張寶和海洋石油工程股份有限公司

浮式LNG接收站3×104m3全容儲罐冷卻技術(shù)研究

張寶和
海洋石油工程股份有限公司

儲罐冷卻是LNG儲罐調(diào)試工作中最關(guān)鍵和最危險的環(huán)節(jié)之一。針對國內(nèi)首個浮式LNG接收站3×104m3LNG儲罐冷卻過程，進行了冷卻方案比選，提出了預冷用LNG量的計算方法，介紹了冷卻條件及冷卻過程。針對冷卻過程中出現(xiàn)的常規(guī)問題及非常規(guī)問題進行了分析并給出相應的解決方案。研究成果對其他浮式或常規(guī)LNG接收站中LNG儲罐的冷卻具有參考意義。

浮式LNG接收站 LNG儲罐 計算方法 冷卻

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，渤海灣建成國內(nèi)首個浮式LNG項目，以減輕京津冀霧霾影響，緩解地區(qū)環(huán)境污染，同時縮短供氣周期，實現(xiàn)清潔能源快速供應。對于已經(jīng)投產(chǎn)運營的渤海灣某浮式LNG接收站，新建成的國內(nèi)首個兩座3×104m3LNG儲罐，在受壓力波動影響冷卻難以控制的條件下，如何準確預算儲罐預冷LNG用量，對儲罐鋪底氣量的貿(mào)易預算及實際預冷都有重要意義。

1 3×104 m3 LNG全容式儲罐預冷方案比選

1.1 冷卻方式比選

常規(guī)LNG接收站儲罐的冷卻方式有兩種，一種是利用接卸首船LNG對儲罐冷卻,另一種是LNG接收站正式運營后，利用LNG接收站儲存的LNG對新建儲罐冷卻，同時不影響接收站的正常運營[1]。國內(nèi)渤海灣某浮式LNG接收站，既可以使用接卸LNG船上的LNG進行冷卻，也可以選擇FSRU(浮式儲存接卸裝置)中儲存的LNG進行冷卻。前者操作流程簡單，但會受船期、現(xiàn)場作業(yè)進度等的影響；后者需將LNG接卸到FSRU上，再通過FSRU的噴淋泵和卸料泵進行儲罐冷卻，這雖增加了操作流程，但是不受來船、工期等的影響，且FSRU長期靠泊，安全性高。經(jīng)綜合考慮以后者進行冷卻為宜。為保證儲罐冷卻平穩(wěn)，操作控制方便，安全可控，選擇兩座儲罐先后間隔為24 h進行冷卻。

1.2 冷卻介質(zhì)比選

國內(nèi)16×104m3大型LNG儲罐多采用LNG介質(zhì)預冷，近年也少有項目采用液氮先進行預冷，再用LNG預冷。針對本工程，一種方式是直接使用FSRU上的LNG產(chǎn)生的BOG對卸料管線進行冷卻[2]；另一種是使用液氮氣化形成的低溫氮氣采用爆破方式對卸料管線冷卻到-110 ℃，產(chǎn)生的冷氣初步預冷儲罐，然后再使用LNG進行冷卻和灌注卸料管線，待充液完成后對儲罐進行冷卻。這種方式可以節(jié)省冷卻時間，節(jié)約成本，風險小，因此，選擇后者方式進行冷卻。

2 冷卻用LNG量計算

3×104m3儲罐國內(nèi)無先例，需計算預冷用LNG量，以做好充分的LNG原料準備。儲罐預冷試車時，LNG的用量主要與儲罐用鋼量有關(guān)。為便于計算，暫不考慮液氮對儲罐預冷的影響。計算過程如下：

(1) 內(nèi)罐預冷LNG消耗量。依據(jù)內(nèi)罐9Ni鋼用鋼總量約500 t，9Ni鋼比熱容為 480 J/(kg·℃)，內(nèi)罐冷卻到-160 ℃，設平均環(huán)境溫度為20 ℃，LNG汽化熱為510 kJ/kg，由能量守恒定律得出：

Q=C·M·△T

=500×480×[20-(-160)]

=43 200 000 (kJ)

則LNG消耗量為 43 200 000÷510=84.71 (t)

(2) 儲罐內(nèi)氮氣需消耗LNG量。依據(jù)3×104m3儲罐全容積3.263×104m3，氮氣密度1.25 kg/m3，氮氣比熱容1.038 kJ/(kg·℃)，由能量守恒定律得出：

Q=C·M·△T

=32 630×1.25×1.038×[20-(-160)]

=7 620 736 (kJ)

則LNG消耗量為7 620 736÷510=14.94 (t)

(3) 儲罐漏熱消耗LNG量。儲罐預冷估算時間2.5天，每日BOR取0.05%，LNG密度取450 kg/m3，因此，LNG消耗量為：

32 630×0.05%×2.5×450=18.35 (t)

綜上，LNG理論用量 ①+②+③=118 (t)

根據(jù)大型儲罐的預冷經(jīng)驗，實際LNG用量是理論計算值的約1.8倍，兩個儲罐用量為：

118×2×1.8=424.8(t)

實際預冷后，船方顯示用量大約為417 t，因此，理論值基本符合實際。

3 冷卻過程

3.1 卸料管線冷卻

儲罐建造過程中，儲罐與卸料總管相接的部位應該預先安裝好盲板法蘭，儲罐準備冷卻前，先使用低溫氮氣采用爆破預冷方式[3]將卸料總管中氣體初步置換，然后拆除盲板法蘭。低溫氮氣從卸料總管預留接口進入管線，分別經(jīng)過LNG碼頭和FSRU碼頭卸料臂與BOG管線的跨接線，將低溫氮氣放空至火炬。冷卻與儲罐連接的卸料管線時，打開儲罐底部卸料管線關(guān)斷閥(SDV-1001)和儲罐罐頂進料閥(HV-1001)，通過儲罐放空閥對產(chǎn)生的氣體進行放空。 儲罐工藝流程圖見圖1。

卸料管線冷卻完畢后，啟動FSRU上的噴淋泵對FSRU碼頭卸料臂進行冷卻，并對卸料總管充液。充液時打開SDV-1001和HV-1001，填充管線產(chǎn)生的BOG氣體用于置換兩座儲罐內(nèi)的氮氣。當卸料總管上表面溫度計示數(shù)達到-150 ℃時，卸料總管充填完畢。當與儲罐連接的進料立管底部的表面溫度計示數(shù)達到-150 ℃，儲罐卸料管線充填完畢，為了避免LNG帶入儲罐，關(guān)閉罐頂進料閥門HV-1001，對儲罐進料豎管進行充液，這時應完全打開噴淋管線閥門，將產(chǎn)生的BOG氣體排入儲罐內(nèi)，儲罐罐頂進料立管上的表面溫度計示數(shù)達到-130 ℃時，儲罐進料立管基本充液完成，關(guān)閉SDV-1001。

3.2 儲罐冷卻

在卸料管線充填結(jié)束后，通過噴淋管線預冷儲罐，LNG受到噴嘴的噴灑和霧化作用而發(fā)生向各個方向的迸射，使內(nèi)罐內(nèi)的各點都能與LNG氣化后的氣體接觸而均勻冷卻，如圖2所示。儲罐冷卻的目標是使罐底所有表面溫度計顯示均在-150 ℃以下。為避免冷卻時儲罐內(nèi)壁受冷收縮過大造成變形，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，將儲罐冷卻速率控制在3～5 ℃/h，同時，冷卻時罐底或罐壁上任意相鄰的兩個表面溫度計的溫度差不應超過20 ℃，任意兩個不相鄰的表面溫度計間的溫度差不應超過50 ℃[4]。若超過限定值，應降低儲罐冷卻速率，以均衡罐內(nèi)溫度。

當罐底溫度接近-150 ℃時，LNG開始在內(nèi)罐底板上形成液膜，繼續(xù)冷卻至內(nèi)罐底板表面溫度計全部達到-150 ℃時，打開進料管線的旁路閥門為儲罐充液，直至儲罐液位為300 mm后開始快速充液。

3.3 冷卻數(shù)據(jù)

儲罐冷卻過程需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)主要包括內(nèi)罐壁板和底板溫度、相鄰/任意溫度計間溫差、溫降速率、噴淋流量、儲罐壓力等參數(shù)[1]。儲罐壓力可通過噴淋管線調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，也可通過火炬系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥進行PID控制調(diào)節(jié)。

儲罐冷卻過程中，利用分布在內(nèi)罐底板和壁板的表面溫度計可以監(jiān)控儲罐各點的溫度值和溫降速率等參數(shù)。以儲罐A為例，冷卻共耗時50 h，平均溫降速率2.84 ℃/h。儲罐冷卻前10 h冷卻速率較慢，后面冷卻速率較快，基本符合冷卻要求。

3.4 問題分析

圖3中，罐底溫度在17～20 h時有回升的趨勢，原因是FSRU碼頭排氣，導致儲罐噴淋管線的壓力下降，進入儲罐內(nèi)的LNG流量不足，罐底溫度略有上升。罐壁溫度曲線較為完美，見圖4。

在儲罐冷卻過程中，常見問題主要有：①管托位移過大；②法蘭泄露；③壓力過高；④溫降速率過大等[5]。現(xiàn)場調(diào)試人員應該在冷卻前做好應對預案及措施，現(xiàn)場保運人員24 h待命，出現(xiàn)問題及時按照預案進行處理。

儲罐冷卻需要在一段時間內(nèi)提供足夠的冷量使儲罐降到要求的溫度，如果LNG供應量不足，可能造成后期冷卻時溫降速率過慢，嚴重時會出現(xiàn)短暫回溫現(xiàn)象，影響儲罐的冷卻進程和效果。出現(xiàn)此問題的原因是多方面的，主要有：①前期設計時對噴淋管線各設備壓力分配不當，尤其是對于調(diào)節(jié)閥和噴淋頭的壓降分配不當，導致流量不能達到最大化；②卸料管線壓力偏低；③噴淋環(huán)管和噴淋管線的焊接是在儲罐內(nèi)部完成的，焊接完成后無法進行吹掃，可能存在焊渣，在儲罐冷卻過程中如果將噴嘴堵塞，造成冷量不足。

針對此問題，在設計階段應該適當分配調(diào)節(jié)閥和噴淋頭的壓降，使得調(diào)節(jié)閥在正常的壓降下至少有20 m3/h的流量，同時盡量選擇相同流量下壓降小的噴淋頭。在現(xiàn)場施工階段，應該按照標準要求來開展焊接工藝評定和編制焊接工藝規(guī)程，選用有資質(zhì)的焊工進行焊接作業(yè)。

4 結(jié) 論

(1) 儲罐冷卻是LNG接收站投產(chǎn)最重要的一項調(diào)試工作，需要在設計階段、施工階段做好技術(shù)準備，冷卻過程中做好過程監(jiān)控與冷卻速率控制。

(2) 合理預估儲罐預冷后的投產(chǎn)時間，避免因預留時間長需增加保冷循環(huán)而導致成本增加。

(3) LNG預冷用量計算方法可為其他LNG儲罐預冷計算提供參考。

[1] 王良軍, 劉楊, 羅仔源, 等. 大型LNG地上全容儲罐的冷卻技術(shù)研究[J]. 天然氣工業(yè), 2010, 30(1): 93-95.

[2] 陳帥, 田士章, 胡文江, 等. LNG儲罐冷卻過程中BOG回收量探討[J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42(4): 373-377.

[3] 孟勇. 淺析全容式LNG儲罐干燥置換技術(shù)[J]. 石油化工設備技術(shù), 2014, 35(3): 14-16.

[4] CEN/TC 265技術(shù)委員會. 用于儲存操作溫度介于0～-165℃的低溫液化氣體的現(xiàn)場建造立式圓筒型平底鋼制儲罐的設計和建造: EN 14620-2: 2006[S]. 2006.

[5] 成永強, 田士章, 魏念鷹, 等. LNG接收站試運投產(chǎn)中儲罐冷卻的相關(guān)問題[J]. 油氣儲運, 2013, 32(5): 517-520.

Research of cooling technology for 30 000 m3LNG tank of floating LNG terminal

Zhang Baohe
OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin,China

The cooling down is one of the most important and dangerous work in LNG tank commissioning. In view of the cooling down process of the first 30 000 m3LNG storage tank of floating LNG terminal in China, the cooling schemes are compared and the calculation method of LNG for pre-cooling is put forward. Conditions and process of the cooling down are introduced respectively in this paper. Focusing on the conventional and non-conventional problems in cooling down, the corresponding solutions are given. The results of this research have reference value for the cooling down of LNG storage tanks in other floating or conventional LNG terminals.

floating LNG terminal, LNG storage tank, calculation method, cooling down

張寶和(1981-)，高級工程師。畢業(yè)于西南石油大學化工過程機械專業(yè)，獲碩士學位?，F(xiàn)就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事液化天然氣工程施工調(diào)試技術(shù)管理與研究工作。E-mail:zhangbh@mail.cooec.com.cn

TE97

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.009

2016-08-05；編輯：康 莉