液化天然氣低溫儲罐吹掃干燥方法及應用探討

賀 彬，郭正東

(合肥燃氣集團有限公司，安徽 合肥 230000)

天然氣是一種綠色能源。我國天然氣行業(yè)發(fā)展起步較晚，2018年天然氣在一次能源中的占比僅7.5%。為了提高能源普及率，國家能源局提出未來幾年將天然氣作為我國重點培育的主體能源之一，力爭2020年一次占比達到10%，這為天然氣行業(yè)提供了極為廣闊的發(fā)展前景。

天然氣液化后體積大幅縮小，方便運輸。液化天然氣(LNG)一般存儲于儲罐中。LNG儲罐[1]可以作為沿海大型LNG接收站、內(nèi)陸地區(qū)LNG調(diào)峰站及液化廠等的儲存站。文中以合肥燃氣集團有限公司104m3雙壁低溫常壓LNG儲罐為例，介紹LNG儲罐吹掃、干燥方法及其使用過程中的問題及采取的解決方法。

1 LNG儲罐概況及分區(qū)吹掃要求

該104m3雙壁低溫常壓LNG儲罐外罐材質(zhì)Q345R，內(nèi)罐材質(zhì)9%鎳鋼，內(nèi)罐底部安裝泡沫玻璃磚，內(nèi)、外罐間夾層填充膨脹珍珠巖。儲罐安裝完畢后正式投入使用前，要求進行吹掃干燥和預冷調(diào)試。儲罐吹掃分區(qū)見圖1。

圖1 LNG儲罐吹掃分區(qū)示圖

圖1中所示的A區(qū)包括儲罐的內(nèi)罐和罐頂，B區(qū)為夾層環(huán)形空間，底部絕熱空間無吹掃要求。根據(jù)GB/T 26978—2011《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》[2]制定吹掃和干燥操作技術(shù)指標，見表1。

表1 LNG儲罐各區(qū)吹掃和干燥技術(shù)指標

2 LNG儲罐吹掃干燥方法要點討論

2.1 干燥置換介質(zhì)

安裝合格的儲罐進行吹掃操作前，先要進行水壓試驗。若水壓試驗與儲罐吹掃間隔時間短，則儲罐內(nèi)有可能存在大量的水蒸氣和游離水[3]，這時如果單獨用氮氣進行吹掃干燥，氮氣消耗量會較大。如果采用空氣+氮氣相結(jié)合的吹掃方案，即先用熱干空氣預吹掃干燥，當測得儲罐內(nèi)混合氣體露點達到10 ℃后再用氮氣進行吹掃干燥，則可以提高吹掃速度，減小氮氣用量，節(jié)約成本。

執(zhí)行此方案需要對空氣進行品質(zhì)優(yōu)化和參數(shù)控制，主要包括[4]：①除油。為預防帶油空氣對儲罐設(shè)備、管道的污染，壓縮機選擇無油空壓機，并在空壓機出口安裝過濾器(除油)進行雙層保險。②加熱。為提高吹掃干燥效率，可以對空氣進行加熱處理。選取干燥和空氣加熱相結(jié)合的方式獲得干燥的高溫空氣。③流量。單位時間內(nèi)進入儲罐的干空氣流速越快，其達到露點合格需要的時間相對就短，從壓縮機的性能、經(jīng)濟性綜合考慮，選擇體積流量為2 500 m3/h(標準狀態(tài))。

2.2 干燥置換方式

儲罐吹掃有2種常用方法，一種是持續(xù)吹掃法，另一種是升壓式吹掃法。持續(xù)吹掃[5]的特點是保持儲罐在一定壓力下，調(diào)節(jié)儲罐氮氣進氣閥和出氣閥，保持進、出氣處于平衡狀態(tài)。升壓式吹掃的特點是關(guān)閉儲罐排氣口，持續(xù)對儲罐進行升壓，待達到一定壓力后保持穩(wěn)定，讓罐內(nèi)氣體充分混合后再進行儲罐降壓，持續(xù)反復進行儲罐升壓、降壓，并定時檢測露點。LNG儲罐吹掃一般采用持續(xù)吹掃法+升壓式吹掃法。儲罐吹掃過程分為前后2個階段[6]，以檢測到儲罐內(nèi)空氣露點約-5 ℃為劃分界線。第一階段為干燥階段，采用持續(xù)吹掃法實施干燥，使用的介質(zhì)為干空氣。第二階段為置換階段，采用升壓式吹掃法實施干燥和置換，使用的介質(zhì)為氮氣。文中重點討論第二階段的氮氣升壓式干燥、置換過程。先進行儲罐A區(qū)吹掃干燥，待露點合格后再進行B區(qū)露點吹掃、干燥。

2.2.1氧氣置換計算

用氮氣置換儲罐內(nèi)空氣時，要監(jiān)測儲罐內(nèi)氧氣含量[7]，確保氧含量降低到規(guī)范值，防止在進行置換過程中出現(xiàn)安全隱患。操作時，首先進行儲罐升壓，待達到20 kPa時穩(wěn)壓靜置約1 h，假設(shè)穩(wěn)壓靜置后儲罐內(nèi)氮氣與原氣體充分混合，打開儲罐放散閥迅速釋放儲罐壓力至約1 kPa，重復這樣的升壓、混合、泄壓操作，來達到置換氧氣的目的。罐內(nèi)的氧氣體積分數(shù)可用式(1)表示[8]。

Cn=C0(p0/p1)n

(1)

其中

p1=p0+Δp

式中，Cn為進行n次升壓置換后的氧氣體積分數(shù)，C0為儲罐內(nèi)氧氣的初始體積分數(shù)，一般取21%。p0為儲罐內(nèi)初始壓力，p0=101.3 kPa；p1為充入氮氣后儲罐內(nèi)的絕對壓力，Δp為充入氮氣后儲罐內(nèi)的相對壓力，一般取20 kPa。經(jīng)計算，理論上經(jīng)過7次置換后氧氣體積分數(shù)大約為6%，但實際操作時氮氣置換過程中很難達到完全混合，實際的置換次數(shù)會比理論值大。

2.2.2區(qū)域A吹掃要點

LNG儲罐區(qū)域A的吹掃操作示意圖見圖2。

圖2 LNG儲罐區(qū)域A吹掃方式示圖

吹掃要點和要求包括6點[9]，①干燥、置換期間監(jiān)控儲罐內(nèi)壓力，嚴禁超過30 kPa。②置換期間確保環(huán)形空間吹除氣出口閥V129關(guān)閉。③氮氣吹掃前，檢查氮氣露點，保證氮氣露點不大于-60 ℃，打開內(nèi)罐吹除氣進口閥V121(全開)，氮氣進入內(nèi)罐進行升壓。④當內(nèi)罐壓力達到20 kPa時關(guān)閉內(nèi)罐吹除氣進口閥V121，靜置混合一段時間后，打開罐頂吹除氣出口閥V133(全開)，將置換氮氣放入大氣。⑤初次吹掃速度要慢，待釋放氮氣2次后，可按700 m3/h(標準狀態(tài))體積流量進行吹掃。⑥在罐頂吹除氣出口閥V133處檢測氧氣體積分數(shù)和排放的氮氣露點，當氧氣體積分數(shù)和氮氣露點接近要求值時，進行下一步操作。

2.2.3區(qū)域B吹掃要點

LNG儲罐區(qū)域B的吹掃操作示意圖見圖3。

圖3 LNG儲罐區(qū)域B吹掃方式示圖

吹掃要點和要求包括4點，①待區(qū)域A干燥、置換合格后，開始置換B區(qū)域。②打開內(nèi)罐吹除氣進口閥V121(全開)，氮氣進入內(nèi)罐進行升壓，關(guān)閉其他出氣口閥門。③當內(nèi)罐壓力達到20 kPa時關(guān)閉內(nèi)罐吹除氣進口V121，靜置混合一段時間后，打開環(huán)形空間出氣口閥門V129(全開)，將儲罐內(nèi)氣體放散到空氣中。④控制吹掃速度，定期檢測環(huán)形空間吹除氣出口閥V129處排放氣體體積分數(shù)和氮氣露點，當氧氣體積分數(shù)和氮氣露點接近要求值時，進行下一步操作。

2.2.4底部絕熱層吹掃要點

LNG儲罐底部絕熱層的吹掃操作示意圖見圖4。

圖4 LNG儲罐底部絕熱層吹掃方式示圖

現(xiàn)場安裝好底部絕熱層管線后[10]，打開底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128、底部絕熱層吹除氣進口閥V130，緩慢由底部絕熱層吹除氣進口閥V130通入干燥氮氣，觀測底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128及內(nèi)罐底板。依據(jù)底部絕熱層中通道堵塞會引起干燥、置換底部絕熱層時的壓力升高，并造成內(nèi)罐底板及其與內(nèi)罐筒體連接處的破壞。判斷底部絕熱層是否存在堵塞情況。

若是發(fā)現(xiàn)儲罐底部絕熱層堵塞，則執(zhí)行GB/T 26978.5—2011《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 第5部分：試驗、干燥、置換及冷卻》第5.2、5.3條規(guī)定，干燥、置換時對罐底絕熱空間不做要求，即不干燥、置換底部絕熱層。

若底部絕熱層沒有堵塞，則按以下3個步驟執(zhí)行底部絕熱層的干燥和置換，①打開底部絕熱層吹除氣出口閥V127(全開)和V128(全開)、底部絕熱層吹除氣進口閥V130(1/10圈開度)，開始置換底部絕熱層。②在底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128處檢測氧體積分數(shù)和排放氮氣的露點。③當?shù)撞拷^熱層吹除氣出口閥V127和V128處氧體積分數(shù)和排放氮氣的露點12 h無變化時，關(guān)閉底部絕熱層吹除氣進口閥V130、底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128。

3 LNG儲罐吹掃干燥實施及整改措施

3.1 吹掃干燥過程及存在問題

在該LNG儲罐吹掃干燥過程中，內(nèi)罐及罐頂?shù)拇祾哌^程較為順利，按照操作流程約1周時露點就達到-20 ℃、氧體積分數(shù)低于2%。為保證儲罐整體的保冷效果，防止底部泡沫玻璃磚殘存游離水，對底部絕熱層進行吹掃干燥。但底部吹掃干燥一直未達標，持續(xù)15 d的吹掃(每天消耗液氮20 m3)，底部出氣口檢測的露點下降不明顯，僅從18 ℃下降到14 ℃。經(jīng)初步分析，認為底部泡沫玻璃磚處可能存在過多水分，短時間內(nèi)露點難以達標[11]。進一步的排查和分析主要從2個方面展開，①LNG內(nèi)罐底板存在漏點。在對儲罐進行水壓沉降試驗時，有水滲透到罐底。但在水壓沉降試驗前，對內(nèi)罐底板(焊縫及底板板面)進行真空箱查漏和滲透檢測，均合格，水壓試驗后又進行了一次查漏，均未發(fā)現(xiàn)漏點，故排除了內(nèi)罐泄漏的可能。②儲罐底部在施工過程正值合肥梅雨季節(jié)，雨水多，濕氣大，存在罐底積水的可能性，加之底部泡沫玻璃磚等絕熱材料在施工過程中吸收了環(huán)境中的大量水分且不易揮發(fā)，這有可能是儲罐底部露點下降不明顯的原因。

3.2 整改措施及實施效果

3.2.1提高氮氣進氣溫度

保持一定的吹掃流量，在儲罐底部氮氣入口處增加1組加熱裝置，提高氮氣溫度至80 ℃，以增加底部區(qū)域水分揮發(fā)和提高氣體運動活力，整改效果見圖5。從圖5可以看出，提高吹掃氮氣溫度前，露點隨著時間的延續(xù)總體呈緩慢下降趨勢，數(shù)值在13～18 ℃變動；提高吹掃氮氣溫度后，露點隨著時間的延續(xù)呈先升后降，數(shù)值在6～20 ℃變動，說明加熱后的氮氣可以較快帶走罐底的水分[12]。

圖5 提高吹掃氮氣溫度前后儲罐內(nèi)露點隨時間變化曲線

3.2.2加大氮氣吹掃流量

保持內(nèi)罐壓力、氮氣溫度不變，提高氮氣吹掃流量，加快氮氣在儲罐底部的運動速度，整改前后效果對比見圖6。從圖6可以看出，加大氮氣流量前，隨著時間的延續(xù)，露點值總體在6 ℃附近浮動，最大值與最小值相差不超過1 ℃；加大氮氣流量后，隨著時間的延續(xù)，露點總體呈下降趨勢，最大值與最小值相差超過8 ℃，說明加大氮氣吹掃流量對底部的干燥有一定的效果[13]。

圖6 加大氮氣流量前后儲罐罐內(nèi)露點隨時間變化曲線

4 結(jié)語

儲罐吹掃、預冷調(diào)試是儲罐安全運行的重要保證。單一氮氣吹掃干燥方式的氮氣消耗大[14]，很難準確計算氮氣用量。先用熱干空氣吹掃干燥，待露點達標后換氮氣吹掃，采取持續(xù)式和長壓式相結(jié)合方式，必要時采取加熱氮氣和提高氮氣流量的措施，可達到較理想的吹掃效果。采用加熱氮氣和提高氮氣吹掃流量的方法吹掃干燥儲罐底部時，內(nèi)罐與底部的壓差不宜過大[15]。底部的吹掃流量并不是越大越好，要根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)分析底部吹掃口處泡沫玻璃磚的局部受力情況，以防止底部局部受力過大給內(nèi)罐底板帶來額外的應力損傷。