袁 清 姜偉強(qiáng)

(中海石油廣東液化天然氣有限公司)

中型單容LNG儲(chǔ)罐在珠海天然氣液化裝置的應(yīng)用

袁 清 姜偉強(qiáng)

(中海石油廣東液化天然氣有限公司)

單容LNG儲(chǔ)罐在中小型天然氣液化裝置中應(yīng)用廣泛,且造價(jià)低廉,但其安全性較低。靜態(tài)日蒸發(fā)率的高低及壓力控制系統(tǒng)是否能夠控制儲(chǔ)罐壓力在正常范圍內(nèi)是衡量單容罐性能優(yōu)良與否的重要表征。珠海天然氣液化裝置擁有兩座相同的中型單容LNG儲(chǔ)罐,從該裝置的實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā),測(cè)算了儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率隨充滿率的變化情況,并分析說(shuō)明造成儲(chǔ)罐壓力快速變化的原因以及壓力控制系統(tǒng)的控制效果。

LNG 儲(chǔ)罐 單容 液化天然氣 靜態(tài)日蒸發(fā)率 壓力控制

液化天然氣是目前世界上應(yīng)用越來(lái)越廣泛的一種清潔能源,是天然氣凈化和液化處理后形成的液態(tài)產(chǎn)品,主要成分是甲烷。常壓下的溫度約為-162℃,體積約為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣態(tài)的1/625,通常儲(chǔ)存于壓力稍高于大氣壓的LNG儲(chǔ)罐中。由于甲烷的易燃易爆危險(xiǎn)性以及LNG的超低溫特性,作為天然氣液化廠及LNG接收站用于大量?jī)?chǔ)存低溫液化天然氣產(chǎn)品的容器,LNG儲(chǔ)罐要求必須具有良好的安全性和絕熱性能。就安全性而言,除按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)必須的消防設(shè)施以及滿足抗震要求外,還須設(shè)計(jì)有效的壓力控制系統(tǒng);而就儲(chǔ)罐的絕熱性能來(lái)說(shuō),衡量其好壞的重要指標(biāo)是儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率。

1 LNG儲(chǔ)罐的類型

通常按儲(chǔ)罐的容積劃分類別[1],如表1所示。按儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)形式,一般可分為單容罐、雙容罐和全容罐[2],3種形式儲(chǔ)罐的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表1 低溫LNG儲(chǔ)罐按容積劃分的類別Table 1 Category of low temperature LNG storage tank divided by capacity

表2 3種形式儲(chǔ)罐的優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Advantages and disadvantages of three types of tank

2 裝置的LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)參數(shù)

珠海天然氣液化裝置是一座LNG日產(chǎn)量為365 t的基本負(fù)荷型液化裝置?？紤]7天的儲(chǔ)存能力,需要一臺(tái)容積為7 000 m3左右的LNG儲(chǔ)罐,但是考慮到建造難度、安全性、投資以及消防能力,最終選擇修建了兩臺(tái)結(jié)構(gòu)完全相同的中型單容罐并列布置,其容積均為3 850 m3。該裝置儲(chǔ)罐于2007年建成并投入使用,是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)建造的最大的LNG常壓儲(chǔ)罐。

2.1 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)罐為立式圓筒形、雙層壁、平底及拱蓋結(jié)構(gòu),采用珠光砂粉末正壓堆積絕熱。設(shè)備主要由內(nèi)罐、外罐、絕熱層、平臺(tái)梯子、閥門儀表及基礎(chǔ)平臺(tái)等組成。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

內(nèi)罐主要由頂蓋、筒體和底板組成,均采用奧氏體不銹鋼。罐體設(shè)有頂人孔和側(cè)人孔(工藝人孔),檢查內(nèi)罐時(shí),須從頂人孔進(jìn)入,通過罐內(nèi)直梯可到達(dá)內(nèi)罐底板上。

外罐主要由外頂蓋、外筒體和外底板組成,材質(zhì)為16MnR(外罐體底圈壁板為不銹鋼)。外罐也與內(nèi)罐一樣,設(shè)置有頂人孔和側(cè)人孔,以利于檢修、維護(hù)。外罐底板鋪設(shè)在基礎(chǔ)平臺(tái)上,底板上鋪設(shè)泡沫玻璃磚及負(fù)荷分配板,內(nèi)罐底板則鋪在負(fù)荷分配板上,內(nèi)罐及液體重力通過負(fù)荷分配板均勻分布在玻璃磚上,內(nèi)罐四周通過42個(gè)錨帶緊固,防止內(nèi)罐在舉升力作用下,底部產(chǎn)生外凸變形。底部泡沫玻璃磚厚度為800 mm。

儲(chǔ)罐采用正壓堆積隔熱[3],在內(nèi)罐和外罐之間的夾層充填珠光砂,厚1 150 mm。為使絕熱材料干燥,夾層充以干氮?dú)獗Ｗo(hù),保證儲(chǔ)罐具有良好的絕熱性能和較低的日蒸發(fā)率。

2.2 儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)

LNG儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 珠海天然氣液化裝置LNG儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)Table 3 LNG storage tank technical parameters of Zhuhai natural gas liquefaction plant

3 儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率

LNG儲(chǔ)罐絕熱性能的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為靜態(tài)日蒸發(fā)率,即儲(chǔ)罐裝有LNG時(shí),靜置達(dá)到熱平衡后,24 h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的LNG液體質(zhì)量和儲(chǔ)罐內(nèi)LNG液體質(zhì)量的百分比。本儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)要求在有效充裝容積完全充滿LNG的情況下,其靜態(tài)日蒸發(fā)率須小于0.14%,即滿罐情況下每天LNG靜態(tài)蒸發(fā)量小于2.24 t。

儲(chǔ)罐的絕熱損失包括3部分:①夾層珠光砂絕熱損失Q1;②儲(chǔ)罐底部泡沫玻璃磚絕熱損失Q2;③進(jìn)排液(氣)管、人孔、內(nèi)罐拉帶的絕熱損失Q3。

利用文獻(xiàn)[4]的模型假設(shè)條件及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程可計(jì)算出上述3部分的絕熱損失,進(jìn)而算得滿罐條件下的日蒸發(fā)率為0.11%。通過統(tǒng)計(jì)實(shí)際運(yùn)行中的參數(shù)可知,實(shí)際滿罐條件下日蒸發(fā)率約為0.10%,接近計(jì)算值。實(shí)際蒸發(fā)率(蒸發(fā)量)與充滿率的關(guān)系見圖2和圖3。

從圖2和圖3可以看出,隨著儲(chǔ)罐充滿率的增大,其日蒸發(fā)率隨之降低,但是降低速率逐漸減小。如果將日蒸發(fā)率換算成日蒸發(fā)量,卻可隨充滿率的增大而增大。這是因?yàn)閮?chǔ)罐液相與環(huán)境的溫差△T1大于氣相與環(huán)境的溫差△T2,充滿率越高時(shí),△T1的面積越大,絕熱損失越大,導(dǎo)致蒸發(fā)量越大。

4 儲(chǔ)罐的壓力控制系統(tǒng)

不難想象,無(wú)論超壓還是負(fù)壓,對(duì)儲(chǔ)罐均會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此,壓力安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。儲(chǔ)罐的壓力控制系統(tǒng)如圖4所示。

本裝置兩臺(tái)儲(chǔ)罐分別設(shè)計(jì)有兩套壓力檢測(cè)系統(tǒng)、兩級(jí)高壓保護(hù)措施以及三級(jí)低壓保護(hù)措施,并針對(duì)兩臺(tái)儲(chǔ)罐的不同工況,分別設(shè)計(jì)有進(jìn)液儲(chǔ)罐和非進(jìn)液儲(chǔ)罐的壓力保護(hù)邏輯,可以實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)罐在同一壓力條件下觸發(fā)不同的保護(hù)措施,確保儲(chǔ)罐安全。在高壓保護(hù)中,選擇兩套壓力檢測(cè)系統(tǒng)中壓力較高的信號(hào)進(jìn)行控制,而在低壓保護(hù)時(shí),選擇檢測(cè)壓力較低的信號(hào)進(jìn)行控制,降低因壓力傳感器的檢測(cè)偏差導(dǎo)致壓力保護(hù)措施動(dòng)作滯后引起事故的概率。而安全閥完全由機(jī)械系統(tǒng)控制,當(dāng)內(nèi)罐實(shí)際壓力達(dá)到安全閥的設(shè)定壓力時(shí)閥門自動(dòng)打開。

4.1 儲(chǔ)罐超壓

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的LNG為飽和液體,溫度在-160℃左右。盡管低溫儲(chǔ)罐有良好的絕熱性能,但仍有多種可能會(huì)引起儲(chǔ)罐超壓,尤其是在儲(chǔ)罐液位較高,氣相空間較小的情況下,造成儲(chǔ)罐超壓的情況主要有如下幾種:

(1)初始進(jìn)液:進(jìn)液管線溫度較高,進(jìn)料LNG快速蒸發(fā)。

(2)進(jìn)液切換:當(dāng)由一個(gè)儲(chǔ)罐進(jìn)液切換至另一儲(chǔ)罐進(jìn)液時(shí)或者在儲(chǔ)罐的上下進(jìn)液之間進(jìn)行切換時(shí),都有可能造成儲(chǔ)罐壓力快速上升;當(dāng)操作幅度較大且儲(chǔ)罐液位較高時(shí),儲(chǔ)罐壓力能在10 s之內(nèi)上升3 k Pa之多,即由正常操作壓力(15 k Pa)上升至安全閥打開的壓力(18 k Pa)。

(3)LNG泵(罐外泵)啟動(dòng):LNG泵后回流管線如果長(zhǎng)期未使用,其溫度相對(duì)LNG會(huì)很高。LNG突然大量進(jìn)入會(huì)快速蒸發(fā),造成儲(chǔ)罐壓力快速上升。

(4)BOG壓縮機(jī)故障吸氣量減小或停止運(yùn)行。

(5)工藝系統(tǒng)竄壓:如由于工藝系統(tǒng)大量氣體排放入火炬,造成火炬壓力升高,氣體反竄入LNG儲(chǔ)罐。

(6)LNG翻滾:造成翻滾的原因是因?yàn)閮?chǔ)罐中的LNG發(fā)生了密度分層,當(dāng)兩層不同密度的LNG快速混合時(shí)產(chǎn)生大量的閃蒸氣,造成儲(chǔ)罐超壓。

實(shí)際運(yùn)行中,由(2)和(3)造成儲(chǔ)罐壓力快速上升的情況時(shí)有發(fā)生,并曾造成過安全閥起跳泄壓,但只要操作速度放緩,一般都能由壓力調(diào)節(jié)閥控制儲(chǔ)罐壓力在安全閥起跳壓力以下。

4.2 儲(chǔ)罐失壓

造成儲(chǔ)罐壓力快速降低甚至負(fù)壓的情況較少,主要有如下幾種:

(1)進(jìn)液切換:當(dāng)儲(chǔ)罐有較長(zhǎng)時(shí)間沒有新鮮LNG注入時(shí),由于輕組分的蒸發(fā),其儲(chǔ)存的LNG會(huì)逐漸老化,密度及飽和溫度會(huì)逐漸升高;當(dāng)溫度及密度更低的新鮮LNG起初由上部注入儲(chǔ)罐時(shí),儲(chǔ)罐原有LNG的溫度會(huì)降低,且由于混合,二者的密度會(huì)趨于一致。但由于熱量傳遞較質(zhì)量傳遞速度更快,當(dāng)儲(chǔ)罐中下部的溫度下降時(shí),其組分變化更為緩慢,這樣就使得這部分LNG由飽和態(tài)變成了過冷態(tài)[5-6]。當(dāng)由上進(jìn)液切換至下進(jìn)液時(shí),儲(chǔ)罐下部的過冷LNG遇到進(jìn)料的飽和LNG,過冷LNG溫度上升的同時(shí)會(huì)降低飽和LNG的溫度,使其閃蒸BOG量大幅減少;當(dāng)?shù)撞縇NG全部呈飽和態(tài)后,產(chǎn)生的BOG上行遇到儲(chǔ)罐中部存在的過冷LNG后,仍然會(huì)被冷凝為液體,在這段時(shí)間內(nèi)幾乎沒有進(jìn)料BOG的產(chǎn)生,儲(chǔ)罐壓力會(huì)迅速下降;當(dāng)儲(chǔ)罐中過冷LNG溫度全部上升到飽和溫度時(shí),其進(jìn)料BOG產(chǎn)量即恢復(fù)正常,但由于下進(jìn)液的背壓高,產(chǎn)生的BOG量要小于上進(jìn)液。

(2)BOG壓縮機(jī)吸氣量超過儲(chǔ)罐BOG產(chǎn)量。

(3)LNG泵排液速度過快。

實(shí)際運(yùn)行中,由第1種情況造成儲(chǔ)罐壓力快速下降的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,可通過調(diào)整BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷或由壓力控制系統(tǒng)控制裝車BOG或凈化后的天然氣進(jìn)行補(bǔ)壓,以提高儲(chǔ)罐壓力,避免壓力降低觸發(fā)關(guān)斷,甚至儲(chǔ)罐抽空失穩(wěn)[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

采用正壓堆積隔熱的單容式LNG儲(chǔ)罐的靜態(tài)日蒸發(fā)率隨充滿率的增大而降低,但是降低速率隨充滿率的增大而減小。在進(jìn)行儲(chǔ)罐進(jìn)出液切換等操作時(shí)要格外注意,防止操作過快導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力上升過快。正常操作時(shí),儲(chǔ)罐的壓力控制系統(tǒng)能起到有效的調(diào)壓作用,控制儲(chǔ)罐壓力在正常工作范圍以內(nèi)。

[1]王冰,陳學(xué)東,王國(guó)平.大型低溫LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的新進(jìn)展[J].天然氣工業(yè),2010,30(5):108-112.

[2]張曉東,李積杰.單容式大型LNG低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)[J].通用機(jī)械. 2009,6:69-70.

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Application of medium-sized single capacity LNG storage tank in Zhuhai natural gas liquefaction plant

Yuan Qing,Jiang Weiqiang
(CNOOC Guangdong Liquefied Natural Gas Company Limited,Zhuhai 519060,Guangdong,China)

Single capacity LNG storage tanks are widely used in small and medium-sized natural gas liquefaction plants.The cost of tank is low,but the security is poor.The discretion of the static daily evaporation rate and whether the pressure control system can control the tank pressure within the normal range are the important characterization to evaluate the performance of single capacity tank.Zhuhai LNG plant includes two medium single LNG storage tank with the same size,based on the practical operation of the device,the change of static daily evaporation rate with filling level were measured,the cause of the rapid change of the tank pressure was analyzed,and the control effects of pressure control systems were demonstrated.

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TE626

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.008

2014-03-14;

2014-03-31;編輯:康 莉

袁清(1985-),男,工程師,主要從事液化天然氣工廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作。地址:(519060)廣東珠海香洲區(qū)橫琴新區(qū)環(huán)島北路1680號(hào)。電話:0756-8921000。E-mail:yq2513@163.com