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(shì)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(guó)已經(jīng)超過(guò)韓國(guó)成為世界第二大天然氣進(jìn)口國(guó)，特別是在東部沿海地區(qū)LNG接收站已形成一個(gè)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(chǔ)罐，也是我國(guó)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(chǔ)罐是高安全性能的全容式混凝土頂儲(chǔ)罐(FCCR)，設(shè)計(jì)溫度一般為-165℃左右，內(nèi)罐為頂部敞開(kāi)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(wàn)m3、26萬(wàn)m3，這也導(dǎo)致LNG接收站的儲(chǔ)罐逐漸大型化，新建儲(chǔ)罐大部分朝向20萬(wàn)m3以上發(fā)展，大型儲(chǔ)罐具有降低整體投資成本和占地面積的優(yōu)勢(shì)[2]?？紤]到LNG儲(chǔ)罐占用項(xiàng)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(jì)中沒(méi)有考慮LNG儲(chǔ)罐備用或者是隔離檢修，而是一次性投入生產(chǎn)之后長(zhǎng)期運(yùn)行。因此，LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷的效果事關(guān)整個(gè)項(xiàng)目的成敗，如果預(yù)冷效果不好而引起低溫LNG灼傷儲(chǔ)罐內(nèi)罐鋼板，LNG儲(chǔ)罐將無(wú)法投用，從而整個(gè)接收站將無(wú)法如期投產(chǎn)，嚴(yán)重影響接收站的運(yùn)營(yíng)和下游用戶的用氣。

1 LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷流程[3]

目前大部分LNG接收站儲(chǔ)罐的預(yù)冷主要是通過(guò)卸料系統(tǒng)來(lái)完成，特別對(duì)于接卸首船的LNG儲(chǔ)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(chǔ)罐噴淋預(yù)冷和填充。主要流程見(jiàn)圖1。

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

管道預(yù)冷需要低溫氣體和LNG依次預(yù)冷以實(shí)現(xiàn)溫度逐級(jí)降低，首先通過(guò)低溫氣體(氮?dú)饣蛘連OG，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(shí)開(kāi)始準(zhǔn)備進(jìn)行LNG預(yù)冷，待卸料管線填充LNG完成時(shí)(溫度-150～-140℃)準(zhǔn)備進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐噴淋預(yù)冷。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐噴淋管線的流量，控制整個(gè)儲(chǔ)罐的預(yù)冷速度，儲(chǔ)罐冷卻期間需要中控室密切監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐底部和罐壁的溫度變化趨勢(shì)，計(jì)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(gè)溫度傳感器的最大溫差。冷卻時(shí)，平均溫降速度不超過(guò)5℃/h，相鄰溫度計(jì)之間的最大溫差不超過(guò)20℃，且任意兩個(gè)溫度計(jì)之間的最大溫差不超過(guò)50℃。如果不在上述要求的溫度范圍內(nèi)，需降低儲(chǔ)罐冷卻速率，均衡罐內(nèi)溫度。

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

2 LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷方案分析

目前LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷每個(gè)接收站大同小異，但是在預(yù)冷過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題，下面針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)分析并提出解決措施，進(jìn)而優(yōu)化LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷方案。

2.1 LNG直接噴淋預(yù)冷儲(chǔ)罐

在預(yù)冷之前LNG儲(chǔ)罐充滿了氮?dú)?，目前?guó)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(shí)實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)罐的BOG置換，然后再進(jìn)行LNG噴淋。從實(shí)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?dú)饣鳛榈蜏貧怏w比BOG更具優(yōu)勢(shì)，但是采用液氮需要增加一個(gè)額外步驟——儲(chǔ)罐BOG置換，待儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度是-165℃，通過(guò)計(jì)算在15kPa(G)下(按照預(yù)冷的正常壓力作為參考)氮?dú)獾哪c(diǎn)是-194.6℃，純甲烷的凝點(diǎn)是-159.9℃，預(yù)冷期間LNG的溫度最低是-155℃，在同一個(gè)壓力下并不會(huì)將氮?dú)庖夯?。因此只要控制好?chǔ)罐壓力不出現(xiàn)急劇波動(dòng)，不會(huì)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(diǎn)：大幅縮短了儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)間，使接收站首次接船預(yù)冷可以減少1～2天，同時(shí)減少國(guó)外LNG運(yùn)輸船?？繒r(shí)間，LNG船在接收站碼頭停靠成本每天需要額外增加100萬(wàn)元左右，增加運(yùn)輸成本。而且針對(duì)卸料管線的預(yù)冷從成本和預(yù)冷效率分析，氮?dú)忸A(yù)冷更具優(yōu)勢(shì)[4]。

2.2 工藝方案的選擇

目前國(guó)內(nèi)外工程公司設(shè)計(jì)的接收站存在預(yù)冷過(guò)程儲(chǔ)罐頂部HV閥門(mén)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)該問(wèn)題可進(jìn)行以下設(shè)計(jì)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(chǔ)罐頂部彎頭2 m處接出，處于卸料管線ESDV閥門(mén)和罐頂手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)(HV)之間(見(jiàn)圖1)。通過(guò)以上的方式增加溫度計(jì)可以從操作上避免泄漏問(wèn)題，但是依然有LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐造成不可逆?zhèn)Φ娘L(fēng)險(xiǎn)，且HV閥下游是低壓儲(chǔ)罐(接近于無(wú)背壓)，無(wú)法進(jìn)行氮?dú)獗悍佬孤?/p>

鑒于以上原因，打破國(guó)外工程公司傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)雙閥隔離(ESDV和HV)，不會(huì)導(dǎo)致LNG進(jìn)入儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)罐擴(kuò)建項(xiàng)目(預(yù)留短管接頭閥門(mén)和法蘭)。該方案的缺點(diǎn)是：在LNG填充的時(shí)候無(wú)法實(shí)現(xiàn)大流量填充，仍然要通過(guò)卸料管線，這樣需要在儲(chǔ)罐預(yù)冷結(jié)束后再預(yù)冷卸料管線，增加了船?？繒r(shí)間。

2.3 工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化

目前大部分工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員對(duì)試車和預(yù)冷程序不夠熟悉，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮不完善，對(duì)LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷造成麻煩。目前即使是成熟國(guó)外工程公司依然存在該問(wèn)題，每個(gè)接收站整體工藝流程類似，但是每個(gè)接收站又有自己的特殊情況。

2.3.1 表面溫度計(jì)的設(shè)置

表面溫度計(jì)的安裝位置改進(jìn)見(jiàn)圖2。

圖2 表面溫度計(jì)的安裝位置改進(jìn)

在規(guī)范中要求100 m至少有1對(duì)表面溫度計(jì)[5]，但是在實(shí)際的表面溫度計(jì)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(chǔ)罐預(yù)冷主要是通過(guò)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(guò)表面溫度計(jì)觀測(cè)管道內(nèi)部液位情況。

在LNG填充卸料管線立管的時(shí)候，罐頂部HV閥門(mén)的旁路是有一定開(kāi)度進(jìn)行排氣，因而在LNG填充的過(guò)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(jì),在預(yù)冷的過(guò)程中只能通過(guò)壓力和經(jīng)驗(yàn)判斷，增加了預(yù)冷風(fēng)險(xiǎn)。如果在噴淋管線的接口處上下游設(shè)置表面溫度計(jì)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(jì)監(jiān)測(cè))。

2.3.2 壓力表的設(shè)置

LNG儲(chǔ)罐噴淋預(yù)冷決定了整個(gè)儲(chǔ)罐的預(yù)冷效果，目前新建接收站儲(chǔ)罐頂部噴嘴改成儲(chǔ)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(duì)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(wú)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(jì)非常關(guān)鍵。

壓力表的安裝位置改進(jìn)見(jiàn)圖3。

圖3 壓力表的安裝位置改進(jìn)

圖3中，在儲(chǔ)罐底部設(shè)置一個(gè)壓力表(位置3)，通過(guò)該壓力可以判斷出是否滿足噴嘴對(duì)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(jì)算，則通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)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(chǔ)罐預(yù)冷閥門(mén)；還有在LNG噴淋管線調(diào)節(jié)閥或者手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的下游設(shè)置一個(gè)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(kāi)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(chǔ)罐的LNG填充液位滿足低壓泵調(diào)試運(yùn)行時(shí)，可以進(jìn)行低壓泵調(diào)試。由于在預(yù)冷之前儲(chǔ)罐液位檢測(cè)和低壓泵出口流量檢測(cè)等檢測(cè)和聯(lián)鎖信號(hào)屏蔽，儀表專業(yè)檢查聯(lián)鎖是否正常，同時(shí)電氣專業(yè)檢查相序等是否有問(wèn)題。啟動(dòng)泵之前確保低壓泵kickback管線的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度保持100%(現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)度顯示和中控核對(duì)過(guò)后)，出口主管路開(kāi)關(guān)閥門(mén)關(guān)閉，現(xiàn)場(chǎng)工藝、電氣和儀表等專業(yè)確認(rèn)具備泵啟動(dòng)條件時(shí)通知中控室準(zhǔn)備啟動(dòng)。

3.2 調(diào)試過(guò)程

3.2.1 手動(dòng)模式

泵的第一次啟動(dòng)通常采用就地模式，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)低壓泵啟動(dòng)，中控室隨時(shí)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(kāi)度，觀察低壓泵出口流量和壓力變化情況。啟動(dòng)完成后，在額定流量范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間停泵，然后關(guān)閉kickback管線調(diào)節(jié)閥,見(jiàn)圖4。

圖4 低壓泵啟動(dòng)正常流量、壓力和振動(dòng)曲線圖

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

某次低壓泵啟動(dòng)失敗的電流曲線變化見(jiàn)圖5。

圖5 低壓泵啟動(dòng)失敗電流曲線變化

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

3.2.2 自動(dòng)模式

通過(guò)中控室進(jìn)行低壓泵啟動(dòng)，啟動(dòng)成功后開(kāi)始準(zhǔn)備調(diào)試低壓泵的特性曲線，通過(guò)調(diào)整回流管線調(diào)節(jié)閥開(kāi)度(100%逐漸關(guān)小至50%左右，再逐漸開(kāi)大至額定流量下開(kāi)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(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 LNG低壓泵額定流量調(diào)試過(guò)程

4 預(yù)冷過(guò)程中的問(wèn)題及解決方案

目前已經(jīng)投產(chǎn)的LNG接收站項(xiàng)目在試車調(diào)試時(shí)，預(yù)冷過(guò)程會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，例如管道存在兩相、管道位移超標(biāo)、管道扭曲等，會(huì)給整個(gè)預(yù)冷帶來(lái)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(wèn)題

由于在預(yù)冷過(guò)程中，管道的安裝的調(diào)節(jié)閥和ESDV閥門(mén)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(shí)間空隙內(nèi)管道局部會(huì)出現(xiàn)復(fù)溫現(xiàn)象。特別是儲(chǔ)罐區(qū)域的卸料管線(一般管徑在24″以上)，由于LNG儲(chǔ)罐處于卸料管線預(yù)冷末端，在LNG從船緩慢流向儲(chǔ)罐的過(guò)程中，該部分管線開(kāi)始出現(xiàn)復(fù)溫(存在一個(gè)大尺寸閥門(mén)，未保溫)，在接觸LNG時(shí)后會(huì)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(chǔ)罐分開(kāi)預(yù)冷，在預(yù)冷2#儲(chǔ)罐結(jié)束后開(kāi)始準(zhǔn)備預(yù)冷1#儲(chǔ)罐時(shí)，由于1#儲(chǔ)罐卸料管線上的ESDV-01閥門(mén)在預(yù)冷2#儲(chǔ)罐時(shí)關(guān)閉，此時(shí)1#儲(chǔ)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(huì)復(fù)溫至0℃以上導(dǎo)致在LNG預(yù)冷的時(shí)候上下表面溫差接近100℃，此時(shí)卸料管道將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力收縮，由于固定點(diǎn)設(shè)置問(wèn)題會(huì)引起管道上翹導(dǎo)致碰觸彈簧支架，此時(shí)彈簧支架將失去作用，如果LNG繼續(xù)填充豎直管，此時(shí)立管會(huì)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(xiǎn)。

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

4.2 LNG出現(xiàn)泄漏至儲(chǔ)罐現(xiàn)象

如上所述，在LNG噴淋預(yù)冷過(guò)程中由于操作不當(dāng)導(dǎo)致LNG滴入到儲(chǔ)罐的底板上將會(huì)造成不可逆的傷害，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的損失非常大。但是在實(shí)際操作過(guò)程中，只要控制好流速就不會(huì)有LNG大量進(jìn)入，當(dāng)然仍有LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)冷過(guò)程中儲(chǔ)罐罐壁溫度一般比罐底溫度高4～5℃，如果出現(xiàn)儲(chǔ)罐底部的溫度比罐壁低有可能出現(xiàn)LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐的工況，此時(shí)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(shí)間內(nèi)大約0.33 m3的LNG可能進(jìn)入儲(chǔ)罐，由于剛開(kāi)始儲(chǔ)罐溫度接近于常溫，在LNG落入罐底的時(shí)候基本上全部氣化，這個(gè)時(shí)候監(jiān)控底板的溫度分布情況，溫差不超過(guò)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(chǔ)罐溫度變化。

4.3 卸料管線HV法蘭處泄漏問(wèn)題

由于管線復(fù)溫的現(xiàn)象，在對(duì)LNG儲(chǔ)罐填充時(shí)，當(dāng)?shù)蜏豅NG通過(guò)HV閥門(mén)時(shí)該處法蘭會(huì)出現(xiàn)泄漏，此時(shí)只能停止LNG填充進(jìn)行閥門(mén)檢修。通過(guò)分析，在LNG填充之前HV閥門(mén)處水平管道上下表面溫度為4/-60℃左右(BOG密度分層)，此時(shí)低流量-150℃的LNG尚未立即填滿管道，上下大溫差勢(shì)必會(huì)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(jì)過(guò)程中將HV閥門(mén)采用焊接連接，旁路的1″閥門(mén)采用法蘭連接，目前大尺寸閥門(mén)采用頂裝式或者側(cè)裝式安裝均可，檢修時(shí)無(wú)需拆卸閥門(mén)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷方案關(guān)系到項(xiàng)目是否成功以及整個(gè)接卸船周期，本文在傳統(tǒng)LNG儲(chǔ)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(jì)等多個(gè)方面進(jìn)行分析優(yōu)化，解決目前預(yù)冷存在的問(wèn)題。

(2)介紹了罐內(nèi)LNG低壓泵的調(diào)試基本過(guò)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(guò)程；同時(shí)對(duì)儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)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(chǔ)罐預(yù)冷提供極具可操作性的實(shí)施方案。