王良軍 劉楊 羅仔源 柳山 趙春宇

1.大慶石油學院 2.廣東大鵬液化天然氣有限公司 3.中海石油深圳天然氣有限公司

大型LNG地上全容儲罐的冷卻技術研究

王良軍1劉楊1羅仔源2柳山2趙春宇3

1.大慶石油學院 2.廣東大鵬液化天然氣有限公司 3.中海石油深圳天然氣有限公司

大型常壓LNG儲罐是LNG接收站中極其重要的單元設備,占有很高的投資比例,其正式啟用時對調(diào)試工作的技術要求較高,而LNG儲罐調(diào)試工作最關鍵和最危險的環(huán)節(jié)就是冷卻。為此,詳細介紹了國內(nèi)LNG接收站常用16×104m3常壓LNG儲罐的冷卻過程,分析了LNG儲罐冷卻前應具備的條件及注意事項,討論了LNG儲罐冷卻過程中的壓力控制、冷卻介質(zhì)(LNG)供應及流量控制、冷卻過程的監(jiān)控及冷卻速率控制等調(diào)試技術,指出了冷卻過程容易出現(xiàn)管線位移過大、法蘭泄漏等問題,并給出了相應解決方法。研究成果對國內(nèi)其他LNG項目具有借鑒意義。

LNG 全容儲罐 調(diào)試 冷卻 壓力控制 流量控制 冷卻速率控制

2006年廣東大鵬LNG(液化天然氣)項目第一期工程正式投產(chǎn),標志著中國規(guī)模化進口LNG時代的到來[1]。目前我國已經(jīng)建成投產(chǎn)的LNG接收站項目有廣東大鵬LNG(2006)、福建LNG(2008)和上海LNG(2009)。大型常壓LNG儲罐是LNG接收站中極其重要的單元設備,占有很高的投資比例,而且對設計、施工及調(diào)試的技術要求較高[2]。

1 LNG儲罐及調(diào)試概述

國內(nèi)LNG接收站常見16×104m3地上全容式LNG儲罐的建設周期一般為3 a左右(包含設計階段)[3]。在裝置機械安裝完工、電氣和儀表系統(tǒng)調(diào)試完成后,進行LNG儲罐的水壓試驗、除明水、氣密試驗、儲罐干燥和氮氣置換等預調(diào)試工作,之后才開始真正意義上的LNG儲罐調(diào)試工作,其中最關鍵和最危險的環(huán)節(jié)就是冷卻。完成冷卻工作并建立一定的液位之后,再進行低壓泵性能測試、液位儀表調(diào)試、控制系統(tǒng)測試和儲罐蒸發(fā)率測試等調(diào)試工作,所有工作結(jié)束才意味LNG儲罐可以真正投入運行[4]。

為此,對國內(nèi)LNG接收站常見的16×104m3地上全容儲罐的冷卻過程進行詳細介紹。罐體結(jié)構(gòu)及有關工藝管線如圖1所示。

圖1 LNG儲罐結(jié)構(gòu)及工藝流程示意圖

LNG儲罐的冷卻范圍除了儲罐本體還有4條相關液相管線:卸料總管(U nloading Line)、低壓泵輸出總管(LP Send out Header)、高壓保冷循環(huán)管線(HP D rain)和低壓保冷循環(huán)管線(LP D rain)。它們的冷卻順序為:卸料總管的冷卻、儲罐的冷卻、低壓泵輸出總管的冷卻、最后是高﹑低壓保冷循環(huán)進罐管線的冷卻。

LNG儲罐的冷卻是LNG儲罐調(diào)試工作中的最重要環(huán)節(jié),也是一項高風險的作業(yè),由于新罐冷卻期間可能會有天然氣或LNG泄漏,處理不當就會發(fā)生安全事故[5];另外,冷卻過程中內(nèi)罐罐體要收縮,如果冷卻過程控制不好,極有可能破壞LNG儲罐,幾年的心血毀于一旦。

對于一個接收站來說,LNG儲罐冷卻有兩種方式:

1)接收第一船LNG時,對接收站內(nèi)首批建成的儲罐進行冷卻,使LNG儲罐達到使用條件,之后完成其他調(diào)試工作。這種冷卻只能利用船上的LNG進行。

2)接收站已經(jīng)投產(chǎn),后續(xù)新建成的LNG儲罐冷卻所用的LNG則可以來自其他儲罐,而且不影響接收站的正常外輸和卸船作業(yè)。

筆者探討的是第二種情況,且針對廣東大鵬LNG項目新增的第三座160 000 m3地上全容儲罐的冷卻和調(diào)試,所用的冷卻介質(zhì)LNG來自已經(jīng)投產(chǎn)的1號或2號儲罐。

2 冷卻過程的前提條件及注意事項

2.1 LNG儲罐冷卻前應具備的條件

1)LNG儲罐已經(jīng)經(jīng)過干燥,內(nèi)罐﹑穹頂﹑內(nèi)外罐夾層﹑罐底等空間已經(jīng)進行氮氣吹掃和置換,并保持正壓的氮氣環(huán)境。

2)BOG(蒸發(fā)氣)處理系統(tǒng)已經(jīng)投入運行。

3)其他在用LNG儲罐低壓泵外輸運行正常。

4)儲罐頂部的卸料總管與地面卸料總管已經(jīng)同時被冷卻。

5)即將冷卻的3號LNG儲罐與相鄰的工藝系統(tǒng)之間安裝隔離。

6)按照PI&D圖的要求檢查所有工藝閥門、氮氣系統(tǒng)閥門、放空閥門、安全閥上、下游手閥、儀表的隔離閥狀態(tài)。

7)LNG接收站處于最小輸出或零輸出的循環(huán)模式。

8)火炬系統(tǒng)運行正常,長明燈已經(jīng)點燃。

9)第一次冷卻使用的臨時設施(圖1中臨時設施)已經(jīng)安裝到罐頂。

2.2 注意事項

1)由于低溫管道冷卻時會收縮,從冷卻開始到結(jié)束應密切監(jiān)視其位置的移動,要特別注意那些非正常的移動及影響管道正常收縮的障礙。

2)如果管道或其中的管段發(fā)生非正常移動,必須馬上停止該管段的冷卻,直到問題解決,才能繼續(xù)冷卻。

3)在管道的冷卻過程中,法蘭連接處可能有泄漏,所以要定期檢查閥門和法蘭處有無泄漏,一旦泄漏要及時處理。

4)儲罐在引入LNG冷卻前必須保持微正壓的氮封。

5)LNG儲罐必須在嚴格并且持續(xù)的監(jiān)視下進行冷卻,特別要嚴密監(jiān)視儲罐壓力、冷卻用LNG流量、內(nèi)罐壁板和底板的溫度。

6)在LNG儲罐冷卻初期,如果調(diào)試投產(chǎn)放空管線不能滿足放空要求,可以打開就地放空閥門放空,以保證LNG儲罐壓力始終保持在設計范圍內(nèi)。

2.3 冷卻用臨時設施

冷卻用臨時設施的主要作用是把LNG引入儲罐的噴淋環(huán)管,控制LNG流量進而控制冷卻速度(此設施要在儲罐調(diào)試完成后拆除),其主要是一段DN80的短管,包含一個單向閥、一臺流量計、一個安全閥、一個手動流量控制閥、一個壓力表,如圖2所示。

圖2 儲罐冷卻臨時設施示意圖

3 LNG儲罐冷卻及相關調(diào)試

3.1 LNG儲罐冷卻過程壓力控制

冷卻時LNG儲罐內(nèi)的氮氣通過罐頂DN 150的放空管線進行排放,儲罐壓力控制在15 kPa,過一段時間排放出來的將是天然氣。當?shù)獨鉂舛冉档偷娇苫厥盏臉藴?體積分數(shù)為15%以下)時,儲罐壓力將由BOG系統(tǒng)來控制。如果罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升而超過設定值,還可以通過罐頂?shù)木偷胤趴?打開MV 433),直接排放到大氣中。

3.2 冷卻介質(zhì)(LNG)的供應及流量控制

在DN 80的冷卻管線上安裝一個臨時設施,就可把DN950卸料總管內(nèi)的LNG引入噴淋環(huán)管對儲罐進行冷卻。此流程參見圖1。

LNG的流量將通過安裝在罐頂?shù)呐R時設施來控制,冷卻過程要密切監(jiān)控溫降速率和罐內(nèi)壓力。

LNG流量將周期性地增加以維持穩(wěn)定的冷卻速率。LNG在冷卻過程的實際供應情況如下(與理論計算有一定偏差):

1)冷卻開始時的LNG流量為4～7.5 m3/h(富LNG,密度約為465.0 kg/m3)。

2)冷卻結(jié)束時為27.0～33.0 m3/h(富LNG),儲罐內(nèi)壓力控制在23 kPa以內(nèi),溫度降低速率為3℃/h。

3)LNG儲罐冷卻到-152℃大約需要600 m3的富LNG,放空量約為94 m3,儲罐冷卻共需77 h,之后LNG將通過底部卸料管供應。

3.3 冷卻過程的監(jiān)控及冷卻速率控制

冷卻速率為3℃/h,冷卻用LNG最大流量不能引起溫降速率超過5℃/h,即使在最后的冷卻階段。(最后的冷卻階段是指所有底部溫度傳感器達到-120℃。)

為了監(jiān)控冷卻過程中儲罐的溫度梯度,在儲罐多處位置安裝了溫度傳感器。內(nèi)罐底部或罐壁任意兩個相鄰檢測點的溫度梯度不得超過30℃。內(nèi)罐底部和罐壁表面的溫度梯度不得超過50℃。如果溫度梯度超過上述數(shù)值,應停止注入LNG到儲罐,直到溫差在允許值內(nèi)。

此過程中可能會出現(xiàn)由于溫度傳感器損壞而溫度讀數(shù)不準確的現(xiàn)象,這時需根據(jù)實際情況進行判斷并參考其他讀數(shù)調(diào)整溫度讀數(shù)。

應調(diào)節(jié)冷卻氣體和LNG的流量以避免由于儲罐內(nèi)氣體冷卻太快引起壓力驟降而產(chǎn)生局部真空。

冷卻過程對接收站外輸沒有影響,但是LNG卸船期間儲罐冷卻要暫停,卸船結(jié)束后恢復冷卻。

廣東大鵬液化天然氣有限公司第3座LNG儲罐實際冷卻曲線見圖3。

圖3 LNG儲罐冷卻曲線圖

由圖3可以看出:儲罐冷卻用時77 h(A點到D點),其中由于卸船冷卻過程停止了19 h(B點到C點)。

3.4 其他調(diào)試工作

儲罐冷卻完成后,應進行一系列試驗,主要包括低壓泵調(diào)試﹑液位計調(diào)試、儲罐輸出測試、BOG蒸發(fā)率測試、高液位連鎖測試和儲罐可靠性測試等。

4 冷卻過程出現(xiàn)的問題及解決方法

1)冷卻過程中管線位移過大、法蘭泄漏。如高壓排液管位移量達25 mm,卸料管線也出現(xiàn)了同樣的問題,并且法蘭發(fā)生泄漏。對于管線的位移,可以通過加固固定支撐解決,或者切割鋼結(jié)構(gòu),以使管道有足夠位移空間。對于泄漏的法蘭用力矩扳手重新緊固一遍。

2)在設計高、低壓保冷循環(huán)進罐管線(HP DRA IN和LPDRA IN)的冷卻流程時,沒有與現(xiàn)場實際流程進行對照,原設計冷卻流程不可行。在現(xiàn)場對原流程進行了修改,才把這兩條管線冷卻下來。

3)罐頂DN 150放空管線不能滿足放空要求,冷卻過程罐壓持續(xù)上升,最高達到23 kPa,通過暫停冷卻和控制 LNG流量,并且打開就地放空閥門(MV 111433)來降低罐壓。就地放空時間大約25 h,直到氮氣體積分數(shù)低于15%,把BOG系統(tǒng)投用才關閉就地放空閥門。

5 結(jié)論

1)冷卻過程中應著重監(jiān)測儲罐壓力、儲罐LNG流量、罐壁和底板的溫度等參數(shù),嚴格控制冷卻速度在允許的范圍內(nèi)。

2)大口徑LNG管線的冷卻最好開始時用BOG進行冷卻,會使大口徑管線均勻冷卻,從而減小管道的位移量。

3)編寫、審核調(diào)試規(guī)程,除了對介質(zhì)特性﹑P&ID圖紙熟練掌握之外,一定要與設備﹑管線的現(xiàn)場實際位置進行充分的對照。

4)LNG接收站的正常外輸對LNG儲罐的冷卻沒有影響,但是卸船對儲罐冷卻有影響,冷卻操作必須暫停。

[1]邢云.構(gòu)建中國液化天然氣產(chǎn)業(yè)法規(guī)標準體系[R]∥第二屆中國LNG論壇.上海:[出版者不詳],2009.

[2]章川泉,楊曉東.液化天然氣儲罐氮氣吹掃干燥方案探討[R]∥第二屆中國LNG論壇.上海:[出版者不詳],2009.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 20368-2006液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運[S].北京:中國標準出版社,2006.

[4]王冰,陳學東,王國平.大型低溫液化天然氣儲罐設計與建造技術進展[R]∥第二屆中國LNG論壇.上海:[出版者不詳],2009.

[5]孫標,郭開華.液化天然氣重氣擴散安全距離及影響因素[R]∥第二屆中國LNG論壇.上海:[出版者不詳],2009.

Cooling techn iques for ground large-scale full-capacity LNG storage tanks

Wang Liangjun1,Liu Yang1,Luo Zaiyuan2,Liu Shan2,Zhao Chunyu3
(1.Daqing Petroleum Institute,Daqing,Heilongjiang 163318,China;2.Guangdong Dapeng LNG Com pany L td.,Shenzhen 518048,China;3.CNOOC Shenzhen N atural Gas Co.,L td.,Shenzhen 518040,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.93-95,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The large-scale atmospheric LNG sto rage tank isan impo rtant facility at LNG receiving stationsand it involves high investments.It requires high commissioning techniques w hen it comeson stream.Themost crucial and dangerous step in the commissioning of LNG storage tank is cooling.This paper hereby introduces the cooling p rocessof the common 160,000 m3-in-capacity atmospheric LNG sto rage tank in China,the p reconditionsand matters to w hich attention is paid upon the cooling of tank.It also discusses some commissioning techniques needed in the cooling p rocess,including p ressure control,coolingmedium(LNG)supp ly and its flow control,p rocessmonito ring and cooling rate control,etc.The paper pointsout that the displacement of pipelines is easily to be overlarge and flange leakage takes p lace frequently in the cooling p rocess and it gives co rresponding solutions.So it p rovides good references fo r other LNG p rojects.

LNG,full-capacity tank,commissioning,cooling,p ressure control,flow control,cooling rate control

王良軍,1971年生,高級工程師,本科;主要從事油氣儲運的技術研究與生產(chǎn)運營管理工作,現(xiàn)任廣東大鵬液化天然氣有限公司運營部管線運營總監(jiān)。地址:(518048)廣東省深圳市深南大道4001#時代金融中心10樓 。電話:13352905171。E-mail:wang.liangjun@gdlng.com

王良軍等.大型LNG地上全容儲罐的冷卻技術研究.天然氣工業(yè),2010,30(1):93-95.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.027

(修改回稿日期 2009-11-16 編輯 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.027

Wang L iangjun,senior engineer,was born in 1971.He holds a B.Sc.degree,being engaged in the research into the oil&gas storage and transpo rtation engineering and managementof p roduction and operation.He is superintendentof the Trunk Line at the Operation Department of Guangdong Dapeng LNG Company L td.

Add:10th Floo r,Times Financial Center,No.4001,Shennan Rd.,Shenzhen 518048,P.R.China

Mobile:+86-13352905171E-mail:wang.liangjun@gdlng.com