LNG儲罐預(yù)冷后期溫降困難的分析及建議

張強強 李連強 賈 砼 王乃民 張寶和

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461

0 前言

近年來,隨著我國對清潔能源的需求不斷加大,LNG行業(yè)迎來了空前大發(fā)展,沿海各大城市接連投資建設(shè)多個大型LNG接收站[1-4]。LNG儲罐作為接收站的核心設(shè)備,其成本占接收站投資的近60%[5-7]。調(diào)試是接收站投產(chǎn)前的最后一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),LNG儲罐預(yù)冷是整個調(diào)試工作的重中之重[8]。國內(nèi)針對儲罐預(yù)冷相關(guān)技術(shù)已開展較多研究,部分學(xué)者通過建立模型對LNG儲罐預(yù)冷過程進(jìn)行了動態(tài)模擬[9-16],取得了一些可供工程參考的技術(shù)支持,也有部分工程師結(jié)合儲罐的實際預(yù)冷過程提供了一些可供參考的操作經(jīng)驗[17-19]。但是,筆者根據(jù)近年來參加的多個大型LNG儲罐預(yù)冷實踐發(fā)現(xiàn),在接收站投產(chǎn)初期,通過首船預(yù)冷LNG儲罐時在預(yù)冷后期均出現(xiàn)了不同程度的溫降困難,而這種現(xiàn)象卻鮮有報道。本文基于大型LNG儲罐預(yù)冷實際經(jīng)驗,對上述現(xiàn)象進(jìn)行深入的理論分析和模擬計算,找出問題根源,并從設(shè)計優(yōu)化和調(diào)試兩個角度提出解決上述問題的措施,以期為未來同類LNG儲罐設(shè)計和預(yù)冷操作提供借鑒。

1 LNG儲罐預(yù)冷操作介紹

1.1 典型LNG儲罐預(yù)冷工藝流程

圖1 典型新建LNG接收站投產(chǎn)時儲罐預(yù)冷工藝流程圖Fig.1 Typical pre-cooling process flow diagram of storage tanks when a new LNG terminal is put into operation

以國內(nèi)某典型LNG接收站為例,新建LNG接收站投產(chǎn)時儲罐的預(yù)冷工藝流程為:來自遠(yuǎn)洋運輸船的LNG通過船泵加壓輸出并進(jìn)入卸料總管,卸料總管中的LNG最終通過儲罐進(jìn)料立管和罐上預(yù)冷管線進(jìn)入儲罐,通過預(yù)冷管線末端的預(yù)冷噴嘴對儲罐進(jìn)行噴淋預(yù)冷,目的是為了避免儲罐預(yù)冷時應(yīng)力集中引發(fā)裂紋[20]。預(yù)冷期間,儲罐內(nèi)產(chǎn)生的大量BOG氣體通過罐頂?shù)腂OG管線進(jìn)入BOG總管,并最終通過火炬燃燒泄放。典型新建LNG接收站投產(chǎn)時儲罐預(yù)冷工藝流程見圖1,儲罐預(yù)冷時罐上主要管線閥門示意見圖2。

圖2 儲罐預(yù)冷時罐上主要管線閥門示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main pipelines and valves on the tank when the storage tank is precooled

1.2 LNG儲罐預(yù)冷后期溫降情況

圖1中的接收站共有2座3×104m3LNG儲罐需要預(yù)冷,按照已獲批準(zhǔn)的《儲罐預(yù)冷程序》文件要求,首先進(jìn)行A罐預(yù)冷,在A罐預(yù)冷24 h后開始進(jìn)行B罐預(yù)冷,此時A罐預(yù)冷已經(jīng)平穩(wěn)。依據(jù)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》,儲罐預(yù)冷過程中,內(nèi)罐的目標(biāo)冷卻速度為3 ℃/h,最大冷卻速度為5 ℃/h,罐壁或罐底上任意兩個相鄰熱電偶之間的最大溫差為30 ℃[20]。在進(jìn)行A罐預(yù)冷時,預(yù)冷前期儲罐溫降速率基本控制在3 ℃/h,在儲罐底板平均溫度達(dá)到-135 ℃ 后,儲罐溫降速率開始出現(xiàn)明顯下降,接近1 ℃/h,并有逐漸變小趨勢,此時罐頂預(yù)冷管線(DN 50)流量約19 m3/h,已接近設(shè)計預(yù)冷最大用量20 m3/h。

通常情況下,隨著儲罐溫度的下降,單位溫降所需的LNG流量會逐漸增大,這主要是由于儲罐內(nèi)部溫度越低,進(jìn)入儲罐的LNG與儲罐換熱可利用的焓變就越小,相關(guān)文獻(xiàn)中也對此進(jìn)行了類似的報道[7,15,16]。針對上述情況,現(xiàn)場采取了多種措施嘗試對其進(jìn)行干預(yù),首先逐步全開預(yù)冷管線調(diào)節(jié)閥,但預(yù)冷管線流量并無明顯變化;隨后提高卸料總管的壓力,并對卸料總管進(jìn)行高點排氣,儲罐溫降速率均無明顯提升。

圖3為A罐預(yù)冷后期某時刻中控監(jiān)控畫面,從圖3-a)可以看到此時預(yù)冷管線LNG溫度約為-130 ℃,流量為18.7 m3/h;從圖3-b)可以看到儲罐底板溫降速率已經(jīng)開始變緩。

a)A罐預(yù)冷管線中LNG溫度及流量圖 a)The diagram of LNG temperature and flowrate of pre-cooling pipeline from tank A

b)A罐罐底溫度變化曲線圖 b)The diagram of temperature curve at the bottom of tank A

2 原因分析

通過對預(yù)冷涉及的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)上述問題主要是由于卸料總管(DN 800)相對于預(yù)冷管線(DN 50)尺寸較大。儲罐預(yù)冷所用LNG流量(2～20 m3/h)相對較少,且首船預(yù)冷第一座儲罐的預(yù)冷持續(xù)時間較長(約55 h),導(dǎo)致大量LNG在卸料總管內(nèi)長時間停留,并不斷從環(huán)境中吸收熱量,在儲罐預(yù)冷的后期,卸料總管內(nèi)的LNG逐漸由船泵出口的過冷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏蛘叱雠蔹c的氣液平衡態(tài),溫度偏高,實際值僅為-133 ℃(為卸料總管0.5 MPa壓力下的飽和態(tài)溫度),攜帶冷量不足,無法使儲罐預(yù)冷溫度進(jìn)一步降低。

儲罐預(yù)冷時,卸料總管內(nèi)的LNG通過預(yù)冷管線進(jìn)入LNG儲罐,在罐內(nèi)進(jìn)行閃蒸,相應(yīng)罐內(nèi)氣相溫度逐步下降,閃蒸后部分氣相直接通過罐頂?shù)腂OG管線排入BOG管網(wǎng),而液相會逐步向罐底下落,并繼續(xù)和罐內(nèi)氣體及罐體等換熱后變成BOG氣體,再排入BOG管網(wǎng)。通常情況下,卸料總管中的LNG的溫度越低,閃蒸后的液相就越多,儲罐預(yù)冷就越充分。

通過ASPEN HYSYS軟件進(jìn)行模擬計算,對上述問題進(jìn)行進(jìn)一步分析，見圖4。在儲罐預(yù)冷過程中,卸料總管壓力控制在0.5 MPa,儲罐罐壓控制在8 kPa。在儲罐底板平均溫度達(dá)到-135 ℃后,卸料總管中的LNG溫度達(dá)到-133 ℃,從表1的計算結(jié)果可見,此時LNG進(jìn)入儲罐閃蒸后的液相摩爾含量僅為81.00%,而當(dāng)卸料總管中的LNG溫度為-160 ℃(設(shè)計值)時,閃蒸后液相摩爾含量為99.97%。根據(jù)計算結(jié)果分析,由于儲罐預(yù)冷后期卸料總管內(nèi)LNG的實際溫度明顯高于設(shè)計值,進(jìn)而導(dǎo)致LNG進(jìn)入儲罐閃蒸后獲得的液相流量明顯減少,實際只有約15.39 m3/h,明顯低于設(shè)計值(20 m3/h),因此在儲罐預(yù)冷后期,即使全開預(yù)冷管線閥門,也無法提供足夠的LNG來保證儲罐溫降速率在3～5 ℃/h。由此可見,在本項目中,因預(yù)冷后期卸料總管溫升導(dǎo)致可用的LNG冷量不足是儲罐預(yù)冷溫降困難的主要原因。0.5 MPa下卸料總管中不同LNG溫度對應(yīng)的閃蒸后的液相流量見表1,從表1可以看出,隨著卸料總管LNG溫度的提高,進(jìn)入儲罐后閃蒸獲得的液相流量逐漸減小,也就是實際可供儲罐預(yù)冷使用的LNG流量逐漸減小,需要通過其他方式提供一部分LNG才能滿足儲罐正常預(yù)冷需求。

a)工況1 a)Condition 1

b)工況2 b)Condition 2

c)工況3 c)Condition 3

d)工況4 d)Condition 4

表1 0.5 MPa下卸料總管中不同LNG溫度對應(yīng)閃蒸后的LNG流量表

3 解決方案

通過上述分析表明,要解決LNG儲罐預(yù)冷后期溫降困難問題,首先應(yīng)該考慮如何降低卸料總管內(nèi)LNG的溫度。對于本項目新建接收站使用首船預(yù)冷第一座LNG儲罐的情況,定期對卸料總管進(jìn)行排氣操作可以帶走其中的部分熱量,有助于延緩卸料總管中LNG的溫升,但是想要使卸料總管內(nèi)LNG的溫度降低到現(xiàn)設(shè)計值-160 ℃,非常困難,幾乎不可能實現(xiàn)。從表1可以看出,在無法完全降低卸料總管內(nèi)LNG溫度的情況下,想要保證儲罐預(yù)冷正常進(jìn)行,只能通過增大LNG流量來達(dá)到降低儲罐溫度的目的。增大預(yù)冷用LNG流量可以從設(shè)計優(yōu)化和調(diào)試兩個角度考慮。

3.1 設(shè)計優(yōu)化

目前,大多數(shù)LNG接收站在卸船期間卸料總管的壓力一般控制在0.5 MPa左右,通過ASPEN HYSYS軟件計算可知,在該壓力下,對應(yīng)本項目LNG的泡點溫度約為-133 ℃,由第2部分的分析計算可知,LNG進(jìn)入儲罐閃蒸后的液相摩爾含量僅為81.00%。因此,要想保證LNG儲罐在預(yù)冷后期溫降速率仍在3 ℃/h左右,LNG儲罐預(yù)冷后期實際需要船方提供的LNG流量約為理論儲罐預(yù)冷最大用量的1.24倍。

在未來同類項目的設(shè)計上,當(dāng)已知理論儲罐預(yù)冷最大用量時進(jìn)行預(yù)冷管線、預(yù)冷調(diào)節(jié)閥、預(yù)冷噴嘴等設(shè)計選型,應(yīng)考慮卸料總管溫升和節(jié)流閃蒸帶來的影響,在理論儲罐預(yù)冷最大用量的基礎(chǔ)上適當(dāng)考慮一定余量,兼顧到由于上述原因帶來的LNG損失流量。

3.2 調(diào)試

在設(shè)計未考慮上述影響時,也可以通過特定的調(diào)試操作來解決上述問題。在保證后期安全的前提下,可以通過打開頂部進(jìn)料主閥的旁通閥來提高進(jìn)入儲罐的LNG流量。需要注意的是,在打開頂部進(jìn)料主閥旁通閥時,需緩慢逐步打開,并密切關(guān)注內(nèi)罐底板溫度計的變化,尤其是頂部進(jìn)料管口附近罐底溫度計的變化情況,隨時做好調(diào)整開度的準(zhǔn)備,確保儲罐溫降速率控制在3～5 ℃/h之間。

結(jié)合圖2對LNG接收站儲罐預(yù)冷實例進(jìn)行介紹?，F(xiàn)場操作時,緩慢打開頂部進(jìn)料主閥的旁通閥,每次調(diào)整1/8圈開度(該手動調(diào)節(jié)閥共7.5圈),在頂部進(jìn)料主閥旁通閥打開3/8圈后,發(fā)現(xiàn)頂部進(jìn)料管口附近的罐底溫度計02-TE-1008-H溫降明顯加快(由于該溫度計在進(jìn)料管線附近,前期通過預(yù)冷管線噴淋下來的LNG受罐內(nèi)底部進(jìn)料管線遮擋,無法和罐底其他溫度計一樣均勻溫降,溫度始終稍高于其他測溫點溫度),但罐內(nèi)底板其他溫度點溫降并不明顯。在溫度計02-TE-1008-H溫度低于周圍溫度5 ℃左右(5 ℃的溫差才能保證良好的傳熱效果)時,將頂部進(jìn)料主閥旁通閥開度調(diào)整到1/4圈,此時,可以看到溫度計02-TE-1008-H溫度下降逐漸趨緩,并有上升趨勢,與此同時,周圍其他溫度點溫度開始按照3～5 ℃/h速率逐漸下降,待溫度計02-TE-1008-H溫度和周圍其他溫度點溫差低于2 ℃時,重新將頂部進(jìn)料旁通開度調(diào)整到3/8圈。重復(fù)上述步驟,控制儲罐底板平均溫降速率在3～5 ℃/h之間,隨著預(yù)冷的進(jìn)行,儲罐單位溫降需求的LNG量逐漸加大,相應(yīng)閥門的開度也應(yīng)逐漸加大,但調(diào)整思路是一致的。最終,通過該方式實現(xiàn)儲罐平均溫降速率在3 ℃/h左右,直至儲罐預(yù)冷完成,并獲得理想的預(yù)冷曲線。A罐預(yù)冷曲線見圖5,從圖5可以看出,儲罐在整個預(yù)冷過程中整體溫降速率平穩(wěn),平均溫降速率控制在3 ℃/h左右,其中,在儲罐預(yù)冷的后期單個溫度計的變化趨勢和上述操作有關(guān),與上述分析結(jié)果一致。

圖5 A罐預(yù)冷曲線圖Fig.5 Pre-cooling curve of the storage tank A

4 結(jié)論

1)新建LNG接收站投產(chǎn)初期,通過首船進(jìn)行第一座儲罐預(yù)冷時,均會不同程度地出現(xiàn)儲罐預(yù)冷后期溫降困難的實際情況,在未來其它同類項目中應(yīng)對這一問題予以重視。理論分析及計算結(jié)果表明,因卸料總管溫升導(dǎo)致可用的LNG量不足是導(dǎo)致該問題的主要原因。

2)針對LNG儲罐預(yù)冷后期溫降困難問題提出兩種解決方案：設(shè)計優(yōu)化上,在進(jìn)行預(yù)冷管線、預(yù)冷調(diào)節(jié)閥、預(yù)冷噴嘴等設(shè)計選型時,應(yīng)在理論儲罐預(yù)冷最大用量的基礎(chǔ)上適當(dāng)考慮一定余量,兼顧到由于卸料總管溫升和節(jié)流閃蒸造成的LNG損失流量;調(diào)試上,可通過緩慢有規(guī)律地打開頂部進(jìn)料閥的旁通閥來增大LNG流量,使儲罐預(yù)冷后期的溫降速率控制在3～5 ℃/h的合理范圍。