上海LNG液氮儲(chǔ)罐控制原理及改造

上海液化天然氣有限責(zé)任公司耿榮君

上海液化天然氣有限責(zé)任公司坐落于洋山島上，一期設(shè)計(jì)年輸天然氣量為40億m3，目前已經(jīng)投產(chǎn)。二期計(jì)劃將輸氣量擴(kuò)大一倍至年輸天然氣80億m3。在一期中的主要設(shè)備為：一個(gè)LNG卸船碼頭、三個(gè)儲(chǔ)量為16.5 萬(wàn)m3的LNG儲(chǔ)罐、12臺(tái)罐內(nèi)LNG輸出泵、5臺(tái)高壓輸出泵、5臺(tái)海水氣化泵、4臺(tái)中間丙烷介質(zhì)氣化器、2臺(tái)蒸發(fā)氣壓縮機(jī)、各種消防設(shè)備、設(shè)施和公用系統(tǒng)，如氮?dú)庀到y(tǒng)、淡水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)。氮?dú)庀到y(tǒng)主要設(shè)備有：1個(gè)四川空分設(shè)備有限責(zé)任公司的CFL－20/1.6型低溫液氮儲(chǔ)罐(總?cè)莘e為21 m3，有效容積為20 m3)，2臺(tái)QQ－500/30型的空氣氣化器，每臺(tái)設(shè)計(jì)氣化量為500 m3/h，兩臺(tái)氣化器為1備1用。

液氮儲(chǔ)罐為雙層圓筒形結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器及其配管均用奧氏體不銹鋼制造，外容器用Q235－B制造，夾層填充珠光砂，并抽真空。儲(chǔ)罐有供各種操作的閥門，閥門全部布置于貯罐的底部周圍，貯罐設(shè)有壓力表、液面計(jì)等檢測(cè)儀表。

1 液氮系統(tǒng)使用中存在的問(wèn)題及原因分析

本公司氮?dú)獾挠猛荆?1)為12臺(tái)罐內(nèi)泵和5臺(tái)高壓輸出泵的動(dòng)力接線盒提供氮封；(2)為4條卸料臂的旋轉(zhuǎn)接頭提供吹掃氮?dú)猓?3)為火炬提供日常微正壓；(4)為蒸發(fā)氣壓縮機(jī)提供軸密封用氣；(5)卸料臂使用前后置換。(6)各設(shè)備和管道維護(hù)檢修提供吹掃和置換用氮?dú)狻?/p>

在以上各使用點(diǎn)中，第(2)、(3)、(4)點(diǎn)為連續(xù)使用，這三項(xiàng)使用量為27~32 m3/h(氣相)。其它幾點(diǎn)為只有需要時(shí)才使用，平常是不用氮?dú)獾摹?/p>

1.1 液氮系統(tǒng)的流程及操作

液氮系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 液氮系統(tǒng)流程示意

輸出氣化操作：正常液氮的輸出氣化操作是關(guān)閉V5，打開(kāi)V2、V6、V7、XV1或XV2，則液氮流經(jīng)V2進(jìn)入氣化器E1或E2，氣化后經(jīng)A4調(diào)壓送入氮?dú)夤芫W(wǎng)各用氣點(diǎn)。

氮?dú)夤拊鰤翰僮鳎喝绻獨(dú)夤迚毫Φ陀谛枨髸r(shí)，檢查V4處于常關(guān)，V3處于常開(kāi)，打開(kāi)V1，一小股液氮流經(jīng)V1進(jìn)入增壓氣化器Pr中，氣化后經(jīng)V3流至液氮儲(chǔ)罐頂部，儲(chǔ)罐的壓力就會(huì)上升。

液氮系統(tǒng)的安全設(shè)置：本液氮系統(tǒng)有一套完善的自動(dòng)壓力控制系統(tǒng)，設(shè)有A1、A2、A3、A4四個(gè)自立式壓力調(diào)壓閥。A1為壓關(guān)式壓力調(diào)壓閥，當(dāng)閥后壓力達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以防液氮儲(chǔ)罐壓力超過(guò)需求的壓力。A2為壓開(kāi)式壓力調(diào)壓閥，當(dāng)閥前壓力達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，從而把壓力向閥后釋放經(jīng)單向閥C進(jìn)入排液管道。A3為自立式壓力調(diào)壓閥，當(dāng)液氮儲(chǔ)罐壓力升高到其設(shè)定點(diǎn)時(shí)，此閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)把壓力釋放到大氣中，從而保證儲(chǔ)罐的安全。A4為壓關(guān)式調(diào)壓閥，當(dāng)其后壓力達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，此閥會(huì)關(guān)閉，當(dāng)其后壓力低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，此閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，從而保持氮?dú)夤芫W(wǎng)的壓力相對(duì)穩(wěn)定。

4個(gè)調(diào)壓閥的設(shè)定點(diǎn)如下：A1為0.825 MPa；A2為0.85 MPa；A3為1.25 MPa；A4為0.75 MPa。

由以上敘述可知，正常操作下，液氮貯槽壓力應(yīng)維持在0.82~0.85 MPa之間。

1.2 使用中存在的問(wèn)題

本公司在使用中液氮存儲(chǔ)及氣化工藝存在長(zhǎng)期超壓?jiǎn)栴}，儲(chǔ)罐壓力不能控制在0.825~0.85 MPa之間，尤其是在夏季，當(dāng)罐壓已經(jīng)上升到0.95 MPa時(shí)，A2閥還沒(méi)有氣相通過(guò)從而把罐壓降下來(lái)。為了安全操作員只有通過(guò)打開(kāi)V4閥對(duì)空排放的方式給儲(chǔ)罐降壓，浪費(fèi)了氮?dú)狻?/p>

儲(chǔ)罐壓力超過(guò)設(shè)定值存在以下問(wèn)題：

(1)氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力超壓，超過(guò)設(shè)定值0.75 MPa，這一方面導(dǎo)致火炬吹掃用氮?dú)饬看蠓黾?，浪費(fèi)了氮?dú)猓硪环矫娉^(guò)了罐內(nèi)泵和高壓泵輸出泵動(dòng)力接線盒氮封的設(shè)計(jì)壓力(0.75 MPa)，引起在DCS上的報(bào)警。

(2)如果罐壓超高，可能會(huì)引起事故，如法蘭泄漏、儀表連接螺紋漏氣、安全閥啟跳、爆破片漏氣或破裂等事故。

關(guān)于儲(chǔ)罐超壓的原因最初認(rèn)為A2閥或單向閥C出了故障，不能正常工作，后經(jīng)連續(xù)觀察記錄，當(dāng)罐液位高于70%時(shí)，沒(méi)有氣相通過(guò)A2和C閥，當(dāng)液位降到70%時(shí)開(kāi)始有少量氣相間斷從A2閥通過(guò)，當(dāng)液位低于50%就有大量氣相從A2閥連續(xù)通過(guò)，此時(shí)液氮儲(chǔ)罐的壓力是可以控制在所設(shè)定的0.825~0.85 MPa之間的。

1.3 對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生原因的分析

根據(jù)上文對(duì)液氮系統(tǒng)工藝的說(shuō)明和4個(gè)調(diào)壓閥壓力的設(shè)定可知，A2閥的作用是為了節(jié)約用氣和降低罐壓，其原理為當(dāng)內(nèi)罐頂部氣相的壓力超過(guò)A2閥的開(kāi)啟壓力時(shí)(0.85 MPa)，A2閥打開(kāi)，罐頂?shù)臍庀嗤ㄟ^(guò)A2和單向閥C，經(jīng)V2閥排入氮?dú)夤芫W(wǎng)，同時(shí)截?cái)嘁合嗔?，從而降低罐?nèi)壓力，避免了當(dāng)罐壓超高時(shí)通過(guò)手動(dòng)打開(kāi)V4對(duì)空排放而浪費(fèi)氮?dú)獾那闆r；當(dāng)內(nèi)罐頂部氣相的壓力小于A2閥的開(kāi)啟壓力時(shí)，A2處于關(guān)閉狀態(tài)，V2閥排放液相。那么造成使用過(guò)程中罐壓力超高，不能控制在設(shè)定范圍之間的原因是什么呢？

經(jīng)過(guò)分析其原因是在罐液位高時(shí)調(diào)壓閥A2和單向閥C(即圖2中A、B兩點(diǎn))前后的壓力差不足以克服此兩閥對(duì)流體的阻力降即排氣點(diǎn)到儲(chǔ)罐液面的液柱靜壓力pH。

式中：pB—B處壓力，MPa；

p—?dú)庀嗫臻g壓力，MPa；

pH—排液管頂端到液面的液柱靜壓力，MPa；

p2—管路阻力，MPa。

式中：PA—A處的壓力，MPa；

p—?dú)庀嗫臻g壓力，MPa；

p3—管路的阻力，MPa。

由于管內(nèi)流體的流速很低，管路阻力p2、p3可以忽略不計(jì)。所以：

A2閥和單向閥C前后的壓力差：

由以上分析可以看出A2閥和C閥前后的壓力差的大小與罐液位高低有直接關(guān)系，液位高時(shí)壓力差就小，反之壓力差就大。

圖2 原因分析

當(dāng)液位高于 70%的時(shí)候，排氣點(diǎn)到液面的液柱靜壓力較小，即A2閥和C閥的前后壓力差不足以克服 A2閥和 C閥對(duì)流體的阻力(將此阻力記作Δp2)，所以即使罐壓大于A2閥的設(shè)定點(diǎn)0.85 MPa，氣相仍不能通過(guò)，也就不能自動(dòng)降低罐的壓力。當(dāng)罐液位低于50%時(shí)Δp1一直大于ΔP2，氣相始終能通過(guò)A2和C；當(dāng)液位在50%與70%之間時(shí)，Δp1剛大于ΔP2，有氣相通過(guò)A2后，A處的壓力下降，Δp1又小于或等于 ΔP2了，所以有少量間斷氣相通過(guò)A2閥。

2 液氮系統(tǒng)的改造方案探討

由上面的分析可知，造成我公司液氮系統(tǒng)在使用中的壓力不可自動(dòng)控制(貯槽液位高于 70%時(shí))的原因是調(diào)壓閥A2和單向閥C前后的壓力差太小，不足以克服調(diào)壓閥A2和單向閥C自身對(duì)流體的阻力。

為了使液氮儲(chǔ)罐系統(tǒng)更好的工作，能自始至終自動(dòng)控制自身壓力在0.825~0.85 MPa之間，提出以下改造方案。

改造方案中增加 3個(gè)手動(dòng)閥、3個(gè)調(diào)壓閥、3個(gè)單向閥和1個(gè)減壓閥。

具體方案見(jiàn)圖3。

圖3 液氮系統(tǒng)改造方案及原理

圖3中灰底閥件和管線表示是改造增加的，其中A5是型號(hào)和A2一樣的調(diào)壓閥，C1是型號(hào)和C一樣的單向閥，在輸出管線V2閥后加裝減壓閥A6，經(jīng)改造后工藝流向和控制為：正常氣化時(shí)，液氮流經(jīng)V2，經(jīng)減壓閥A6減壓后經(jīng)過(guò)氣化器E1或E2氣化升溫給氮?dú)夤芫€供氣。在貯槽壓力低于 0.825 MPa時(shí)，A1閥自動(dòng)打開(kāi)，一小股液氮經(jīng)增壓氣化器Pr氣化后經(jīng)A1、V3返回貯槽頂部給貯槽增壓，當(dāng)槽頂部壓力達(dá)到0.825 MPa時(shí)A1閥自動(dòng)關(guān)閉，停止增壓。如果貯槽壓力異常高于0.85 MPa后調(diào)壓閥A5打開(kāi)，貯槽頂部氣相經(jīng)V3、V9、A5、C1、V5進(jìn)入輸出管線，從而降低貯槽的壓力，當(dāng)貯槽壓力降到0.85 MPa以下時(shí)A5閥關(guān)閉，貯槽頂部氣相不再流向輸出管線。這樣貯槽壓力就會(huì)維持在0.825~0.85 MPa之間。

為了實(shí)現(xiàn)上面的改造設(shè)想，我們?cè)谳敵龉芫€上增加了一個(gè)減壓閥A6，這樣：

A5閥前壓力＝貯槽頂部氣相壓力p；

C1閥后壓力p2＝p-pH-減壓閥A6的壓力p3；

A5和C1的前后壓差ΔP= p-p2= pH+p3。

只要我們通過(guò)合理設(shè)定A6后的壓力，就可以保證ΔP不管貯槽液位如何，始終大于A5和C1對(duì)流體的阻力降。

經(jīng)與液氮貯槽廠家技術(shù)人員聯(lián)系，給出的 A5和C1對(duì)流體的阻力降都約為10 kPa。經(jīng)過(guò)觀察記錄得出的實(shí)際數(shù)據(jù)分析，在ΔP為14 kPa(儲(chǔ)罐液位在70%)時(shí)有少量斷續(xù)的氣相通過(guò)A2和C閥，在ΔP為22 kPa(儲(chǔ)罐液位在50%)時(shí)始終有氣相通過(guò)A2和C閥。也就是只要A6閥提供22 kPa的減壓量就可以實(shí)現(xiàn)改造設(shè)想。所以只要將A6閥后壓力設(shè)定在0.8 MPa就能始終保證ΔP始終大于A5和C1對(duì)流體的阻力降。

3 改造優(yōu)點(diǎn)

改造簡(jiǎn)單，費(fèi)用低：這種改造方法只需增加 3個(gè)手動(dòng)閥、3個(gè)調(diào)壓閥、3個(gè)單向閥和1個(gè)減壓閥，費(fèi)用低；改造時(shí)無(wú)需停用系統(tǒng)；且A2閥所在的管線與V5閥所在管線直徑一樣，材質(zhì)一樣，便于改造安裝。

(1)保留了原流程：這個(gè)改造方法保留了原流程，只是用一個(gè)手動(dòng)閥V8將原調(diào)壓閥A2、單向閥C隔離，不再使用這條線。如果因需要再啟用這條線，也只是改變下幾個(gè)閥門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)而已。

(2)改造手續(xù)簡(jiǎn)單：液氮系統(tǒng)為壓力容器，要是改變?cè)Y(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)、向有關(guān)部門申報(bào)。此種改造沒(méi)有改變?cè)O(shè)計(jì)，沒(méi)有改變?cè)鞒探Y(jié)構(gòu)，在改造手續(xù)上就很簡(jiǎn)單。

(3)提高了系統(tǒng)可靠性：這種改造方法保留了原設(shè)計(jì)的A2和C這條線，使它與A5和C1這條線組成了一備一用，如果其中一條線中的調(diào)壓閥或者單向閥出了故障可以啟用另一條線。無(wú)需停用系統(tǒng)就可以進(jìn)行隔離拆下檢修。

4 改造施實(shí)效果及意義

以上改造方案已施實(shí)，改造后經(jīng)過(guò)3個(gè)月對(duì)液氮儲(chǔ)罐壓力的觀察記錄，效果很好，液氮儲(chǔ)罐壓力可以很好地自動(dòng)控制在0.825~0.85 MPa之間。

設(shè)置液氮儲(chǔ)罐系統(tǒng)的工廠一般都在日常情況下對(duì)氮?dú)獾男枨罅坎淮?，在使用過(guò)程中都可能存在著和本公司類似的問(wèn)題，本改造方法對(duì)類似問(wèn)題的解決有參考和借鑒意義。