薛 峰，張國(guó)中，姜永勝，陳 瑞

(海洋石油工程股份有限公司 天津300452)

0 引 言

自2006年廣東大鵬 LNG項(xiàng)目工程正式投產(chǎn)以來(lái)，國(guó)內(nèi) LNG(液化天然氣)項(xiàng)目發(fā)展迅猛[1]。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工單位逐漸掌握大型及特大型低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、建造技術(shù)及相關(guān)調(diào)試技術(shù)。但就技術(shù)含量、施工難度而言，LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷調(diào)試相關(guān)工作仍是整個(gè)接收站的關(guān)鍵工作，在實(shí)際項(xiàng)目中往往作為單項(xiàng)工程，采用獨(dú)立招標(biāo)方式，由承包商單獨(dú)管理。針對(duì)儲(chǔ)罐調(diào)試工作中儲(chǔ)罐冷卻危險(xiǎn)高、操作難度大的特點(diǎn)，本文以海洋石油工程股份有限公司已完工的某 LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目為例，重點(diǎn)闡述了儲(chǔ)罐冷卻調(diào)試的相關(guān)技術(shù)。

1 儲(chǔ)罐調(diào)試工作概述

儲(chǔ)罐調(diào)試工作，是全面檢驗(yàn)儲(chǔ)罐建造成果，調(diào)整管線儀表狀態(tài)，為儲(chǔ)罐正式投產(chǎn)做準(zhǔn)備的工作。整個(gè)調(diào)試工作大體分為3個(gè)階段。

①預(yù)試車：即儲(chǔ)罐系統(tǒng)(包括工藝系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、儀表和控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和安全系統(tǒng))安裝測(cè)試，儲(chǔ)罐的水壓、氣壓(包括正壓和負(fù)壓)試驗(yàn)及氮?dú)庵脫Q等工作。此部分工作的共同點(diǎn)是不涉及碳?xì)浠衔锏氖褂谩?/p>

②試車：對(duì) LNG儲(chǔ)罐及相關(guān)低溫管道進(jìn)行冷卻工作，使整個(gè)低溫儲(chǔ)罐及相關(guān)管道具備接受低溫LNG的能力，進(jìn)液并達(dá)到一定的液位后，進(jìn)行低壓泵的性能測(cè)試、液位儀表的調(diào)試、控制系統(tǒng)測(cè)試和儲(chǔ)罐蒸發(fā)率的測(cè)試等調(diào)試工作。

③開(kāi)車：即熟練地將儲(chǔ)罐從測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)，儲(chǔ)罐與整個(gè)接收站聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn) LNG存儲(chǔ)及外輸功能。

2 儲(chǔ)罐的冷卻技術(shù)概述

2.1 儲(chǔ)罐預(yù)冷目的

LNG低溫液體在正式進(jìn)入儲(chǔ)罐前，需對(duì)儲(chǔ)罐及相關(guān)管線進(jìn)行充分冷卻，使其逐步達(dá)到使用溫度，以逐步釋放冷卻帶來(lái)的變形量，防止驟冷對(duì)管道及儲(chǔ)罐帶來(lái)破壞。此外，冷卻工作還能起到檢驗(yàn)低溫材料是否合格、管道冷縮量和管托支撐變化、低溫閥門的密封性等作用。

2.2 儲(chǔ)罐的預(yù)冷方法

根據(jù)冷卻介質(zhì)，儲(chǔ)罐的預(yù)冷方法可分為兩種[2]：

①液氮加 LNG預(yù)冷方法。利用液氮對(duì)卸料管道和儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻，待冷卻溫度達(dá)到-120～-110,℃，換成 LNG繼續(xù)對(duì)管道及儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻。這種方式的預(yù)冷介質(zhì)由昂貴的 LNG換成相對(duì)便宜的液氮，節(jié)約了預(yù)冷成本。同時(shí)，由于使用不燃的液氮代替易燃的LNG來(lái)進(jìn)行預(yù)冷，提高了儲(chǔ)罐預(yù)冷的安全性。

②LNG(含 BOG)預(yù)冷方法。利用 LNG 蒸發(fā)氣(BOG)對(duì)管道及儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷，待管道和儲(chǔ)罐溫度達(dá)到-120,℃時(shí)，通過(guò)注入 LNG(由儲(chǔ)罐頂部噴淋霧化裝置霧化后)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻。這種方式直接利用接收站場(chǎng)內(nèi)LNG資源，但會(huì)消耗大量的LNG產(chǎn)品。

2.3 儲(chǔ)罐冷卻工藝流程

LNG儲(chǔ)罐冷卻前需要對(duì)卸料總管、低壓輸送總管等管線進(jìn)行冷卻，目的是為了避免這些管線上下溫差過(guò)大而拱起，其產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力會(huì)損壞管線或管線支架及附屬系統(tǒng)，同時(shí)如此大的應(yīng)力也會(huì)損壞儲(chǔ)罐或其他設(shè)備及其附屬系統(tǒng)。管線冷卻后，再對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻。

對(duì)于新建接收站，一般由于站場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有現(xiàn)成的LNG，通常使用接卸首船 LNG對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻，在儲(chǔ)罐達(dá)到冷卻條件后，再冷卻其他管線。為減少受船期及天氣狀況的影響，項(xiàng)目利用了碼頭停泊的FSRU，通過(guò)FSRU的噴淋泵和卸料泵進(jìn)行冷卻。圖1為儲(chǔ)罐冷卻及卸料工藝流程示意圖，LNG經(jīng)卸料總管預(yù)冷支路進(jìn)入儲(chǔ)罐，LNG經(jīng)霧化后從頂部噴射至儲(chǔ)罐壁，在冷卻過(guò)程中儲(chǔ)罐壓力會(huì)增大，產(chǎn)生過(guò)量的BOG氣體，這些氣體通過(guò)放空或回流處理。

圖1 LNG儲(chǔ)罐冷卻及進(jìn)料工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of process flow of LNG tank cooling and feeding

3 儲(chǔ)罐預(yù)冷噴淋系統(tǒng)

3.1 噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一套帶有噴淋裝置的環(huán)形管路，環(huán)形管路位于儲(chǔ)罐內(nèi)罐中心頂部，高度與內(nèi)罐相當(dāng)。為實(shí)現(xiàn)良好的冷卻效果，儲(chǔ)罐環(huán)路宜安裝噴淋裝置[3]。理想的噴淋效果是，霧狀 LNG在遇到管壁之前或遇到罐壁時(shí)能夠汽化，不在罐壁及罐底產(chǎn)生積液。

3.2 噴嘴的選型

由于水幕噴頭噴出的水能形成霧狀層及膜狀層的雙層效果，其均勻性、隔離性、冷卻效果均好，一般選用水幕型噴嘴進(jìn)行儲(chǔ)罐的預(yù)冷。噴頭的型號(hào)根據(jù)液體的壓力及流量進(jìn)行確定。在壓力小于 10,bar時(shí)，壓力p與流量v關(guān)系如下：

值得注意的是，一般噴嘴的設(shè)計(jì)和制造是以噴射介質(zhì)為水來(lái)計(jì)算的，在使用其他介質(zhì)時(shí)，需要考慮噴射介質(zhì)與水的密度關(guān)系。在本工況下使用的是 LNG液體，考慮介質(zhì) LNG與水密度因素，流量 v與密度ρ關(guān)系如下：

3.3 冷卻噴淋用量

儲(chǔ)罐預(yù)冷所需要的介質(zhì)用量計(jì)算較復(fù)雜，其中計(jì)算的方法主要采用能量守恒方法，儲(chǔ)罐罐體金屬材料、絕熱層材料和罐內(nèi)氣體的降溫以及抵消儲(chǔ)罐的漏熱，都需要預(yù)冷介質(zhì)進(jìn)行能量的平衡。在實(shí)際預(yù)冷過(guò)程中，預(yù)冷介質(zhì)的類型、介質(zhì)的壓力及其溫度、環(huán)境溫度、預(yù)冷溫度和預(yù)冷時(shí)間等多種因素都對(duì)預(yù)冷介質(zhì)用量均有影響[4]。

4 儲(chǔ)罐冷卻操作

4.1 冷卻前提條件

儲(chǔ)罐冷卻之前，除了要具備必要的人員、工機(jī)具、用于預(yù)冷的冷媒介質(zhì)等基本條件外，更重要的是儲(chǔ)罐系統(tǒng)應(yīng)具備一定條件，主要包括：

①儲(chǔ)罐冷卻用相關(guān)的工藝管道已完成干燥和置換工作。

②儲(chǔ)罐干燥后，儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的最高露點(diǎn)為-20,℃，當(dāng)環(huán)形空間填充膨脹珍珠巖時(shí)，允許環(huán)形空間的最高露點(diǎn)為-8,℃。采用氮?dú)鈱?duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行置換，要求置換儲(chǔ)罐的含氧量不大于 9%,，干燥及置換對(duì)罐底絕熱空間可不做要求。

③采用 BOG處理系統(tǒng)，處理冷卻時(shí)產(chǎn)生的大量閃蒸氣。保證所有可能產(chǎn)生閃蒸氣的空間能夠通過(guò)放空管線將蒸氣引向火炬處理系統(tǒng)。

④按照PI&D圖的要求檢查所有工藝閥門、放空閥門、安全閥上、下游手閥、儀表的隔離閥的狀態(tài)。

⑤確認(rèn)相關(guān)安全、溫度、濃度等儀表設(shè)施處于正常工作狀態(tài)。

⑥具備在實(shí)施過(guò)程中任一階段出現(xiàn)中斷時(shí)的應(yīng)急方案。

4.2 冷卻注意事項(xiàng)

①儲(chǔ)罐冷卻時(shí)要嚴(yán)格控制儲(chǔ)罐的冷卻速度，內(nèi)罐的冷卻速度控制在 3,℃/h，最大冷卻速度為 5,℃/h。罐壁或罐底上任意相鄰的測(cè)溫元件最大溫差為30,℃/h。在冷卻過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)視儲(chǔ)罐測(cè)溫元件讀數(shù)。

②儲(chǔ)罐冷卻時(shí)主要管線，要有專人監(jiān)控，定期巡檢，密切監(jiān)視管托位移及影響管道正常收縮的障礙物，應(yīng)對(duì)在冷卻過(guò)程中發(fā)生的管線變形。

③儲(chǔ)罐必須在嚴(yán)格并且持續(xù)的監(jiān)視下進(jìn)行冷卻，特別要嚴(yán)密監(jiān)視儲(chǔ)罐壓力、冷卻用 LNG流量等數(shù)據(jù)。

④注意卸料管線閥門、法蘭是否發(fā)生泄漏，保證BOG排放系統(tǒng)、火炬放空設(shè)施正常工作。

⑤當(dāng)儲(chǔ)罐罐底溫度達(dá)到-150,℃，儲(chǔ)罐底部能夠形成液化天然氣時(shí)，可以認(rèn)為儲(chǔ)罐冷卻工作已經(jīng)完成。此時(shí)可以從底部進(jìn)料管線小流量進(jìn)料，待底部進(jìn)料達(dá)到約300,mm時(shí)，可以快速進(jìn)料。

4.3 冷卻過(guò)程分析

儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程中要時(shí)刻關(guān)注儲(chǔ)罐罐底及罐壁溫度變化，以便對(duì)冷卻介質(zhì)流量、壓力等參數(shù)繼續(xù)調(diào)整，控制儲(chǔ)罐的冷卻速率滿足冷卻要求。此次預(yù)冷工作對(duì)2臺(tái)30,000,m3儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻，圖2是其中一個(gè)儲(chǔ)罐 8個(gè)溫度傳感器檢測(cè)的罐底溫度隨時(shí)間變化的曲線。在 17～20,h區(qū)間，罐底溫度有回升的趨勢(shì)，原因是 FSRU碼頭排氣，導(dǎo)致噴淋管線的壓力下降，進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)的 LNG流量不足。在 44,h左右，TI-02308B-A、TI-02308B-E兩點(diǎn)溫度降低較快，原因是打開(kāi)了頂部進(jìn)料閥的旁路閥，進(jìn)料管線現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置靠近兩個(gè)溫度計(jì)，導(dǎo)致兩點(diǎn)溫度下降較快。但各點(diǎn)溫差均滿足試車程序的要求。

本次冷卻工作兩個(gè)儲(chǔ)罐的預(yù)冷時(shí)間分別是 50,h和 56,h，預(yù)冷用量分別是 186,t和 213,t，主要原因是后者較前者長(zhǎng)；其次，進(jìn)入后者的 LNG與前者相比溫度較高，同樣質(zhì)量的 LNG攜帶的冷量較少，也導(dǎo)致使用的 LNG的量偏多。這也印證了冷卻液體用量與實(shí)際工況的密切關(guān)系。

圖2 儲(chǔ)罐冷卻曲線Fig.2 Cooling curve of the tank

5 結(jié) 論

①在管線冷卻過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)密關(guān)注管線冷卻速率，按時(shí)巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。對(duì)于可能出現(xiàn)的異常情況有緊急處理措施。

②儲(chǔ)罐冷卻時(shí)，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)罐底及罐壁溫度檢測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)及變化速率，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻噴淋流量控制冷卻速率。

③對(duì)儲(chǔ)罐冷卻調(diào)試要精心組織，參加人員要熟悉操作流程，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)中的每一管線、閥門都能夠?qū)D紙一一對(duì)應(yīng)，熟記于心。

④LNG運(yùn)輸船和接收站方的積極配合是冷卻調(diào)試成功的重要因素，在儲(chǔ)罐冷卻工作實(shí)施中儲(chǔ)罐方、接收站方及運(yùn)輸船方要密切合作、統(tǒng)一指揮，保證儲(chǔ)罐冷卻及進(jìn)料工作的正常開(kāi)展?！?/p>

［1］邢云.構(gòu)建中國(guó)液化天然氣產(chǎn)業(yè)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系[R].上海：第二界中國(guó)LNG論壇，2009.

［2］金滔，盧泰古，湯珂，等.低溫乙烯儲(chǔ)罐置換預(yù)冷方案的分析與比較[C].中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)工業(yè)氣體專業(yè)委員會(huì)2009 年技術(shù)論壇論文集，2009.

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T26978-2001 現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：1-5.

［4］王際強(qiáng)，葉建強(qiáng).大型 LNG 儲(chǔ)罐預(yù)冷及預(yù)冷介質(zhì)用量的計(jì)算[J].深冷技術(shù)，2015(6)：36-39.