王江濤 中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101

在經(jīng)濟(jì)增速換檔、資源環(huán)境約束趨緊的新常態(tài)下，能源綠色轉(zhuǎn)型勢在必行，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)入新能源、天然氣、可再生能源等新型清潔能源階段。天然氣需求量逐漸增大，2017年中國已經(jīng)超過韓國成為世界第二大天然氣進(jìn)口國，特別是在東部沿海地區(qū)LNG接收站已形成一個環(huán)形帶。

而LNG接收站中最為關(guān)鍵的核心設(shè)備就是大型LNG儲罐，也是我國在LNG接收站領(lǐng)域最難攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)。接收站LNG儲罐是高安全性能的全容式混凝土頂儲罐(FCCR)，設(shè)計溫度一般為-165℃左右，內(nèi)罐為頂部敞開結(jié)構(gòu)，材料為X7Ni9鋼[1]。目前LNG運(yùn)輸船的船容規(guī)模已經(jīng)增加至21萬m3、26萬m3，這也導(dǎo)致LNG接收站的儲罐逐漸大型化，新建儲罐大部分朝向20萬m3以上發(fā)展，大型儲罐具有降低整體投資成本和占地面積的優(yōu)勢[2]?？紤]到LNG儲罐占用項目投資成本比例高，且運(yùn)行十分穩(wěn)定，使用壽命基本維持在25年以上，隔離檢修成本高，所以在接收站設(shè)計中沒有考慮LNG儲罐備用或者是隔離檢修，而是一次性投入生產(chǎn)之后長期運(yùn)行。因此，LNG儲罐預(yù)冷的效果事關(guān)整個項目的成敗，如果預(yù)冷效果不好而引起低溫LNG灼傷儲罐內(nèi)罐鋼板，LNG儲罐將無法投用，從而整個接收站將無法如期投產(chǎn)，嚴(yán)重影響接收站的運(yùn)營和下游用戶的用氣。

1 LNG儲罐預(yù)冷流程[3]

目前大部分LNG接收站儲罐的預(yù)冷主要是通過卸料系統(tǒng)來完成，特別對于接卸首船的LNG儲罐預(yù)冷需要業(yè)主和LNG船方共同合作完成，利用船泵以及氣化器完成卸料系統(tǒng)的預(yù)冷，隨后進(jìn)行LNG儲罐噴淋預(yù)冷和填充。主要流程見圖1。

圖1 LNG接收站卸料系統(tǒng)LNG儲罐常規(guī)預(yù)冷流程(1#儲罐)

管道預(yù)冷需要低溫氣體和LNG依次預(yù)冷以實現(xiàn)溫度逐級降低，首先通過低溫氣體(氮氣或者BOG，利用船方或者接收站方外置氣化器獲得)進(jìn)行初次預(yù)冷，在預(yù)冷管道末端溫度達(dá)到-120～-110℃時開始準(zhǔn)備進(jìn)行LNG預(yù)冷，待卸料管線填充LNG完成時(溫度-150～-140℃)準(zhǔn)備進(jìn)行LNG儲罐噴淋預(yù)冷。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入LNG儲罐噴淋管線的流量，控制整個儲罐的預(yù)冷速度，儲罐冷卻期間需要中控室密切監(jiān)測儲罐底部和罐壁的溫度變化趨勢，計算溫降速度，并關(guān)注相鄰溫度傳感器之間的溫差以及任意兩個溫度傳感器的最大溫差。冷卻時，平均溫降速度不超過5℃/h，相鄰溫度計之間的最大溫差不超過20℃，且任意兩個溫度計之間的最大溫差不超過50℃。如果不在上述要求的溫度范圍內(nèi)，需降低儲罐冷卻速率，均衡罐內(nèi)溫度。

待儲罐的罐壁和罐底溫度達(dá)到-150～-140℃時可進(jìn)行LNG填充，此時通過LNG船上LNG泵并通過調(diào)節(jié)出口閥門使儲罐液位達(dá)到500～1000 mm；隨后啟動大流量填裝泵，建立儲罐液位至3 m以上。待液位滿足低壓泵啟動要求時，準(zhǔn)備進(jìn)行罐內(nèi)低壓泵調(diào)試。

2 LNG儲罐預(yù)冷方案分析

目前LNG儲罐的預(yù)冷每個接收站大同小異，但是在預(yù)冷過程中經(jīng)常會遇到一些問題，下面針對這些問題進(jìn)行重點分析并提出解決措施，進(jìn)而優(yōu)化LNG儲罐的預(yù)冷方案。

2.1 LNG直接噴淋預(yù)冷儲罐

在預(yù)冷之前LNG儲罐充滿了氮氣，目前國內(nèi)外大部分接收站采用船上外置氣化器或者接收站外置氣化器的方式，氣化LNG得到BOG作為低溫氣體進(jìn)行管道預(yù)冷，同時實現(xiàn)LNG儲罐的BOG置換，然后再進(jìn)行LNG噴淋。從實際運(yùn)行、冷卻效果與速率以及經(jīng)濟(jì)性角度分析，采用液氮氣化作為低溫氣體比BOG更具優(yōu)勢，但是采用液氮需要增加一個額外步驟——儲罐BOG置換，待儲罐BOG達(dá)到一定濃度后才可進(jìn)行LNG噴淋預(yù)冷。

該方法雖然較成熟，大部分接收站都是在儲罐BOG置換后才進(jìn)行LNG噴淋預(yù)冷。但是是否有必要進(jìn)行BOG置換？LNG儲罐的設(shè)計溫度是-165℃，通過計算在15kPa(G)下(按照預(yù)冷的正常壓力作為參考)氮氣的凝點是-194.6℃，純甲烷的凝點是-159.9℃，預(yù)冷期間LNG的溫度最低是-155℃，在同一個壓力下并不會將氮氣液化。因此只要控制好儲罐壓力不出現(xiàn)急劇波動，不會出現(xiàn)惰性氣體液化的現(xiàn)象，目前已有部分接收站采用直接噴淋預(yù)冷的方式。

采用液氮預(yù)冷管道和LNG直接噴淋的方式優(yōu)點：大幅縮短了儲罐預(yù)冷時間，使接收站首次接船預(yù)冷可以減少1～2天，同時減少國外LNG運(yùn)輸船?？繒r間，LNG船在接收站碼頭?？砍杀久刻煨枰~外增加100萬元左右，增加運(yùn)輸成本。而且針對卸料管線的預(yù)冷從成本和預(yù)冷效率分析，氮氣預(yù)冷更具優(yōu)勢[4]。

2.2 工藝方案的選擇

目前國內(nèi)外工程公司設(shè)計的接收站存在預(yù)冷過程儲罐頂部HV閥門泄漏的風(fēng)險，針對該問題可進(jìn)行以下設(shè)計優(yōu)化：

(1)優(yōu)化噴淋管線的位置。目前接收站大部分噴淋管線是從卸料管線立管距離儲罐頂部彎頭2 m處接出，處于卸料管線ESDV閥門和罐頂手動調(diào)節(jié)閥門(HV)之間(見圖1)。通過以上的方式增加溫度計可以從操作上避免泄漏問題，但是依然有LNG進(jìn)入儲罐造成不可逆?zhèn)Φ娘L(fēng)險，且HV閥下游是低壓儲罐(接近于無背壓)，無法進(jìn)行氮氣保壓防泄漏。

鑒于以上原因，打破國外工程公司傳統(tǒng)設(shè)計理念，修改預(yù)冷噴淋管線的位置，從卸料管線ESDV閥上游接出，這樣下游實現(xiàn)雙閥隔離(ESDV和HV)，不會導(dǎo)致LNG進(jìn)入儲罐。

(2)采用低壓外輸管線代替卸料管線預(yù)冷。這是一種備選方案建議，利用低壓外輸管線跨接至噴淋管線實現(xiàn)預(yù)冷，不采用常規(guī)的卸料管線，該方案特別適用于接收站的儲罐擴(kuò)建項目(預(yù)留短管接頭閥門和法蘭)。該方案的缺點是：在LNG填充的時候無法實現(xiàn)大流量填充，仍然要通過卸料管線，這樣需要在儲罐預(yù)冷結(jié)束后再預(yù)冷卸料管線，增加了船停靠時間。

2.3 工程設(shè)計的優(yōu)化

目前大部分工程項目的設(shè)計人員對試車和預(yù)冷程序不夠熟悉，導(dǎo)致在設(shè)計過程中考慮不完善，對LNG儲罐的預(yù)冷造成麻煩。目前即使是成熟國外工程公司依然存在該問題，每個接收站整體工藝流程類似，但是每個接收站又有自己的特殊情況。

2.3.1 表面溫度計的設(shè)置

表面溫度計的安裝位置改進(jìn)見圖2。

圖2 表面溫度計的安裝位置改進(jìn)

在規(guī)范中要求100 m至少有1對表面溫度計[5]，但是在實際的表面溫度計設(shè)置中要根據(jù)預(yù)冷和操作情況設(shè)置數(shù)量和安裝位置。在LNG儲罐預(yù)冷主要是通過噴淋管線(從卸料總管接出)進(jìn)行LNG噴淋霧化低溫預(yù)冷，由于管道外面包覆PIR保冷層和鋁板，只能通過表面溫度計觀測管道內(nèi)部液位情況。

在LNG填充卸料管線立管的時候，罐頂部HV閥門的旁路是有一定開度進(jìn)行排氣，因而在LNG填充的過程中必須確保LNG不能進(jìn)入到罐頂部水平管，由于有的接收站缺少表面溫度計,在預(yù)冷的過程中只能通過壓力和經(jīng)驗判斷，增加了預(yù)冷風(fēng)險。如果在噴淋管線的接口處上下游設(shè)置表面溫度計將避免該現(xiàn)象的發(fā)生(圖2 位置1和位置2)，只要控制好LNG流量緩慢填充則可以確保LNG不進(jìn)入罐頂水平管道(位置3溫度計監(jiān)測)。

2.3.2 壓力表的設(shè)置

LNG儲罐噴淋預(yù)冷決定了整個儲罐的預(yù)冷效果，目前新建接收站儲罐頂部噴嘴改成儲罐環(huán)繞的噴嘴型式，以提高預(yù)冷效果。但是阻力降也增大，對預(yù)冷LNG的壓力要求更高，一般至少在2bar(G)以上，如果壓力不足噴嘴將無法形成噴霧狀態(tài)，而形成LNG液滴滴入底板造成灼傷，因此壓力表位置的設(shè)計非常關(guān)鍵。

壓力表的安裝位置改進(jìn)見圖3。

圖3 壓力表的安裝位置改進(jìn)

圖3中，在儲罐底部設(shè)置一個壓力表(位置3)，通過該壓力可以判斷出是否滿足噴嘴對壓力的要求，如果噴嘴要求壓力至少200 kPa(G)，LNG密度取450 kg/m3，LNG立管高度按照40 m計算，則通過計算儲罐底部的壓力表至少顯示377 kPa(G)，如出現(xiàn)低于該壓力則立即關(guān)閉LNG儲罐預(yù)冷閥門；還有在LNG噴淋管線調(diào)節(jié)閥或者手動調(diào)節(jié)閥的下游設(shè)置一個壓力表(位置2)，由于該壓力表可以直接體現(xiàn)出進(jìn)入噴嘴入口的壓力(管道阻力不到10kPa)，噴淋管線調(diào)節(jié)閥操作只允許開大或者關(guān)閉，不能關(guān)小，所以該壓力的示數(shù)非常關(guān)鍵。

3 LNG低壓泵調(diào)試運(yùn)行

3.1 準(zhǔn)備工作

當(dāng)儲罐的LNG填充液位滿足低壓泵調(diào)試運(yùn)行時，可以進(jìn)行低壓泵調(diào)試。由于在預(yù)冷之前儲罐液位檢測和低壓泵出口流量檢測等檢測和聯(lián)鎖信號屏蔽，儀表專業(yè)檢查聯(lián)鎖是否正常，同時電氣專業(yè)檢查相序等是否有問題。啟動泵之前確保低壓泵kickback管線的調(diào)節(jié)閥開度保持100%(現(xiàn)場開度顯示和中控核對過后)，出口主管路開關(guān)閥門關(guān)閉，現(xiàn)場工藝、電氣和儀表等專業(yè)確認(rèn)具備泵啟動條件時通知中控室準(zhǔn)備啟動。

3.2 調(diào)試過程

3.2.1 手動模式

泵的第一次啟動通常采用就地模式，進(jìn)行現(xiàn)場低壓泵啟動，中控室隨時觀察低壓泵出口的壓力和流量變化，調(diào)節(jié)kickback管線調(diào)節(jié)閥開度，觀察低壓泵出口流量和壓力變化情況。啟動完成后，在額定流量范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行一段時間停泵，然后關(guān)閉kickback管線調(diào)節(jié)閥,見圖4。

圖4 低壓泵啟動正常流量、壓力和振動曲線圖

根據(jù)液位情況，在啟動泵之前可以嘗試縮短低壓泵筒vent管線上的開關(guān)閥的關(guān)閉時間，調(diào)節(jié)到2min左右(泵調(diào)試結(jié)束后還原至設(shè)計值)。

某次低壓泵啟動失敗的電流曲線變化見圖5。

圖5 低壓泵啟動失敗電流曲線變化

可以發(fā)現(xiàn)在啟動2 min后關(guān)閉，總共耗時3 min，通過現(xiàn)場專家和工程師分析，是由于低壓泵出口低低流量報警聯(lián)鎖沒有進(jìn)行復(fù)原，造成誤報警。

3.2.2 自動模式

通過中控室進(jìn)行低壓泵啟動，啟動成功后開始準(zhǔn)備調(diào)試低壓泵的特性曲線，通過調(diào)整回流管線調(diào)節(jié)閥開度(100%逐漸關(guān)小至50%左右，再逐漸開大至額定流量下開度)，最終將泵穩(wěn)定在額定流量下運(yùn)行1 hr以上。低壓泵額定流量調(diào)試過程見圖6。

圖6 LNG低壓泵額定流量調(diào)試過程

4 預(yù)冷過程中的問題及解決方案

目前已經(jīng)投產(chǎn)的LNG接收站項目在試車調(diào)試時，預(yù)冷過程會出現(xiàn)很多問題，例如管道存在兩相、管道位移超標(biāo)、管道扭曲等，會給整個預(yù)冷帶來很大的麻煩甚至預(yù)冷失敗。

4.1 卸料管線彈簧支架變形問題

由于在預(yù)冷過程中，管道的安裝的調(diào)節(jié)閥和ESDV閥門尚未進(jìn)行完全保冷處理，因此在低溫氣體預(yù)冷結(jié)束后LNG預(yù)冷之前的時間空隙內(nèi)管道局部會出現(xiàn)復(fù)溫現(xiàn)象。特別是儲罐區(qū)域的卸料管線(一般管徑在24″以上)，由于LNG儲罐處于卸料管線預(yù)冷末端，在LNG從船緩慢流向儲罐的過程中，該部分管線開始出現(xiàn)復(fù)溫(存在一個大尺寸閥門，未保溫)，在接觸LNG時后會出現(xiàn)很大的應(yīng)力收縮，而導(dǎo)致管道和彈簧支架變形?，F(xiàn)象最為明顯的是1#、2#儲罐分開預(yù)冷，在預(yù)冷2#儲罐結(jié)束后開始準(zhǔn)備預(yù)冷1#儲罐時，由于1#儲罐卸料管線上的ESDV-01閥門在預(yù)冷2#儲罐時關(guān)閉，此時1#儲罐ESDV-01下游管道(充滿預(yù)冷的低溫氣體)出現(xiàn)復(fù)溫，特別是南方地區(qū)，管道會復(fù)溫至0℃以上導(dǎo)致在LNG預(yù)冷的時候上下表面溫差接近100℃，此時卸料管道將會出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力收縮，由于固定點設(shè)置問題會引起管道上翹導(dǎo)致碰觸彈簧支架，此時彈簧支架將失去作用，如果LNG繼續(xù)填充豎直管，此時立管會產(chǎn)生軸向應(yīng)力，導(dǎo)致彈簧支架徹底失去作用，增加風(fēng)險。

針對該問題，在2#儲罐LNG噴淋預(yù)冷至-110～-100℃時，可將2#儲罐排放火炬的低溫BOG通過1#儲罐BOG管道跨線連通至1#儲罐卸料管線，不斷預(yù)冷卸料管線并同時可以對2#儲罐進(jìn)行BOG置換，這樣可以避免在LNG預(yù)冷1#儲罐時溫差過大導(dǎo)致很強(qiáng)的應(yīng)力問題。

4.2 LNG出現(xiàn)泄漏至儲罐現(xiàn)象

如上所述，在LNG噴淋預(yù)冷過程中由于操作不當(dāng)導(dǎo)致LNG滴入到儲罐的底板上將會造成不可逆的傷害，對整個項目的損失非常大。但是在實際操作過程中，只要控制好流速就不會有LNG大量進(jìn)入，當(dāng)然仍有LNG進(jìn)入儲罐的風(fēng)險。

預(yù)冷過程中儲罐罐壁溫度一般比罐底溫度高4～5℃，如果出現(xiàn)儲罐底部的溫度比罐壁低有可能出現(xiàn)LNG進(jìn)入儲罐的工況，此時應(yīng)立即降低LNG填充流量(注意壓力)。一般LNG填充流量控制在30～40 m3/h，如果出現(xiàn)泄漏在30 s的時間內(nèi)大約0.33 m3的LNG可能進(jìn)入儲罐，由于剛開始儲罐溫度接近于常溫，在LNG落入罐底的時候基本上全部氣化，這個時候監(jiān)控底板的溫度分布情況，溫差不超過30℃即可。因此在預(yù)冷調(diào)試尚未穩(wěn)定之前一定要保持工作人員在崗，緊盯儲罐溫度變化。

4.3 卸料管線HV法蘭處泄漏問題

由于管線復(fù)溫的現(xiàn)象，在對LNG儲罐填充時，當(dāng)?shù)蜏豅NG通過HV閥門時該處法蘭會出現(xiàn)泄漏，此時只能停止LNG填充進(jìn)行閥門檢修。通過分析，在LNG填充之前HV閥門處水平管道上下表面溫度為4/-60℃左右(BOG密度分層)，此時低流量-150℃的LNG尚未立即填滿管道，上下大溫差勢必會引起強(qiáng)烈應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致HV閥法蘭泄漏。因此建議在設(shè)計過程中將HV閥門采用焊接連接，旁路的1″閥門采用法蘭連接，目前大尺寸閥門采用頂裝式或者側(cè)裝式安裝均可，檢修時無需拆卸閥門。

5 結(jié)語

(1)LNG儲罐的預(yù)冷方案關(guān)系到項目是否成功以及整個接卸船周期，本文在傳統(tǒng)LNG儲罐預(yù)冷流程的基礎(chǔ)上，從LNG噴淋預(yù)冷方案、預(yù)冷工藝方案化、預(yù)冷設(shè)計等多個方面進(jìn)行分析優(yōu)化，解決目前預(yù)冷存在的問題。

(2)介紹了罐內(nèi)LNG低壓泵的調(diào)試基本過程，包括就地和遠(yuǎn)傳控制啟停低壓泵程序以及低壓泵特性曲線調(diào)試過程；同時對儲罐預(yù)冷過程中彈簧支架變形、LNG泄漏以及管道復(fù)溫等現(xiàn)象給出解決方案，為今后LNG接收站或者其它LNG工業(yè)儲罐預(yù)冷提供極具可操作性的實施方案。