上海煤氣第二管線工程有限公司　張　峰　朱　濤

閔行LNG汽車加氣與灌裝示范站低溫預(yù)冷技術(shù)探討

上海煤氣第二管線工程有限公司張峰朱濤

LNG(液化天然氣)站的低溫設(shè)備及工藝管道預(yù)冷是場站投產(chǎn)前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以上海市閔行LNG汽車加氣與灌裝示范站工程站內(nèi)低溫設(shè)備及工藝管道預(yù)冷施工為例，分析闡述了LNG場站預(yù)冷的目的和原則，預(yù)冷的關(guān)鍵技術(shù)以及預(yù)冷后的注意事項(xiàng)等，并對工程進(jìn)行總結(jié)歸納，對后續(xù)類似工程施工有一定指導(dǎo)作用。

LNG場站工藝管道預(yù)冷LNG儲罐

0　前言

LNG場站施工完成后，由于受超低溫及LNG特殊性質(zhì)影響，在正式投產(chǎn)前，必須采用中間介質(zhì)(通常采用液氮)對LNG低溫設(shè)備及工藝管道進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷檢驗(yàn)調(diào)試合格后方可接收LNG，其過程主要是檢驗(yàn)和測試設(shè)備及工藝管道的低溫性能，包括檢驗(yàn)低溫材料質(zhì)量、管道焊接質(zhì)量、管道冷縮量和管托支撐變化、低溫閥門密封性等是否合格以及使儲罐在預(yù)冷過程中提前達(dá)到運(yùn)行工況，同時(shí)測試儲罐的真空性能。

LNG場站預(yù)冷包括調(diào)試預(yù)冷和正常生產(chǎn)時(shí)的卸車預(yù)冷，預(yù)冷應(yīng)遵循儲罐和管道溫度逐步降低，避免急冷的原則，防止溫度驟降對設(shè)備和管件造成損傷。本文結(jié)合上海市閔行LNG汽車加氣與灌裝示范站工程實(shí)例對場站低溫設(shè)備及工藝管道調(diào)試預(yù)冷關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1　場站簡介

汽油罐，2臺30 m3柴油罐，設(shè)2臺雙槍LNG加氣機(jī)和4臺雙泵四槍加油機(jī)。LNG灌裝示范站內(nèi)建2臺100 m3LNG儲罐，2臺30 m3BOG(閃蒸汽)儲罐等(如圖1所示)，用于LNG槽車裝卸、分輸和為非管輸用鋼瓶提供灌裝等業(yè)務(wù)支持。兩個站區(qū)的放散氣(EAG)分別經(jīng)EAG復(fù)熱器加熱后，由設(shè)置在LNG灌裝示范站的放散總管統(tǒng)一放散。

圖1　兩臺100 m3立式儲罐

閔行LNG汽車加氣與灌裝示范站工程即上海LNG非管輸應(yīng)用示范工程位于上海市閔行區(qū)上海液化石油氣經(jīng)營有限公司儲配分公司場地內(nèi)，占地面積14846 m2，預(yù)計(jì)年周轉(zhuǎn)LNG規(guī)模1.33萬噸。場站分LNG汽車加氣示范站及LNG灌裝示范站，兩個站區(qū)分別設(shè)儲罐區(qū)、卸車區(qū)及工藝裝置區(qū)，均可獨(dú)立生產(chǎn)運(yùn)行。LNG汽車加氣示范站是加油加氣合建站，站內(nèi)建1臺60 m3LNG儲罐、2臺30 m3

整個場站工藝管道最高設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，最低設(shè)計(jì)溫度-196℃，低溫材料(閥門、法蘭、緊固件、管道管材)材質(zhì)主要為不銹鋼管06Cr19Ni10。LNG儲罐均采用雙層金屬罐式真空罐，內(nèi)罐為耐低溫不銹鋼06Cr19Ni10壓力容器，外罐為Q345R碳鋼材料，夾層填充絕熱材料，并抽真空，所有接管開口均在外罐底部，如圖2所示。

圖2　LNG立式儲罐結(jié)構(gòu)及工藝管線連接

2　場站工藝流程

整個場站工藝包括：儲存工藝、卸車工藝、增壓工藝、BOG工藝、氣化加溫工藝、鋼瓶充裝工藝及調(diào)壓計(jì)量工藝。

本工程LNG汽車加氣示范站與LNG灌裝示范站各選用2臺LNG低溫潛液泵，潛液泵包括泵體和泵池兩部分，泵體為浸沒式兩級離心泵，整體浸入泵池中，無密封件，所有運(yùn)動部件由低溫液體冷卻和潤滑。LNG汽車加氣示范站工藝流程見圖3。

圖3　LNG汽車加氣與灌裝示范站工藝流程示意

LNG通過運(yùn)輸槽車運(yùn)至LNG汽車加氣示范站內(nèi)，使用卸車泵或卸車增壓器進(jìn)行卸車，將槽車內(nèi)LNG通過工藝管道卸至站內(nèi)儲罐，后通過LNG潛液泵、加氣機(jī)對車輛進(jìn)行加氣。

LNG儲罐、低溫槽車及其它在LNG儲存、生產(chǎn)期間產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)，經(jīng)空溫式氣化器加熱后，經(jīng)調(diào)壓(調(diào)壓至0.4～0.7 MPa)計(jì)量后輸送至相鄰LNG灌裝示范站的BOG儲氣罐。

如圖3，LNG灌裝示范站工藝流程圖，LNG由汽車槽車運(yùn)至LNG灌裝示范站區(qū)，利用卸車增壓器將槽車內(nèi)的LNG卸入LNG儲罐。儲罐內(nèi)LNG一路經(jīng)LNG低溫潛液泵輸送到灌裝區(qū)；另一路通過空溫式氣化器加熱后，經(jīng)調(diào)壓計(jì)量，輸送至相鄰LPG站區(qū)的鍋爐房。

LNG儲罐、低溫槽車、LNG鋼瓶及其它在LNG生產(chǎn)期間產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)，經(jīng)加熱器加熱后進(jìn)入BOG儲氣罐，經(jīng)調(diào)壓計(jì)量輸送至相鄰LPG站區(qū)的鍋爐房。

3　預(yù)冷前基本要求

通常LNG進(jìn)液管道的保冷施工是在預(yù)冷前完成，以測試設(shè)備及管道在低溫狀態(tài)下的性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但本工程考慮到預(yù)冷時(shí)室外環(huán)境溫度較低，為方便預(yù)冷后及時(shí)發(fā)現(xiàn)低溫管道表面可能出現(xiàn)的延遲裂紋等問題，采取先預(yù)冷后保冷的施工順序，即場站所有工藝管道預(yù)冷是在未經(jīng)保冷的工況下進(jìn)行。

除此，LNG低溫設(shè)備及工藝管道系統(tǒng)預(yù)冷前：儲罐和全部工藝管道已經(jīng)過嚴(yán)密性試驗(yàn)和吹掃，處于氮?dú)獗籂顟B(tài)，其中儲罐壓力≥0.15 MPa，進(jìn)液管道壓力為0.15 MPa，外管道壓力為0.15 MPa，檢測溫度為常溫。儲罐、飽和管線、潛液泵池、撬體上的外管線等在設(shè)備出廠前都已進(jìn)行吹掃、露點(diǎn)檢測、氣密、預(yù)冷等工序，現(xiàn)場預(yù)冷過程無需再進(jìn)行以上檢測。

4　預(yù)冷關(guān)鍵技術(shù)

LNG低溫設(shè)備及工藝管道預(yù)冷分氣體放散吹掃、低溫氮?dú)忸A(yù)冷和液態(tài)預(yù)冷三個階段。LNG場站預(yù)冷流程見圖4。

圖4　LNG場站預(yù)冷流程示意

4.1預(yù)冷第一階段：氣體的放散吹掃

放散吹掃的主要工藝線路包括：儲罐卸車管道線路、卸車增壓氣相管線、卸車增壓器管線和加注機(jī)部分真空管道(如圖5)。

圖5　氣體放散吹掃流程

放散吹掃作業(yè)中的檢測點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)置在吹掃管段的末端手動排放閥、卡套、法蘭盲板處，并利用露點(diǎn)儀和便攜式氧含量檢測儀檢測儲罐、泵池及各(真空)管道氣體的露點(diǎn)和氧含量。

氮?dú)夥派⒋祾呤菍幼⑾到y(tǒng)和(真空)管道內(nèi)水分和氧氣進(jìn)行吹掃，并以各吹掃放散口檢測到的氣體露點(diǎn)為-30～-40 ℃，氣體含氧量≤2%作為系統(tǒng)氣體放散吹掃合格的判斷依據(jù)。整個系統(tǒng)所有工藝管道都必須進(jìn)行吹掃，有盲板封頭的封閉管道應(yīng)拆除盲板進(jìn)行吹掃，吹掃放散后的儲罐及管道都應(yīng)保持0.02～0.05 MPa微正壓。

4.2預(yù)冷第二階段：低溫氮?dú)忸A(yù)冷

低溫氮?dú)忸A(yù)冷主要工藝流程如圖6所示。

圖6　低溫氮?dú)忸A(yù)冷流程

采用液氮通過槽車自增壓系統(tǒng)產(chǎn)生低溫氮?dú)?，對卸車系統(tǒng)進(jìn)液管道和低溫儲罐預(yù)冷，預(yù)冷的低溫氣體壓力≤0.4 MPa(溫度約-140℃)。預(yù)冷范圍包括卸車增壓系統(tǒng)、進(jìn)液管、儲罐、泵池等管線。

在低溫氮?dú)忸A(yù)冷工藝作業(yè)中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測各測溫點(diǎn)的溫度變化，溫度處于-40～-60 ℃為合格。本工程采用紅外線測溫儀對儲罐溫度進(jìn)行多點(diǎn)檢測確認(rèn)。對于低溫氮?dú)忸A(yù)冷過程，主要檢測內(nèi)容包括：逐一檢查閥門是否有外漏和內(nèi)漏現(xiàn)象，確保閥門開閉靈活，無凍結(jié)現(xiàn)象；逐一檢查焊縫(包括法蘭焊縫)是否有裂紋和其他非正常現(xiàn)象；逐一檢查法蘭密封面是否泄漏；測試儲罐真空度(由儲罐生產(chǎn)單位進(jìn)行)；逐一檢查管道冷縮量和管托支架的變化情況。預(yù)冷前除安全閥、壓力表的根部閥門應(yīng)處于開啟狀態(tài)外，管道上其余閥門均應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

預(yù)冷進(jìn)氣量控制要求：預(yù)冷液氮壓力≤0.4 MPa(溫度約-140℃)并且溫度下降速度≤-50 ℃/h。

4.3預(yù)冷第三階段：液氮預(yù)冷

液氮預(yù)冷分兩個階段，第一階段卸車撬液氮預(yù)冷；第二階段儲罐、加注系統(tǒng)液氮預(yù)冷。儲罐在進(jìn)液前，將罐內(nèi)的氮?dú)鈮毫Ψ派⒅?.1～0.2 MPa。液氮預(yù)冷工藝流程如圖7所示。

圖7　液氮預(yù)冷流程

單個儲罐液氮預(yù)冷工藝：槽車進(jìn)行自增壓，開啟儲罐頂部充裝進(jìn)液閥，開啟卸車進(jìn)液閥→開啟槽車液相閥開始從儲罐頂部進(jìn)液，對儲罐進(jìn)液→液位計(jì)讀數(shù)達(dá)到350 mmH2O時(shí)關(guān)閉氣動閥,儲罐卸液結(jié)束→檢測儲罐真空度→觀察壓力變化0.5～0.6 MPa。

在液氮預(yù)冷進(jìn)液時(shí)，槽車液相閥門必須逐步增加開啟度，開始充裝液氮時(shí)，因液氮產(chǎn)生的氣體使儲罐內(nèi)壓力上升，應(yīng)密切關(guān)注壓力上升速度，控制液氮充裝速度，當(dāng)壓力上升到0.6 MPa時(shí)，打開EAG手動放散閥減壓，從而降低儲罐內(nèi)壓力上升，當(dāng)壓力趨于穩(wěn)定時(shí)，可進(jìn)行儲罐頂部進(jìn)液閥進(jìn)液，并增加充液速度。

儲罐壓力在穩(wěn)定的狀態(tài)下保持15分鐘，儲罐液氮預(yù)冷結(jié)束。預(yù)冷結(jié)束后用儲罐內(nèi)殘留的液氮?dú)饣蟠祾?、置換常溫設(shè)備及管道。最后，試車合格后，用LNG將儲罐中的液氮置換出來，就可以正式充裝LNG?，F(xiàn)場儲罐低溫管道液氮預(yù)冷，如圖8所示。

圖8　儲罐低溫管道液氮預(yù)冷

5　液氮預(yù)冷后LNG置換前注意事項(xiàng)

由于低溫儲罐特性，液氮的日蒸發(fā)量約為3‰，儲罐壓力會由于液態(tài)轉(zhuǎn)換氣態(tài)逐步升高，日常中需觀察儲罐壓力，高于0.7 MPa時(shí)對儲罐進(jìn)行降壓處理?？赏ㄟ^打開儲罐安全閥旁通閥由EAG放散管進(jìn)行放空。

由于儲罐內(nèi)定期會有一部分氣體排放掉，儲罐內(nèi)液態(tài)氮?dú)鈺捎谌照舭l(fā)原因而逐漸減少，日常中需每天觀察儲罐液位，當(dāng)現(xiàn)場液位計(jì)讀數(shù)接近于0 mmH2O，說明儲罐內(nèi)基本上不再有液氮存在，需重新對儲罐進(jìn)行液氮填充。

6　結(jié)語

LNG低溫設(shè)備及工藝管道預(yù)冷是場站投產(chǎn)前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雖然不同場站工程對應(yīng)的LNG置換預(yù)冷方案不同，但方法基本一致，即首先用液氮進(jìn)行預(yù)冷置換，然后用LNG置換液氮。結(jié)合具體工程正確采用預(yù)冷工藝可以提高效率，降低預(yù)冷成本，保證操作安全。在此，結(jié)合閔行LNG場站工程施工經(jīng)驗(yàn)，淺談幾點(diǎn)體會：

(1)預(yù)冷過程中，LNG低溫設(shè)備及工藝管道處于深冷工況，因此，為更好控制吹掃、試壓、預(yù)冷過程中的各個環(huán)節(jié)，操作人員要熟悉場站工藝流程，同時(shí)掌握相關(guān)氣體物理性質(zhì)，防止液氮凍傷。在預(yù)冷過程中依據(jù)系統(tǒng)外表有無結(jié)霜與水汽現(xiàn)象應(yīng)能準(zhǔn)確判斷真空管道及加注系統(tǒng)是否有露冷、漏氣現(xiàn)象。

(2)LNG工藝管道連接閥門、法蘭數(shù)量多，在預(yù)冷第一階段氣體放散吹掃環(huán)節(jié)中，管道應(yīng)盡量采取分段吹掃。在有閥門的管路先將閥門拆下，進(jìn)行徹底吹掃，打靶檢驗(yàn)合格后，再將單體試壓合格的閥門安裝到系統(tǒng)中，待系統(tǒng)再次試壓合格后對管道系統(tǒng)進(jìn)行二次吹掃，這樣既能保護(hù)閥門又能達(dá)到吹掃效果。

(3)根據(jù)工程特點(diǎn)、施工環(huán)境和預(yù)冷要求正確選擇管道保冷、預(yù)冷施工順序。在環(huán)境溫度較高時(shí)，可選擇先保冷后預(yù)冷，這樣可在預(yù)冷時(shí)檢查保冷效果，同時(shí)避免由于液體氣化較快而致使進(jìn)液失敗，節(jié)省液氮；在環(huán)境溫度較低時(shí)，為方便發(fā)現(xiàn)預(yù)冷后管道表面有可能出現(xiàn)的延遲裂紋等問題，可采取先預(yù)冷后保冷。

(4)預(yù)冷時(shí)對儲罐和管道及設(shè)備、閥門、法蘭、儀表等應(yīng)逐步降溫，待溫度降到規(guī)定值并達(dá)到穩(wěn)定后，通過觀察，檢驗(yàn)，測定準(zhǔn)確無異常情況后方可進(jìn)一步降低溫度，避免因急冷導(dǎo)致溫度驟降形成的溫差應(yīng)力對系統(tǒng)造成損傷。

Discussion on Pre-cooling Technology for Cryogenic Application in Minhang LNG Station

Shanghai Municipal Gas No.2 Pipelines Engineering Co.,Ltd.Zhang FengZhu Tao

Low temperature pipeline and equipment are important facilities of LNG(Liquefied Natural Gas) vehicle refueling station. As a key to ensure operation successfully, it is a very important process to pre-cool these facilities. Taking Minhang LNG project in Shanghai Petrochemical Company as an example, this article introduces the purpose and principles of pre-cooling technology, analyses the key processes and attentions of pre-cooling and provides some guidelines for similar projects.

LNG station, process piping, pre-cooling, LNG storage