mm,頂部裝有球閥)底部從彈性墊片中間空垂直插入,打開隔離球閥,銅管垂直緩緩下探,打開銅管頂部球閥,觀測(cè)銅管頂部球閥冒氣情況,均勻冒出珍珠巖后,停止下探深度并在銅管上做好記號(hào),關(guān)閉隔離閥,拔出銅管,即可計(jì)算出填充高度。設(shè)定測(cè)量銅管標(biāo)識(shí)處的下探深度為L(zhǎng),假設(shè)罐外閥門組總成高度1 000 mm,儲(chǔ)罐填充口至珍珠巖頂部高度設(shè)計(jì)要求≤2 400 mm,當(dāng)L測(cè)值=1 000 mm+2 400 mm≤3 400 mm時(shí),證明某填充口合格[21-23]。

圖5 “毛細(xì)血管法”測(cè)量珍珠巖填充高度示例

4 珍珠巖在線填充實(shí)踐

4.1 在線填充前開展儲(chǔ)罐降壓操作

為減少BOG火炬放空,通過技術(shù)改造和工藝優(yōu)化,珠海LNG接收站采用“單罐降壓，雙罐控壓”操作方式,見圖6,即控制儲(chǔ)罐B、C中BOG出口閥門開度,維持儲(chǔ)罐B、C處于正常壓力狀態(tài)(20～24 kPa),將集中BOG處理富裕能力對(duì)儲(chǔ)罐A進(jìn)行降壓,降壓完成后根據(jù)實(shí)際工況,維持儲(chǔ)罐A壓力在10 kPa內(nèi),調(diào)整儲(chǔ)罐B、C中BOG出口閥門,維持接收站BOG系統(tǒng)的正常運(yùn)行,避免了火炬放空。

圖6 單罐降壓,雙罐控壓流程

4.2 閥組及管線安裝

每座儲(chǔ)罐在建設(shè)中都留有珍珠巖填充口,珍珠巖填充前需要安裝填充閥組,在安裝過程中應(yīng)采取有效接地防靜電措施,布置干粉滅火器材,選擇防爆作業(yè)工具等,確保作業(yè)全過程安全。安裝時(shí)首先拆除儲(chǔ)罐填充口原有盲板,然后用橡皮塞堵住儲(chǔ)罐填充口,清理法蘭面;再?gòu)南孪蛏弦来伟惭b填充閥組、填充管線、閥門總成(下為6″變4″的變徑法蘭連接4″球閥,1″=2.54 cm)、4″沉頭法蘭、封板(填充作業(yè)時(shí)封板拆除),填充軟管(填充作業(yè)時(shí)球閥開啟,平時(shí)關(guān)閉)依此穿過沉頭法蘭和閥門總成進(jìn)入儲(chǔ)罐填充位置,見圖7～8。

圖7 閥組安裝

圖8 閥組安裝后實(shí)物

4.3 珍珠巖在線填充過程控制

填充設(shè)備放置在儲(chǔ)罐頂部填充作業(yè)區(qū)域,將已發(fā)泡的珍珠巖填充至珍珠巖料倉(cāng),每次填充裝料1.2 m3(6袋),關(guān)閉填料倉(cāng)入口進(jìn)行氮?dú)庵脫Q干燥,置換測(cè)試合格后,開啟氮?dú)怛?qū)動(dòng)珍珠巖經(jīng)填充軟管進(jìn)入儲(chǔ)罐,完成填充后對(duì)填料倉(cāng)降壓，重新向填料倉(cāng)填充珍珠巖,依此操作,直至測(cè)得填充高度滿足設(shè)計(jì)要求為止。填充工藝流程見圖9。

圖9 填充工藝流程

4.4 填充過程中珍珠巖填充高度測(cè)量

珠海LNG接收站根據(jù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)要求,鋁浮盤至珍珠巖堆最高點(diǎn),高度≥2 300 mm,確保珍珠巖在鋁浮盤外緣環(huán)形空間內(nèi)有足夠富余量,保證珍珠巖沉降后仍有足夠的高度(≥100 mm)覆蓋在鋁浮盤及環(huán)形空間頂層[11-12],現(xiàn)場(chǎng)采用“毛細(xì)血管法”測(cè)量可得珍珠巖高度為2 350 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 珍珠巖在線填充完成后效果

4.5.1 儲(chǔ)罐保溫效果明顯改善

珍珠巖填充過程中儲(chǔ)罐A各監(jiān)控點(diǎn)溫度逐步回升至正常狀態(tài)見圖10,BOG蒸發(fā)率明顯減少,出口BOG溫度明顯降低,儲(chǔ)罐整體運(yùn)行壓力降低,儲(chǔ)罐A珍珠巖填充前后對(duì)比情況,見表1。

4.5.2 儲(chǔ)罐立體熱成像監(jiān)測(cè)

珍珠巖填充完成后,在同一位置采用儲(chǔ)罐外墻紅外熱成像∝可見光圖像拍攝檢測(cè),通過對(duì)比填充前后的紅外熱成像圖,檢驗(yàn)儲(chǔ)罐珍珠巖在線填充效果,確認(rèn)漏冷區(qū)域紅外圖像消失,儲(chǔ)罐外表壁溫度分布均勻,溫度正常。填充前后熱成像情況,見圖11～12。

圖10 珍珠巖填充過程中監(jiān)控點(diǎn)溫度回升情況

表1珍珠巖填充前后對(duì)比情況

項(xiàng)目填充前填充后5月27日5月28日10月29日10月30日0∶008∶0016∶000∶008∶0016∶000∶000∶008∶0016∶000∶008∶0016∶000∶00液位/mm18 92118 91418 90518 89718 88918 88018 87221 06521 06121 05621 05221 04721 04221 038環(huán)境溫度/℃2827302927312925242625232826BOG出口溫度/℃-77-90-79-94-92-88-84-114-119-120-118-122-116-119儲(chǔ)罐壓力/kPa23.323.523.523.423.523.623.521.621.721.821.721.721.821.6LNG密度/(kg·m-3)435435435435435435435437437437437437437437蒸發(fā)率/()6.286.286.286.286.286.286.284.014.014.014.014.014.014.01

圖11 填充前漏冷區(qū)域熱成型圖(左上藍(lán)色)

圖12 填充后漏冷區(qū)域消失

5 結(jié)論

1)現(xiàn)場(chǎng)操作過程中能夠通過儲(chǔ)罐外觀表象、罐內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)的異常變化及工藝異常情況,初步判斷LNG全容儲(chǔ)罐珍珠巖是否沉降。

2)通過儲(chǔ)罐熱成像圖能夠分析出儲(chǔ)罐珍珠巖沉降情況和評(píng)估填充效果,在制定填充方案和填充實(shí)踐過程中有較大參考意義。

3)采用“毛細(xì)血管法”能夠精準(zhǔn)測(cè)量珍珠巖填充高度,降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

4)全密封式珍珠巖置換填充設(shè)備能夠滿足LNG儲(chǔ)罐的珍珠巖在線填充要求。

5)采取“單罐降壓,雙罐控壓”的方式能夠控制儲(chǔ)罐壓力,避免火炬放空。

6)建設(shè)期在儲(chǔ)罐頂部珍珠巖預(yù)留口加裝永久球閥,可以降低閥組及管線安裝風(fēng)險(xiǎn)。

7)設(shè)計(jì)過程中在儲(chǔ)罐頂部增設(shè)內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn),可以開展珍珠巖沉降預(yù)警。