曹學(xué)文，彭文山，任大偉，王萍，張楠，徐曉婷，唱永磊

1.中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580

2.中海油研究總院，北京100027

大型LNG儲罐干燥置換的研究與計(jì)算

曹學(xué)文1，彭文山1，任大偉1，王萍1，張楠1，徐曉婷1，唱永磊2

1.中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580

2.中海油研究總院，北京100027

大型LNG儲罐的壓力測試都采用水壓進(jìn)行，試壓結(jié)束后必須對儲罐進(jìn)行干燥置換。工程中大多采用氮?dú)獬掷m(xù)吹掃進(jìn)行干燥置換，導(dǎo)致氮?dú)庀拇?、工期長、作業(yè)成本高，另外干燥置換理論計(jì)算方法不完善也給LNG儲罐干燥置換介質(zhì)的計(jì)算造成障礙，無法準(zhǔn)確預(yù)估介質(zhì)使用量。為節(jié)省液氮用量以及準(zhǔn)確預(yù)估干燥置換氮?dú)馐褂昧浚恼虏捎脽岣煽諝獯祾吒稍锱c氮?dú)飧稍镏脫Q相結(jié)合的方法，用壓漲式吹掃干燥工藝對儲罐實(shí)施干燥置換作業(yè)，同時根據(jù)氧含量及露點(diǎn)要求給出干燥置換介質(zhì)用量的計(jì)算方法，與站場儲罐干燥置換施工情況進(jìn)行對比分析表明：按照露點(diǎn)要求得到的干燥置換計(jì)算方法能很好地計(jì)算液氮用量及作業(yè)工期，可為儲罐干燥置換的理論計(jì)算及施工作業(yè)提供參考。

LNG儲罐；干燥置換；計(jì)算方法；工藝優(yōu)化

隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及對環(huán)境保護(hù)要求的提高，液化天然氣（LNG）作為一種無色、無味、無毒、無腐蝕性的清潔能源在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。儲罐是LNG接收站的核心設(shè)備，也是LNG的主要儲存設(shè)備[3]。LNG儲罐類型眾多，從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度，國內(nèi)外接收站大多選用全容式LNG儲罐[4-5]，我國大型LNG接收站中的LNG儲罐均為全容式儲罐。

大型LNG儲罐在水壓試驗(yàn)結(jié)束后，內(nèi)部可能存在大量游離水或水蒸氣。低溫LNG進(jìn)入儲罐后，有水的部分會瞬間凝結(jié)成冰，二次底板將被向上頂起，造成內(nèi)罐結(jié)構(gòu)受損；另外內(nèi)外罐之間填充的膨脹珍珠巖也會結(jié)塊，嚴(yán)重影響儲罐保冷效果；儲罐附屬管道及低壓泵也可能結(jié)冰，對儲罐運(yùn)行造成影響，因此水壓試驗(yàn)后必須進(jìn)行干燥置換處理才能投產(chǎn)。

本文介紹了壓漲式干燥置換的一般步驟及控制要點(diǎn)，提出了干燥置換介質(zhì)用量及干燥置換時間的計(jì)算方法，并與同類工程進(jìn)行對比驗(yàn)證，可為大型LNG儲罐的干燥置換作業(yè)及參數(shù)計(jì)算提供參考。

1 大型L NG儲罐結(jié)構(gòu)

1.1 大型LNG儲罐組成

大型LNG儲罐主要由9%Ni鋼內(nèi)罐、預(yù)應(yīng)力混凝土外罐、外罐內(nèi)側(cè)底部熱角保護(hù)系統(tǒng)、儲罐保冷層以及工藝管道、儀表等附件組成，如圖1所示。

圖1 大型LNG儲罐結(jié)構(gòu)示意

1.2 罐壁保冷系統(tǒng)

儲罐內(nèi)、外罐壁間環(huán)形空間由重量輕、絕熱性好的保冷材料——膨脹珍珠巖填充。當(dāng)溫度降低時，儲罐會收縮。因此，在內(nèi)罐壁外側(cè)安裝玻璃棉制成的彈性玻璃纖維氈為珍珠巖提供彈性，可以防止或減小珍珠巖的沉降，避免二次填充[6]。

熱角保護(hù)系統(tǒng)由高度為5 m的9%Ni鋼壁板及泡沫玻璃磚保冷層、9%Ni鋼二次底板等組成。

2 干燥置換工藝

2.1 干燥置換分區(qū)及標(biāo)準(zhǔn)

在大型LNG儲罐投用后，儲罐內(nèi)、外罐之間的環(huán)形空間將允許填充內(nèi)罐LNG蒸發(fā)的BOG氣體，因此在儲罐干燥和置換過程中不僅需要對內(nèi)罐進(jìn)行干燥和氮?dú)庵脫Q，還需要對儲罐內(nèi)、外罐之間的環(huán)形空間進(jìn)行干燥置換。根據(jù)儲罐不同區(qū)域干燥順序的不同，將儲罐干燥和氮?dú)庵脫Q分為A、B、C、D四個區(qū)域（如圖2所示），由于四個區(qū)域功能不同，所以干燥置換的要求也有所不同。

圖2 儲罐干燥置換分區(qū)及工藝示意

對于大型LNG儲罐，國內(nèi)尚無明確規(guī)定干燥和置換具體要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 14620-5：2006[7]、EN 1473[8]以及國內(nèi)大型LNG儲罐干燥置換現(xiàn)場實(shí)踐確定大型LNG儲罐氮?dú)飧稍镏脫Q標(biāo)準(zhǔn)（見表1），以保證儲罐干燥置換后預(yù)冷作業(yè)的安全順利進(jìn)行。

表1 LNG儲罐氮?dú)飧稍镏脫Q標(biāo)準(zhǔn)

2.2 空氣干燥

儲罐內(nèi)部屬于密閉空間，若水壓試驗(yàn)和干燥置換作業(yè)間隔時間較短，其內(nèi)部可能存在大量的游離水甚至水膜，濕度較大，會增加干燥難度。為降低儲罐空間的露點(diǎn)，節(jié)省氮?dú)庥昧?，先采用熱的干空氣進(jìn)行除濕，當(dāng)露點(diǎn)達(dá)到一定值（10℃）后，改為氮?dú)飧稍锖椭脫Q。此種方式不僅提高了干燥置換的速度，而且減少了氮?dú)獾挠昧浚?jié)約了成本。

為了使加熱后的干空氣露點(diǎn)及溫度達(dá)到儲罐氮?dú)忾_始吹掃標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了干空氣的制備優(yōu)化流程，見圖3。在干空氣制備過程中有以下要求。

圖3 熱壓縮干空氣制備優(yōu)化流程示意

（1）干空氣溫度。施工期間為提高干燥效率，需對干空氣進(jìn)行加熱。針對干空氣加熱過程，進(jìn)行了優(yōu)化：利用空壓機(jī)出口處的高溫壓縮空氣的熱量對干燥器出口的壓縮干空氣進(jìn)行換熱，提高壓縮干空氣的溫度，一定程度上節(jié)約了對干空氣加熱的能量消耗，降低了施工成本。干空氣目標(biāo)露點(diǎn)為-60～-70℃。

（2）干空氣的流量。干空氣的流量越大，干燥時間越短，一般干空氣的流量約5 000 Nm3/h。

（3）干空氣除油。為了防止空壓機(jī)處理后的空氣中帶油，吹入管道后對管道造成污染，在干空氣使用前需進(jìn)行除油。

2.3 氮?dú)飧稍镏脫Q

LNG儲罐初步干燥的介質(zhì)為干空氣，當(dāng)儲罐露點(diǎn)降低到一定溫度時，干燥置換采用的介質(zhì)為氮?dú)?。置換要在高純氮的條件下執(zhí)行，且露點(diǎn)≤-60℃。干燥置換過程主要分為儲罐升壓和A、B、C、D區(qū)依次干燥置換，干燥置換過程分為三個階段。

2.3.1 持續(xù)吹掃式干燥置換

干燥置換順序是由A區(qū)至D區(qū)。由于B、C、D三個區(qū)的空間較小，儲罐運(yùn)行后空間內(nèi)存在的介質(zhì)為蒸發(fā)滲透的BOG氣體，干燥置換的要求低于A區(qū)。因此，干燥置換先針對A區(qū)進(jìn)行，達(dá)標(biāo)后再對B、C、D區(qū)干燥置換。

由N10口引入氮?dú)猓M(jìn)氮流量必須控制得當(dāng)，逐步提升至2 000 Nm3/h。其他出口全部關(guān)閉，對儲罐進(jìn)行升壓作業(yè)；當(dāng)儲罐壓力升高至10 kPa時，開啟N9口閥門進(jìn)行放空，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁亢蚇9口閥門的開度，使壓力維持在10 kPa，開始A區(qū)的干燥置換。干燥置換初期，持續(xù)吹掃干燥方式效果較好，當(dāng)露點(diǎn)降至-10℃時，持續(xù)吹掃干燥方式效果不明顯，采用壓漲式干燥置換方法對A區(qū)進(jìn)行作業(yè)。

2.3.2 壓漲式干燥置換

當(dāng)N9出口排出氣體的露點(diǎn)低于-10℃時，關(guān)閉儲罐所有放空口，儲罐開始悶罐，期間隨時關(guān)注罐內(nèi)壓力變化，2 h后開啟A區(qū)放空口對儲罐進(jìn)行卸壓，控制卸壓速度≤0.8 kPa/h，當(dāng)罐內(nèi)壓力降至1 kPa時停止卸壓。再由儲罐的N10口引入氮?dú)?，對儲罐進(jìn)行升壓作業(yè)，升壓速度≤1 kPa/h，當(dāng)儲罐壓力升高至10 kPa時，關(guān)閉儲罐所有放空口，儲罐悶罐2 h，開啟A區(qū)放空閥門進(jìn)行卸壓，當(dāng)罐內(nèi)壓力降至1 kPa時停止卸壓。

如此反復(fù)進(jìn)行多次，直至放空口處檢測的露點(diǎn)低于-20℃且含氧量低于4%，儲罐A區(qū)干燥置換完成。

2.3.3 持續(xù)吹掃干燥維持露點(diǎn)

當(dāng)A區(qū)干燥置換完成后，采用持續(xù)吹掃干燥方式對B、C、D區(qū)進(jìn)行干燥置換。對B區(qū)進(jìn)行干燥置換時要嚴(yán)格將氮?dú)饬髁靠刂圃?0～150 Nm3/h，應(yīng)保證珍珠巖不致由管口吹出，氮?dú)饬髁靠筛鶕?jù)罐頂露點(diǎn)變化情況進(jìn)行適度調(diào)整。對C區(qū)和D區(qū)罐底保冷層進(jìn)行置換時，氮?dú)饬髁繎?yīng)控制在小于100 Nm3/h，防止內(nèi)罐底部出現(xiàn)變形。C區(qū)的干燥過程中需要格外注意C區(qū)與A、D區(qū)的壓差，如果C區(qū)壓力高于A區(qū)0.4 kPa，儲罐底部可能損壞。另外要確保D區(qū)的壓力不超出A、B或C區(qū)壓力0.4 kPa，同時A、B區(qū)的壓力不得超過15 kPa。

B、C、D區(qū)干燥置換具體操作流程參考文獻(xiàn)[9-12]，在儲罐干燥置換過程中需注意觀察儲罐的壓力，通過控制氮?dú)獾牧髁亢团欧趴陂y門的開度，確保儲罐壓力在10 kPa左右。最后A、B、C、D區(qū)均達(dá)到干燥置換要求后，將儲罐壓力升高至12 kPa左右，直至試運(yùn)行。

3 干燥置換計(jì)算

3.1 壓漲式吹掃干燥升壓計(jì)算

在對儲罐內(nèi)罐進(jìn)行置換時，先通入氮?dú)鈱奚龎?，?dāng)儲罐內(nèi)壓力達(dá)到10 kPa左右，打開罐頂放空閥。在儲罐升壓過程中充入的液氮量按照下式計(jì)算：

式中P——罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)/Pa；

V——儲罐體積/m3；m——氮?dú)赓|(zhì)量/kg；

M——氮?dú)獾哪栙|(zhì)量/（kg/mol）；

T——內(nèi)罐氣體的熱力學(xué)溫度/K；

R——理想氣體常數(shù)/（Pa·m3/（mol·K））。

3.2 干燥置換用氮量計(jì)算方法一

由工業(yè)通風(fēng)中的全面通風(fēng)原理[13]可得到露點(diǎn)下降到某一溫度所需時間，即罐內(nèi)水蒸氣達(dá)到某一質(zhì)量濃度所需要的時間。LNG儲罐按露點(diǎn)要求置換時間計(jì)算公式如下：

式中tc——儲罐內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量濃度由ρ1變化到ρ2所需要的時間/s；

Vt——儲罐氣體總?cè)莘e/m3；

q——氮?dú)獾妮斎肓?（m3/s）；

ρ0——氮?dú)庵兴魵獾馁|(zhì)量濃度/（g/m3）；

ρ1——罐內(nèi)初始水蒸氣的質(zhì)量濃度/（g/m3）；

ρ2——置換后罐內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量濃度/（g/m3）。

3.3 干燥置換用氮量計(jì)算方法二

大型LNG儲罐干燥置換不僅要控制罐內(nèi)露點(diǎn)，同時為防止氣體混合產(chǎn)生危險，還要控制罐內(nèi)氧含量，根據(jù)等壓置換過程中儲罐內(nèi)氣體濃度的數(shù)學(xué)表達(dá)式[14]，計(jì)算得到儲罐置換所需液氮用量和置換時間。

在任一時間t，氮?dú)獬淙脒^程中將儲罐內(nèi)的混合氣體導(dǎo)出，基本維持儲罐內(nèi)等壓狀態(tài)，儲罐內(nèi)的氧含量CO2的變化具有如下規(guī)律:

式中CO2——儲罐內(nèi)的氧含量；

t——時間/h；

V——儲罐的容積/m3；

V1——氮?dú)獾某溲b速度/（m3/h）。

α實(shí)際上是置換充氣速度與儲罐容積之比，由式（4）可知，置換所需的時間取決于α的大小。相應(yīng)的惰性氣體耗量為V1t。

4 結(jié)果分析

4.1 LNG儲罐干空氣吹掃干燥

4.1.1 儲罐內(nèi)部無水膜

當(dāng)儲罐水壓試驗(yàn)后，儲罐內(nèi)部沒有水膜也沒有水聚集時，采用圖3所示工藝流程制備的干空氣對儲罐進(jìn)行吹掃干燥，假定吹掃干燥前儲罐內(nèi)初始露點(diǎn)為30℃，吹掃干燥結(jié)束時儲罐內(nèi)露點(diǎn)達(dá)到10℃。將LNG儲罐相關(guān)數(shù)據(jù)及干空氣吹掃干燥相關(guān)要求代入式（2）即可求出干空氣吹掃干燥需要的吹掃時間，干空氣用量可由吹掃時間及干空氣流量計(jì)算得到。

4.1.2 儲罐內(nèi)部有水膜

當(dāng)儲罐內(nèi)由于水壓試驗(yàn)后仍殘留大量游離水，在內(nèi)罐內(nèi)表面形成水膜或者在內(nèi)罐底部聚集局部小范圍水時，會消耗較多干空氣，此時的干空氣干燥是干空氣與水膜之間的傳質(zhì)傳熱過程，屬于典型的絕熱加濕過程?？梢愿鶕?jù)文獻(xiàn)[9]介紹的干燥計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

4.2 LNG儲罐氮?dú)飧稍镏脫Q

4.2.1 結(jié)果分析

根據(jù)方法一將LNG儲罐相關(guān)參數(shù)以及表1相關(guān)要求代入式（1）和式（2），計(jì)算出罐內(nèi)露點(diǎn)降至表1規(guī)定溫度時所需要的時間為tc1。同理，按照方法二，由式（1）和式（4）計(jì)算出所需時間為tc2。

以16萬m3LNG儲罐為例計(jì)算可知：tc1=265 h，tc2=153 h，tc1＞tc2，因此，儲罐干燥置換時間需要按方法一計(jì)算，即按規(guī)范要求的露點(diǎn)計(jì)算。得到干燥置換時間后，根據(jù)流量大小即可計(jì)算得到液氮用量。

4.2.2 工程實(shí)例驗(yàn)證

本文以山東LNG接收站一臺16萬m3儲罐為例，對干燥置換用氮量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算過程未考慮儲罐內(nèi)部附屬管道及低壓泵等干燥置換，也未考慮干燥置換作業(yè)中氮?dú)庑孤┘安僮鬟^程中其他氮?dú)鈸p失；另外干燥置換過程中僅考慮一次壓漲作用，而實(shí)際工程中由于B、C、D區(qū)較難干燥置換，很可能需要多次壓漲，為保證施工作業(yè)順利安全進(jìn)行，實(shí)際作業(yè)需要考慮液氮余量。綜合以上各因素，最終液氮用量按照方法一計(jì)算結(jié)果為814 t，這與山東LNG項(xiàng)目一臺儲罐干燥置換實(shí)際施工所用液氮量（834 t）相差不大，因此，該計(jì)算方法可行。

5 方案優(yōu)化

LNG接收站一般有多臺LNG儲罐，干燥置換作業(yè)往往是幾臺儲罐同時進(jìn)行，為提高儲罐干燥置換效率、節(jié)約資源以及最大限度縮短工期，可以采用并聯(lián)吹掃方式進(jìn)行儲罐的干燥置換，圖4以兩臺儲罐為例進(jìn)行了分析，兩臺以上儲罐并聯(lián)吹掃方式依次類推。

圖4 LNG儲罐空氣和氮?dú)獯祾吒稍锪鞒?/p>

干燥流程為：先對1#儲罐進(jìn)行干空氣吹掃，當(dāng)1#儲罐露點(diǎn)降到10℃，轉(zhuǎn)為氮?dú)飧稍镏脫Q作業(yè)；同時2#儲罐開始干空氣吹掃，2#儲罐露點(diǎn)降到10℃后，用氮?dú)忾_始干燥置換作業(yè)。并聯(lián)吹掃可以實(shí)現(xiàn)1#、2#儲罐氮?dú)獯祾邿o時間差，既節(jié)省了工期又保證了氮?dú)獾某浞止灿?，減少了氣化器等設(shè)備的需求量，節(jié)省了設(shè)備租賃及現(xiàn)場管理等費(fèi)用。

6 結(jié)論

工程中大型LNG儲罐干燥置換大多采用氮?dú)獬掷m(xù)吹掃方式，液氮消耗大、工期長、作業(yè)成本高，另外干燥置換理論計(jì)算方法不完善也給干燥置換介質(zhì)使用量的計(jì)算及工期預(yù)估造成障礙，從而不能準(zhǔn)確地完成施工準(zhǔn)備工作，給儲罐干燥置換作業(yè)帶來不便。鑒于以上原因，通過對干燥置換工藝的優(yōu)化以及對干燥置換計(jì)算公式的研究后得到以下結(jié)論：

（1）為了避免由于儲罐內(nèi)部濕度較大造成干燥置換消耗液氮較多情況的出現(xiàn)，首先利用熱的干空氣進(jìn)行吹掃干燥，當(dāng)露點(diǎn)達(dá)到一定值（10℃）后，改為氮?dú)飧稍锖椭脫Q，在干燥置換實(shí)施過程中采取壓漲式干燥置換方法以及并聯(lián)吹掃方式，不僅使干燥置換的速度提高，而且減少了液氮用量，節(jié)約了成本。

（2）通過綜合考慮含氧量及露點(diǎn)要求，給出了干燥置換的計(jì)算公式，并對不同公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得知按照露點(diǎn)要求計(jì)算大型LNG儲罐干燥置換液氮用量更加準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程使用量基本接近，可以作為工程干燥置換計(jì)算參考。

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Research and Calculation on Drying and Replacement Process of L arge L NGStorage Tank

Cao Xuewen1，Peng Wenshan1，Ren Dawei1，Wang Ping1，Zhang Nan1，Xu Xiaoting1，Chang Yonglei21.College of Pipeline and CivilEngineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China
2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China

The water pressure test is always taken for the pressure test of large LNG storage tank.The drying and replacement process must be taken after the water pressure test completed.Most tanks are continuously purged with nitrogen，resulting in large consumption of nitrogen，long test duration and high operating costs. Besides，the imperfect theoretical calculation method causes obstacle to the calculation of the drying and replacement medium，and leads to inaccuratelyestimate the amount of medium.In order to save the amount of liquified nitrogen and accurately estimate the replacement volume of nitrogen gas，the hot dry air purge method and the nitrogen purge method are combined and the pressure increasing method is used to perform drying and replacement process for LNG tank.Meanwhile，the calculation method of the amount of replacement medium is given according to the oxygen content and dew point requirements，and the results are compared with the practicalcase in the LNG tank construction site.It is shown that the calculation method based on the dew point requirement proposed in this paper can be used to calculate the amount of liquid nitrogen and the operation time accurately.So，it can be used to provide reference for the tank drying and replacement calculation and construction.

LNG storage tank；drying and replacement；calculation method；process optimization

國家自然科學(xué)基金（51274232）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（13CX06074A）資助

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.003

曹學(xué)文（1966-），男，山東昌邑人，教授，博士生導(dǎo)師，1986年畢業(yè)于華東石油學(xué)院，博士，主要從事天然氣處理與加工、油氣水多相流理論及應(yīng)用、海底管道完整性管理等方面的研究。

2014-06-04；

2014-08-29