液化天然氣儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q施工工藝探討

堵 佩

中海油江蘇天然氣有限責(zé)任公司 江蘇鹽城 224500

液化天然氣儲(chǔ)（LNG）罐機(jī)械竣工后需要對其進(jìn)行水壓試驗(yàn)、氣體正負(fù)壓試驗(yàn)、干燥、置換、預(yù)冷等一系列試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，其中干燥和置換是LNG 儲(chǔ)罐投料前的最后一道工序[1]。既要保證干燥置換的技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，又要保證干燥置換用液氮?dú)饣陌踩僮?，須妥善處理干燥置換過程中儲(chǔ)罐各區(qū)的壓力控制，防止罐體部件變形等問題。

1 LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q的原理及特點(diǎn)

1.1 工藝原理

LNG 儲(chǔ)罐的干燥和置換選用液氮?dú)饣蟮牡獨(dú)庾鳛椴僮鹘橘|(zhì)，用持續(xù)吹掃的方式進(jìn)行。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（式1）及氮?dú)饷芏确匠蹋ㄊ?），可得到式（3）。

式中：n——?dú)怏w摩爾數(shù)；

R——常數(shù)，8.314

由式（3）可知，氮?dú)饷芏扰c溫度呈反比。液氮通過氣化器氣化后的干燥置換氮?dú)鉁囟燃s比環(huán)境溫度低5℃。利用氣體溫差的比重原理，即低溫氮?dú)獾谋戎乇瘸乜諝饣旌蠚怏w略重的原理，將低溫氮?dú)庾⑷雰?chǔ)罐底部；低溫氮?dú)馀c罐內(nèi)的常溫混合氣體因溫度差而達(dá)到氣體分層效應(yīng)，使罐內(nèi)的空氣混合氣體從罐頂部接管排出；通過持續(xù)循環(huán)，利用氮?dú)庀♂寖?chǔ)罐內(nèi)的混合氣體，從而達(dá)到對儲(chǔ)罐干燥和置換的目的。

1.2 工藝特點(diǎn)

（1）氮?dú)獾穆饵c(diǎn)溫度為- 60℃，氧含量為0，能快速有效地干燥和置換出罐內(nèi)的濕氣及混合氣體，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到儲(chǔ)罐干燥和降低氧氣濃度的目的。

（2）利用大功率的氣化器將液氮?dú)廪D(zhuǎn)化成氣體，保證氮?dú)饬靠梢詽M足現(xiàn)場的氮?dú)馐褂靡?，避免因氮?dú)夤?yīng)量的間斷造成工作的停滯，確保施工進(jìn)度安全平穩(wěn)推進(jìn)，減少隱患區(qū)域操作的頻率。

（3）與空氣干燥相比，氮?dú)飧稍镏脫Q操作工序簡單，人員固定，干燥置換同時(shí)降低儲(chǔ)罐的露點(diǎn)溫度和氧氣含量。同時(shí)，減少空氣壓縮機(jī)、干燥機(jī)等設(shè)備的租賃成本和人工成本，提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

2 LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q的施工程序

2.1 工藝流程

儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q工藝流程為：儲(chǔ)罐干燥置換前條件確認(rèn)→干燥置換前的準(zhǔn)備→干燥置換相關(guān)閥門狀態(tài)確認(rèn)標(biāo)識(shí)粘貼→干燥置換A 區(qū)→干燥置換B 區(qū)→干燥置換C 區(qū)→干燥置換D 區(qū)→罐頂管道置換→儲(chǔ)罐封閉72h 驗(yàn)收。

儲(chǔ)罐干燥置換分區(qū)和各區(qū)合格標(biāo)準(zhǔn)[2]分別如圖1 和表1 所示。

圖1 儲(chǔ)罐干燥置換分區(qū)圖

表1 儲(chǔ)罐干燥置換合格標(biāo)準(zhǔn)

2.2 儲(chǔ)罐A 區(qū)氮?dú)飧稍镏脫Q

氮?dú)鈴墓芸冢∟10）進(jìn)入儲(chǔ)罐，混合氣體（空氣和氮?dú)猓鸟讽敺趴湛冢∟9）排出儲(chǔ)罐，通過調(diào)節(jié)氮?dú)馊肟诹髁亢婉讽敺趴湛谏系拈y門開度，使儲(chǔ)罐內(nèi)壓力維持在4～10kPa。注入的氮?dú)鉁囟葢?yīng)比罐內(nèi)空氣溫度低5℃以增強(qiáng)分層效應(yīng)。為防止儲(chǔ)罐壓力過低，當(dāng)內(nèi)罐壓力低于5kPa時(shí)，關(guān)閉儲(chǔ)罐頂部放空口，使用便攜式測試儀在穹頂放空口處檢測氣體的氧含量和露點(diǎn)。干燥置換過程中每4h 測量并記錄一次氮?dú)膺M(jìn)口溫度、內(nèi)罐壓力、氧含量和露點(diǎn)。當(dāng)氧含量和露點(diǎn)達(dá)到表1 的規(guī)定值時(shí)，儲(chǔ)罐A 區(qū)置換完成。此時(shí)可逐漸減少氮?dú)饬髁坎p小穹頂放空口的閥門開度。儲(chǔ)罐A 區(qū)干燥置換示意圖見圖2。

圖2 儲(chǔ)罐A 區(qū)干燥置換示意圖

2.3 儲(chǔ)罐B 區(qū)氮?dú)飧稍镏脫Q

緩慢打開B 區(qū)放空口（N11A/ B）閥門，并密切觀測，避免由于氮?dú)饬髁窟^大造成珍珠巖從放空口溢出。如果發(fā)生珍珠巖溢出，應(yīng)降低氮?dú)饬髁坎⒄{(diào)節(jié)B 區(qū)放空口閥門開度，直到珍珠巖停止溢出。

氮?dú)鈴膬?nèi)罐區(qū)域進(jìn)入環(huán)形空間，混合氣體從環(huán)形空間放空口排出，通過調(diào)節(jié)氮?dú)馊肟诹髁亢铜h(huán)形空間放空口上的閥門開度，使儲(chǔ)罐內(nèi)壓力維持在4～10kPa。每4h 在環(huán)形空間放空口處測量一次氧含量和露點(diǎn)。當(dāng)氧含量和露點(diǎn)達(dá)到表1 的規(guī)定值時(shí)，儲(chǔ)罐B 區(qū)置換完成，并關(guān)閉環(huán)形空間放空口上的閥門。儲(chǔ)罐B 區(qū)干燥置換示意圖見圖3。

圖3 儲(chǔ)罐B 區(qū)干燥置換示意圖

2.4 儲(chǔ)罐C 區(qū)氮?dú)飧稍镏脫Q

氮?dú)鈴膬?nèi)罐進(jìn)入環(huán)形空間后，進(jìn)入罐底上部保溫層，混合氣體通過罐底上部保溫層放空口（N12）排出。由于這些管道與內(nèi)罐和環(huán)形空間是連通的，因此罐底上部保溫層在內(nèi)罐置換時(shí)已開始置換。且C 區(qū)空間較小，所需的置換時(shí)間較短，需要時(shí)刻監(jiān)測放空口的氧含量和露點(diǎn)。當(dāng)氧含量和露點(diǎn)達(dá)到表1 的規(guī)定值時(shí)，罐底上部保溫層置換完成，關(guān)閉放空口上的閥門。詳見圖4。

圖4 儲(chǔ)罐C 區(qū)干燥置換示意圖

2.5 儲(chǔ)罐D(zhuǎn) 區(qū)氮?dú)飧稍镏脫Q

氮?dú)鈴膬?nèi)罐進(jìn)入環(huán)形空間后，經(jīng)壓力平衡管嘴（氮?dú)?A- D、N14A- D）引入罐底下部保溫層?；旌蠚怏w應(yīng)從罐底下部保溫層放空口（N13）排出。由于這些管道與內(nèi)罐和環(huán)形空間是連通的，因此罐底下部保溫層在內(nèi)罐置換時(shí)已開始置換，且D 區(qū)空間較小，所需的置換時(shí)間較短，需要時(shí)刻監(jiān)測放空口的氧含量和露點(diǎn)。當(dāng)氧含量和露點(diǎn)達(dá)到表1 的規(guī)定值時(shí)，罐底上部保溫層置換完成，關(guān)閉放空口上的閥門。儲(chǔ)罐D(zhuǎn) 區(qū)干燥置換示意圖見圖5。

圖5 儲(chǔ)罐D(zhuǎn) 區(qū)干燥置換示意圖

2.6 泵筒氮?dú)飧稍镏脫Q

在內(nèi)罐干燥和置換完成后，開啟低溫泵管線氮?dú)夤芫€閥門，使氮?dú)鈴拈_啟的低溫泵底閥進(jìn)入，再通過上述管線接管排出。在接管出氣口測量氧含量和漏點(diǎn)溫度，達(dá)到表1 的規(guī)定值時(shí)，泵筒干燥置換完成。關(guān)閉該管線閥門，繼續(xù)充氮?dú)?，達(dá)到保壓值。

2.7 罐頂管道氮?dú)飧稍镏脫Q

罐頂管道置換界線為罐頂一次閥門，待內(nèi)罐及夾層空間置換合格后開始罐頂管道置換。置換通過閥門的跨接管線進(jìn)行，拆開上游端閥門，通過開啟閥門排出主管管道內(nèi)混合氣體，連續(xù)釋放主管管道內(nèi)氣體，使其氧含量和露點(diǎn)溫度達(dá)到表1 的規(guī)定值，罐頂管道置換合格。

LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)庵脫Q全部完成后，應(yīng)升壓到10kPa 并維持在此壓力下。在保壓期間，安全閥和儀表處于待用狀態(tài)。內(nèi)罐壓力可依據(jù)空氣溫度和大氣壓力在一定范圍內(nèi)變化。

3 LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q效益分析

采用液氮?dú)饣玫獨(dú)飧稍镏脫Q施工工藝，通過改變操作程序及操作方法，提前切換儲(chǔ)罐各區(qū)域干燥置換操作，改進(jìn)置換壓力均衡的控制措施，同時(shí)有效避免了因雨天及霧天等空氣濕度大而導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)干燥不徹底而停工的現(xiàn)象。根據(jù)某工程項(xiàng)目16 萬方LNG 儲(chǔ)罐干燥置換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用本施工工藝單臺(tái)儲(chǔ)罐可節(jié)省工期約4d（占8.5%），節(jié)約液氮約240t（占18%），具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q過程中應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)罐壓力，使內(nèi)罐壓力始終維持在4～10kPa。

（2）LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q用氮?dú)鈶?yīng)比空氣溫度低5℃，使低溫氮?dú)馀c罐內(nèi)的常溫混合氣體因溫度差而達(dá)到氣體分層效應(yīng)，提高置換效率。

（3）LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q應(yīng)嚴(yán)格控制B 區(qū)混合氣體的排放量，以排放口無珍珠巖排出為合格，防止過大的排放量將罐內(nèi)珍珠巖排放出罐體或造成珍珠巖移動(dòng)。

（4）LNG 儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍镏脫Q應(yīng)嚴(yán)格控制D 區(qū)的氮?dú)庾⑷肓?，確保D 區(qū)的氮?dú)庾⑷雺毫π∮贏 區(qū)的壓力，且不得超過10kPa。并安排專人監(jiān)測，防止D 區(qū)壓力超過A區(qū)壓力導(dǎo)致罐底變形。