大型LNG接收站試車預冷關鍵要素分析

上海液化天然氣有限責任公司 鐘君兒

十多年來，隨著國內LNG接收站項目建設不斷發(fā)展和試車投運經(jīng)驗不斷積累，LNG接收站項目的試車投運已逐步實現(xiàn)從最初完全依托國外工程公司、到國外技術指導再到目前國內工程公司或建設運營單位自主完成。近年來，隨著國內一系列LNG接收站擴建工程的建設，建設運營單位的主導作用越來越大，于 2019至 2020年分階段建成的上海LNG項目儲罐擴建工程(以下簡稱擴建工程)試車投運即由建設運營單位上海液化天然氣有限責任公司(以下簡稱上海LNG)自主完成。

LNG設施的試車投運主要包括：管道預冷、儲罐預冷、單體設備預冷試車及性能測試、系統(tǒng)整體聯(lián)動調試及可靠性測試等，其中大口徑管道和大型儲罐的預冷是難度和風險較大的關鍵環(huán)節(jié)。LNG為低溫介質，運行溫度一般為-130～-162℃。試車預冷是設施投運前從常溫狀態(tài)冷卻到低溫狀態(tài)、使低溫材料經(jīng)受平穩(wěn)受控的降溫過程，避免冷沖擊劇烈和不均勻收縮對 LNG設施可能帶來的損壞。以奧氏體不銹鋼為例，LNG溫度條件下的收縮率約為0.3%。對于304L材質管路，工作溫度-162℃時，直徑100 m管路約收縮300 mm[1]。在受控狀態(tài)下檢驗低溫材質設施在低溫狀態(tài)下的性能，及時發(fā)現(xiàn)泄漏、失效等情況或因吹掃干燥等原因導致的閥門卡澀甚至管道冰堵等問題，在大量 LNG液體進入前完成整改處理，消除安全隱患。

上海LNG通過2019、2020年的儲罐擴建工程分階段試車投運，特別對大口徑 LNG管道和大型LNG儲罐預冷的技術要點、難點風險和經(jīng)濟性影響等有了更深刻的認識，并積累了較豐富的經(jīng)驗。認為應深入分析預冷項目的設施條件和難點風險，因地制宜制定預冷工藝方案，并在生產(chǎn)準備中切實落實預防保障措施，在預冷過程中嚴格實時監(jiān)控，及時動態(tài)調節(jié)，確保試車預冷的安全、平穩(wěn)可控及經(jīng)濟性。

1 預冷要求

1.1 預冷控制指標

(1) 大口徑 LNG管道。LNG管道冷卻至-120℃可視為完成預冷。在冷卻過程中，通過控制冷卻速度以保證軸向收縮平穩(wěn)性，控制管道上下溫差以避免管道垂直于軸向的彎曲應力過大。管徑不同，控制指標也不同，一般38英寸(1英寸=25.4 mm，以下同)以上管徑的管道上下溫差不超過50 K，冷卻溫降速率不大于15 K/h。一般控制指標隨管徑增大而更加嚴格[1]。

(2) 大型LNG儲罐。LNG儲罐冷卻至-150℃可視為完成預冷。在冷卻過程中，通過控制冷卻速度以保證內罐鋼板周向收縮平穩(wěn)性，通過控制同一平面上任意兩點和相鄰兩點之間的溫差以避免內罐底板和壁板的彎曲應力過大。內罐冷卻速度一般控制在3 K/h以內，任一點不超過5 K/h；罐壁與底板上任意相鄰兩點溫差小于20 K[2]；罐底任意兩點之間溫差小于50 K，溫差超過50 K應停止預冷，待溫差恢復到許可范圍內方可繼續(xù)預冷[3]。

1.2 預冷關鍵環(huán)節(jié)

(1) 合理制定預冷工藝技術方案：在對設施條件進行充分分析評估的基礎上，開展冷源介質比選和預冷系統(tǒng)劃分，對預冷和排放需求進行熱量與物料平衡分析測算，結合現(xiàn)場管道布置確定冷卻氣化設施配置和注入及排放口方案，開展?jié)撛陲L險分析，制訂對策措施等。

(2) 事先管控預冷風險因素：包括管道吹掃和干燥質量控制、設施(尤其是受壓部分)完整性確認、安全設施有效性檢驗、操作規(guī)程頒布、人員培訓交底、冷源介質供應保障、臨時設施安裝接入、盲板抽堵設置及確認掛牌、閥位設置確認掛牌、露點含氧量復核、位移標識、區(qū)域作業(yè)安全管控措施等。

(3) 嚴格監(jiān)控預冷操作過程：冷卻氣化器或噴淋閥操作和流量調節(jié)、溫度和壓力監(jiān)控、BOG處理監(jiān)控、管道位移和變形監(jiān)控、管支架功能檢查、保溫狀況檢查。操作是否規(guī)范平穩(wěn)、監(jiān)控是否及時到位、動態(tài)調節(jié)是否合理等都對預冷效果產(chǎn)生直接影響，應定人定崗，其中氣化器或噴淋閥門操作、數(shù)據(jù)跟蹤分析等關鍵崗位應由經(jīng)驗豐富人員擔任。

2 預冷工藝技術方案關鍵要素

2.1 預冷系統(tǒng)熱量與物料平衡分析

常用的預冷方法是冷源介質的冷量通過氣化器氣化或噴淋霧化方式，以溫度逐步降低的方式導入到待預冷的設施，與待預冷的設施進行換熱后介質升溫排出，使待預冷的設施實現(xiàn)溫度平穩(wěn)均勻下降且留存部分介質。

預冷系統(tǒng)的熱量與物料平衡示意如圖1所示。

圖1 預冷系統(tǒng)的熱量與物料平衡示意

根據(jù)預冷原理，預冷系統(tǒng)中各主要參數(shù)的關系和變化如表1所示。

表1 預冷系統(tǒng)中的參數(shù)關系和變化

預冷目標是待預冷設施的溫度(T3)按照控制指標平穩(wěn)勻速下降且均勻分布，即時間維度上“速度不快也不慢”，ΔT3基本不變或小范圍受控波動；空間維度上，T3的“均勻分布很重要”。

時間維度上，隨著待冷卻設施溫度T3不斷降低，冷源導入溫度T2與T3之間溫差越來越小，冷源與待冷卻設施的介質焓值差越來越小、單位質量換熱量不斷減小，需持續(xù)加大冷源導入的質量流量m1或進一步降低冷源導入溫度T2，從而維持所需的冷卻換熱量。通過增加進入氣化或霧化設施的閥門開度可加大m1也即m2值；通過減小進入臨時氣化設施閥門開度即減少Q2、同時增加臨時氣化設施的旁通閥門開度即多走旁通，在m1不變的情況下可降低T2值。

空間維度上，要保證T3在待冷卻設施內的均勻分布性，即周向溫差和軸向溫度梯度盡量小。因低溫介質往下沉積是自然趨勢，需依靠系統(tǒng)內流動達到一定的速度實現(xiàn)溫度場相對均勻狀態(tài)，避免因流速過低造成的冷量積壓在系統(tǒng)上游和底部，因此根據(jù)不同管徑，m1有一個下限值，隨著T3不斷下降、系統(tǒng)內介質密度增大，m1的下限也需不斷增大。

如上所述，為同時滿足時間維度和空間維度上的要求，冷源導入的質量流量m1是影響預冷效果的最重要參數(shù)，在預冷的各個階段均需保持在最低流量以上，且此最低流量需要隨著預冷的進展不斷增大。m1的調節(jié)能力取決于氣化/霧化設施向待冷卻設施注入冷源介質的注入口流通能力，且要實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的熱量和物料動態(tài)平衡，待冷卻設施排放口的流通能力需與注入口的流通能力相匹配。

接收站工藝流程大同小異，但總平面、管道布置和接口條件卻千差萬別，新建工程和擴建工程的冷源供應條件也大不相同。因此，預冷介質的選擇、子系統(tǒng)的拆分需因地制宜、因時而宜而定，相應的氣化設施或噴嘴能力需合理測算配置，預冷介質注入口和排放口應因地制宜合理選擇并按需優(yōu)化。

2.2 因地制宜因時而異選擇預冷介質

LNG接收站一般選用液氮或LNG作為預冷介質。新建LNG項目一般沒有LNG，采用液氮預冷；擴建項目則可相對靈活選擇。通常認為，選用液氮成本較低、安全性更好、界面更清晰，如 2009年上海LNG一期試車投運，管道預冷時尚無LNG資源條件，所以采用液氮。但由于儲罐預冷所需冷源介質量很大，直接利用首船接卸的LNG；而本次擴建工程試車預冷經(jīng)綜合比選，選用LNG。主要考慮如下：

(1) 安全性方面，有條件通過一期低壓LNG管道提供冷源，保證預冷壓力在安全范圍內，確保BOG安全排放。主導本次擴建工程的上海LNG試車人員均有多年運行經(jīng)驗。

(2) 冷源供應可靠性方面，上海LNG所處洋山遠離大陸，受制于東海大橋管控要求，液氮供應連續(xù)保障難度大。

(3) 經(jīng)濟性方面，液氮成本約為LNG一半，但預冷后需全部排放，而系統(tǒng)缺乏氮氣大量就地安全排放的條件，需通過BOG系統(tǒng)排放。而上海LNG一期和擴建工程BOG為同一系統(tǒng)，連續(xù)排放氮氣將影響一期BOG正?；厥?；而采用LNG預冷，其排放與一期BOG混合后可實現(xiàn)部分回收。

2.3 合理拆分、排序預冷子系統(tǒng)

對于一個已經(jīng)建成即將試車投運的接收站，需冷卻設施包含多種規(guī)格的管道和設備，為保證預冷效果，通常需要拆分為多個子系統(tǒng)。從上述熱量與物料平衡分析可知，為保證預冷效果，系統(tǒng)內的流動速度需有最低保證，因此同一子系統(tǒng)所包含的管道或設備口徑盡可能接近，且不宜有中間分岔口。擴建工程利用現(xiàn)有設施的 LNG進行預冷，更需結合各子系統(tǒng)的LNG注入和BOG排放條件進行合理拆分。

子系統(tǒng)預冷排序應綜合冷源動力可獲得條件(需合適的壓力和可控流量)、系統(tǒng)隔離條件(前一系統(tǒng)的預冷狀態(tài)不影響后一系統(tǒng)的預冷操作)、管道布置情況(注入口、排放口的互相影響)等，因地制宜比選確定。國內 LNG同行曾因地制宜對儲罐冷卻和卸料管線冷卻的順序進行比選優(yōu)化[4]，比選多臺儲罐的單臺依次、2臺串聯(lián)、2臺并聯(lián)的冷卻方案[5]。

按照以上原則結合現(xiàn)場管道布置條件，本次擴建工程(儲罐部分)預冷系統(tǒng)拆分為24英寸低壓外輸管道、46英寸卸料和20英寸裝船管道、T-204儲罐、T-205儲罐等5個步驟依次預冷。

2.4 合理測算、配置臨時氣化器或冷卻噴嘴能力

臨時氣化器(用于管道預冷)或冷卻噴嘴(用于儲罐預冷)的最大流通能力需滿足預冷過程中最大流量需求。以本次擴建工程選用 LNG作為冷源介質為例，冷卻能力與溫度關系曲線如圖2所示。隨著冷源介質和待冷卻系統(tǒng)的溫差變小，為保證冷卻速度平穩(wěn)，需持續(xù)增大冷源介質的供應流量。

圖2 LNG冷卻能力與溫度關系曲線

對于臨時氣化器而言，既用于提供冷卻流量m2、也用于控制冷源導入溫度T2，故其最大氣化能力需求在預冷前中期(要求較大的m2，同時還要求較高的T2)即出現(xiàn)，中后期的流量增大需求更多通過增大氣化器旁通管道流量實現(xiàn)；對于冷卻噴嘴能力而言，最大噴射流量需求出現(xiàn)在儲罐預冷后期，如流通能力不足，或因冷源介質距離噴嘴過遠，噴嘴設計流量對應的 LNG溫度無法得到保證，可能出現(xiàn)最后階段溫度無法下降的問題[6]。

臨時氣化器最大氣化能力及冷卻噴嘴最大流通能力并非越大越好。最大氣化能力配置過大，可操作調節(jié)性變差，因預冷前期注入口所需流量較小，冷源介質通過氣化器后充分氣化、溫度接近大氣溫度。此時待冷卻系統(tǒng)溫度也高，如通過旁通調節(jié)使T2降低，則存在由于LNG直接進入而引發(fā)溫降速度超標的風險，因此根據(jù)所需氣化能力范圍，選擇多臺臨時氣化器并聯(lián)，并根據(jù)需求依次增加投運臺數(shù)來實現(xiàn)不同流量和注入溫度的調節(jié)需求。冷卻噴嘴能力同樣需合理測算配置，如能力過大，初期小流量需求時易造成噴嘴處壓力和流速不足，LNG無法通過噴射實現(xiàn)充分霧化而成滴落狀。

根據(jù)測算，本次擴建工程(儲罐部分)的大口徑管道預冷采用了多種規(guī)格臨時氣化器組合的方式，滿足了不同子系統(tǒng)和不同預冷階段所需的不同流量，保證了操作調節(jié)靈活性和平穩(wěn)性，保障了管道預冷速度和溫度分布；而儲罐預冷階段，由于噴嘴設計能力偏保守、流通能力偏大(擴建工程20萬m3儲罐噴嘴設計能力為 89 L/min，28個噴嘴總計為149.5 m3/h)，而測算噴射霧化流量的最低需求為大于25 m3/h，導致T-204儲罐冷卻初期流量過大、溫降過快；后續(xù)T-205儲罐預冷初期因控制流量導致噴射霧化效果不佳，LNG液滴呈滴落狀到儲罐下部空間。分析研究后，采取了“間歇式預冷”繼續(xù)完成儲罐預冷。

2.5 預冷注入、排放口的合理選擇優(yōu)化

為保證預冷流量，冷卻系統(tǒng)的冷源注入口和排放口的流通能力(m2和m4)也需相應匹配。由于一般冷源注入口距臨時氣化器較近，注入壓力p2較高、溫度T2較低，故流量相對易保證；而排放口壓力p4低、溫度T4較高，故同樣口徑管道的流通能力相較注入口下降較多。為保證預冷管道內流速以增強冷量輸送分布均勻性，同時保證冷源介質飽和溫度低以促成充分氣化，待預冷系統(tǒng)操作壓力越低越好，排放口的流通能力需充分保障，口徑越大越有利。另外，當預冷管道距離過長導致后期所需冷量難以充分保障時，可考慮多個注入點接力的方式。

本次擴建工程(儲罐部分)大口徑管道預冷前，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場多處管道注入口和排放口配置偏小。經(jīng)詳細復核和勘查分析，因地制宜優(yōu)化了相關管道的預冷起始注入點和末端排放點設置，并對起始注入點條件所限、或末端存在盲區(qū)的大口徑長距離管道，如20英寸高壓LNG管道、46英寸LNG卸料總管，創(chuàng)新實施“多點注入、集中排放”預冷方法[7]。如46英寸LNG卸料總管距離長480 m，經(jīng)計算，起始點并聯(lián)安裝2 000 m3/h、1 000 m3/h臨時氣化器各1臺，氣化后低溫BOG注入1個4英寸和2個1英寸導淋。同時，末端再安裝1臺600 m3/h臨時氣化器，氣化后低溫BOG注入6英寸保冷管道預留接口，輔助末端管道預冷。通過兩端接力式預冷和集中排放，有效克服了46英寸大口徑管道冷卻難、風險高的困難。

2.6 優(yōu)化管控BOG回收

如前所述，擴建工程試車預冷常采用 LNG介質。試車預冷過程產(chǎn)生大量BOG，回收難度較大。置換預冷初期，氮氣含量高，不適合 BOG系統(tǒng)回收，只能通過火炬排放；置換達標后，初期排放的BOG溫度較高、易導致BOG壓縮機運行溫度過高，后期排放的BOG溫度低、易在BOG壓縮機進口過濾網(wǎng)積聚導致壓差過高，影響 BOG壓縮機運行。因此，為保障試車預冷過程平穩(wěn)受控，一般預冷試車 BOG直接排放火炬，造成較大浪費和污染。近年來，隨著低碳綠色發(fā)展理念不斷深入人心，上海LNG和國內同行均在優(yōu)化BOG回收方面作了積極探索，推薦“火炬排放結合BOG壓縮機回收處理”的方式[8]。

本次擴建工程分析了上海LNG一期BOG系統(tǒng)實際運行情況，借鑒歷年來多次LNG船氣試經(jīng)驗，預冷試車時優(yōu)化操作、密切監(jiān)控2臺BOG壓縮機運行參數(shù)并合理安排切換，同時合理利用儲罐BOG壓力緩存空間，實現(xiàn)回收BOG近40%，節(jié)能增效成果良好。

3 預冷實施的操作監(jiān)控要點

20 K即暫停預冷、恢復至10 K之內再繼續(xù)預冷的方式，但溫差越來越大。經(jīng)過綜合分析、并詳細分析T-204、T-205儲罐各溫度測點與噴淋頭相對位置關系，復核噴淋管設計參數(shù)等，認為是噴淋管設計偏保守，導致操作中如要保證正常流速，則流量過大；如要控制合理流量，則流速過低，且噴淋環(huán)管流速分布不均，最末端噴頭有偏流現(xiàn)象，導致LNG未經(jīng)充分霧化而冷量集中滴落至內罐底部局部空間，造成個別點溫降過快。后續(xù)的T-205儲罐預冷中創(chuàng)新采用了脈沖式間歇加大和間歇停止噴淋流量的“小步脈沖式預冷”方法，并根據(jù)預冷溫度的持續(xù)降低相應調整流量調節(jié)閥開關時間的脈沖周期，保證了儲罐降溫速率不超過3～5 K/h，預冷過程趨于平穩(wěn)，最終安全、順利地完成T-205儲罐試車預冷。

3.1 大口徑管道預冷的冷量操控

大口徑管道由于管道內介質所包含的熱容大、外部漏入的熱量也大，因此所需冷源介質提供的冷量也大。根據(jù)Q=cmΔT，冷量增大可通過提高介質流量或增大溫差來達到。需要注意的是提高介質流量對于保證溫降和溫度傳遞分布均勻性均有利，只要氣化設施處的流速不超標均可；而增大溫差意味著多開啟臨時氣化器的旁通，引起的溫降效應明顯且流速提高效應不大，甚至因為介質溫度降低而降低，會導致冷量積聚在臨近氣化器出口的管道底部，造成管道上下溫差增大。因此，在預冷早中期，預冷冷量增大的需求應通過提高介質流量來實現(xiàn)，在預冷中后期，當注入處附近的管道已充分預冷且氣化能力已充分利用時，可通過增開旁通以降低介質注入溫度而實現(xiàn)增大冷量。

3.2 LNG儲罐預冷冷量操控

為保證大型 LNG儲罐預冷過程中內罐溫降速率和溫度分布均勻性都滿足控制指標，內罐預冷噴淋頭應有足夠流速并充分霧化，同時預冷噴淋頭流量不能過大而避免降溫速率失控。

本次擴建工程為避免T-204儲罐預冷初期降溫速率超標問題，T-205儲罐預冷初期降低了LNG流量，但發(fā)生內罐底部對應位置表面溫度計溫度快速下降且與其他點溫差快速加大。起初采取溫差超過

3.3 實時動態(tài)監(jiān)控措施

本次擴建工程在分階段試車投運過程中，先期試車的氣化設施部分管道預冷采用傳統(tǒng)方式，即搭設腳手架，采用人工上下攀爬測溫，勞動強度大、安全風險大，導致部分測量數(shù)據(jù)反饋不及時。后續(xù)儲罐部分的管道預冷應用了可拆裝式無線遠程數(shù)據(jù)采集和傳輸裝置系統(tǒng)，實現(xiàn)了重要溫度測點數(shù)據(jù)實時遠傳，并方便了數(shù)據(jù)的及時記錄和動態(tài)分析。

4 結語

(1) 試車預冷是 LNG設施建設投運的關鍵環(huán)節(jié)，也是確保生產(chǎn)運行安全的重要措施。預冷的安全、順利、經(jīng)濟取決于合理的工藝技術方案、事先系統(tǒng)的風險因素管控、規(guī)范嚴密的過程監(jiān)控和及時合理的應急處置。

(2) 預冷工藝技術方案的重點在于冷源介質選擇、氣化器或噴嘴能力合理測算配置、待預冷設施的冷源注入口和排放口尤其是排放口的通量保證、BOG回收處理優(yōu)化等方面比選優(yōu)化，應根據(jù)因地制宜制定方案，保障操作安全便利性，具有經(jīng)濟合理性。特別是臨時氣化器或冷卻噴嘴能力的測算除保證最大能力外，需慎重考慮最小流量的可操作調節(jié)性。大口徑管道預冷建議采用多臺臨時氣化器并聯(lián)方式。另外，BOG回收處理對預冷成本和環(huán)保影響較大，建議結合各項目實際開展進一步深入研究。

(3) 預冷操作過程應嚴格按方案執(zhí)行，大口徑管道預冷操作的關鍵是保證足夠大的預冷介質最小可操作流量，臨時氣化器最小可操作流量需保證最低管道流速以避免溫度分布不均并同時保障冷量傳遞，在預冷初期需增大冷量供應時，應通過增開氣化器提高氣化能力而不是開啟旁通降低溫度。大型儲罐冷卻操作的關鍵是保證冷卻噴嘴處的流速，如因噴嘴設計裕量太大，在預冷初期所需冷量較小時可采用間歇脈沖式，以同時滿足最低流速來保證充分霧化和控制最大溫降速率的要求。

(4) 應急處置原則是安全第一、預防為主。預冷過程可能出現(xiàn)各種問題，預冷前風險管控措施需到位，監(jiān)控措施配置應保障及時便利性，在此基礎上一旦遇到問題應動態(tài)分析判斷原因，及時采取合理措施，力爭避免中斷預冷。