張強強 李連強 賈 砼 王乃民 張寶和

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461

0 前言

近年來,隨著我國對清潔能源的需求不斷加大,LNG行業(yè)迎來了空前大發(fā)展,沿海各大城市接連投資建設多個大型LNG接收站[1-4]。LNG儲罐作為接收站的核心設備,其成本占接收站投資的近60%[5-7]。調試是接收站投產前的最后一個關鍵環(huán)節(jié),LNG儲罐預冷是整個調試工作的重中之重[8]。國內針對儲罐預冷相關技術已開展較多研究,部分學者通過建立模型對LNG儲罐預冷過程進行了動態(tài)模擬[9-16],取得了一些可供工程參考的技術支持,也有部分工程師結合儲罐的實際預冷過程提供了一些可供參考的操作經驗[17-19]。但是,筆者根據近年來參加的多個大型LNG儲罐預冷實踐發(fā)現,在接收站投產初期,通過首船預冷LNG儲罐時在預冷后期均出現了不同程度的溫降困難,而這種現象卻鮮有報道。本文基于大型LNG儲罐預冷實際經驗,對上述現象進行深入的理論分析和模擬計算,找出問題根源,并從設計優(yōu)化和調試兩個角度提出解決上述問題的措施,以期為未來同類LNG儲罐設計和預冷操作提供借鑒。

1 LNG儲罐預冷操作介紹

1.1 典型LNG儲罐預冷工藝流程

圖1 典型新建LNG接收站投產時儲罐預冷工藝流程圖Fig.1 Typical pre-cooling process flow diagram of storage tanks when a new LNG terminal is put into operation

以國內某典型LNG接收站為例,新建LNG接收站投產時儲罐的預冷工藝流程為:來自遠洋運輸船的LNG通過船泵加壓輸出并進入卸料總管,卸料總管中的LNG最終通過儲罐進料立管和罐上預冷管線進入儲罐,通過預冷管線末端的預冷噴嘴對儲罐進行噴淋預冷,目的是為了避免儲罐預冷時應力集中引發(fā)裂紋[20]。預冷期間,儲罐內產生的大量BOG氣體通過罐頂的BOG管線進入BOG總管,并最終通過火炬燃燒泄放。典型新建LNG接收站投產時儲罐預冷工藝流程見圖1,儲罐預冷時罐上主要管線閥門示意見圖2。

圖2 儲罐預冷時罐上主要管線閥門示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main pipelines and valves on the tank when the storage tank is precooled

1.2 LNG儲罐預冷后期溫降情況

圖1中的接收站共有2座3×104m3LNG儲罐需要預冷,按照已獲批準的《儲罐預冷程序》文件要求,首先進行A罐預冷,在A罐預冷24 h后開始進行B罐預冷,此時A罐預冷已經平穩(wěn)。依據GB/T 26978.5-2011 《現場組裝立式圓筒平底鋼質液化天然氣儲罐的設計與建造 第5部分:試驗、干燥、置換及冷卻》,儲罐預冷過程中,內罐的目標冷卻速度為3 ℃/h,最大冷卻速度為5 ℃/h,罐壁或罐底上任意兩個相鄰熱電偶之間的最大溫差為30 ℃[20]。在進行A罐預冷時,預冷前期儲罐溫降速率基本控制在3 ℃/h,在儲罐底板平均溫度達到-135 ℃ 后,儲罐溫降速率開始出現明顯下降,接近1 ℃/h,并有逐漸變小趨勢,此時罐頂預冷管線(DN 50)流量約19 m3/h,已接近設計預冷最大用量20 m3/h。

通常情況下,隨著儲罐溫度的下降,單位溫降所需的LNG流量會逐漸增大,這主要是由于儲罐內部溫度越低,進入儲罐的LNG與儲罐換熱可利用的焓變就越小,相關文獻中也對此進行了類似的報道[7,15,16]。針對上述情況,現場采取了多種措施嘗試對其進行干預,首先逐步全開預冷管線調節(jié)閥,但預冷管線流量并無明顯變化;隨后提高卸料總管的壓力,并對卸料總管進行高點排氣,儲罐溫降速率均無明顯提升。

圖3為A罐預冷后期某時刻中控監(jiān)控畫面,從圖3-a)可以看到此時預冷管線LNG溫度約為-130 ℃,流量為18.7 m3/h;從圖3-b)可以看到儲罐底板溫降速率已經開始變緩。

a)A罐預冷管線中LNG溫度及流量圖 a)The diagram of LNG temperature and flowrate of pre-cooling pipeline from tank A

b)A罐罐底溫度變化曲線圖 b)The diagram of temperature curve at the bottom of tank A

2 原因分析

通過對預冷涉及的各個環(huán)節(jié)進行分析,發(fā)現出現上述問題主要是由于卸料總管(DN 800)相對于預冷管線(DN 50)尺寸較大。儲罐預冷所用LNG流量(2～20 m3/h)相對較少,且首船預冷第一座儲罐的預冷持續(xù)時間較長(約55 h),導致大量LNG在卸料總管內長時間停留,并不斷從環(huán)境中吸收熱量,在儲罐預冷的后期,卸料總管內的LNG逐漸由船泵出口的過冷態(tài)轉變?yōu)榻咏蛘叱雠蔹c的氣液平衡態(tài),溫度偏高,實際值僅為-133 ℃(為卸料總管0.5 MPa壓力下的飽和態(tài)溫度),攜帶冷量不足,無法使儲罐預冷溫度進一步降低。

儲罐預冷時,卸料總管內的LNG通過預冷管線進入LNG儲罐,在罐內進行閃蒸,相應罐內氣相溫度逐步下降,閃蒸后部分氣相直接通過罐頂的BOG管線排入BOG管網,而液相會逐步向罐底下落,并繼續(xù)和罐內氣體及罐體等換熱后變成BOG氣體,再排入BOG管網。通常情況下,卸料總管中的LNG的溫度越低,閃蒸后的液相就越多,儲罐預冷就越充分。

通過ASPEN HYSYS軟件進行模擬計算,對上述問題進行進一步分析，見圖4。在儲罐預冷過程中,卸料總管壓力控制在0.5 MPa,儲罐罐壓控制在8 kPa。在儲罐底板平均溫度達到-135 ℃后,卸料總管中的LNG溫度達到-133 ℃,從表1的計算結果可見,此時LNG進入儲罐閃蒸后的液相摩爾含量僅為81.00%,而當卸料總管中的LNG溫度為-160 ℃(設計值)時,閃蒸后液相摩爾含量為99.97%。根據計算結果分析,由于儲罐預冷后期卸料總管內LNG的實際溫度明顯高于設計值,進而導致LNG進入儲罐閃蒸后獲得的液相流量明顯減少,實際只有約15.39 m3/h,明顯低于設計值(20 m3/h),因此在儲罐預冷后期,即使全開預冷管線閥門,也無法提供足夠的LNG來保證儲罐溫降速率在3～5 ℃/h。由此可見,在本項目中,因預冷后期卸料總管溫升導致可用的LNG冷量不足是儲罐預冷溫降困難的主要原因。0.5 MPa下卸料總管中不同LNG溫度對應的閃蒸后的液相流量見表1,從表1可以看出,隨著卸料總管LNG溫度的提高,進入儲罐后閃蒸獲得的液相流量逐漸減小,也就是實際可供儲罐預冷使用的LNG流量逐漸減小,需要通過其他方式提供一部分LNG才能滿足儲罐正常預冷需求。

a)工況1 a)Condition 1

b)工況2 b)Condition 2

c)工況3 c)Condition 3

d)工況4 d)Condition 4

表1 0.5 MPa下卸料總管中不同LNG溫度對應閃蒸后的LNG流量表

3 解決方案

通過上述分析表明,要解決LNG儲罐預冷后期溫降困難問題,首先應該考慮如何降低卸料總管內LNG的溫度。對于本項目新建接收站使用首船預冷第一座LNG儲罐的情況,定期對卸料總管進行排氣操作可以帶走其中的部分熱量,有助于延緩卸料總管中LNG的溫升,但是想要使卸料總管內LNG的溫度降低到現設計值-160 ℃,非常困難,幾乎不可能實現。從表1可以看出,在無法完全降低卸料總管內LNG溫度的情況下,想要保證儲罐預冷正常進行,只能通過增大LNG流量來達到降低儲罐溫度的目的。增大預冷用LNG流量可以從設計優(yōu)化和調試兩個角度考慮。

3.1 設計優(yōu)化

目前,大多數LNG接收站在卸船期間卸料總管的壓力一般控制在0.5 MPa左右,通過ASPEN HYSYS軟件計算可知,在該壓力下,對應本項目LNG的泡點溫度約為-133 ℃,由第2部分的分析計算可知,LNG進入儲罐閃蒸后的液相摩爾含量僅為81.00%。因此,要想保證LNG儲罐在預冷后期溫降速率仍在3 ℃/h左右,LNG儲罐預冷后期實際需要船方提供的LNG流量約為理論儲罐預冷最大用量的1.24倍。

在未來同類項目的設計上,當已知理論儲罐預冷最大用量時進行預冷管線、預冷調節(jié)閥、預冷噴嘴等設計選型,應考慮卸料總管溫升和節(jié)流閃蒸帶來的影響,在理論儲罐預冷最大用量的基礎上適當考慮一定余量,兼顧到由于上述原因帶來的LNG損失流量。

3.2 調試

在設計未考慮上述影響時,也可以通過特定的調試操作來解決上述問題。在保證后期安全的前提下,可以通過打開頂部進料主閥的旁通閥來提高進入儲罐的LNG流量。需要注意的是,在打開頂部進料主閥旁通閥時,需緩慢逐步打開,并密切關注內罐底板溫度計的變化,尤其是頂部進料管口附近罐底溫度計的變化情況,隨時做好調整開度的準備,確保儲罐溫降速率控制在3～5 ℃/h之間。

結合圖2對LNG接收站儲罐預冷實例進行介紹。現場操作時,緩慢打開頂部進料主閥的旁通閥,每次調整1/8圈開度(該手動調節(jié)閥共7.5圈),在頂部進料主閥旁通閥打開3/8圈后,發(fā)現頂部進料管口附近的罐底溫度計02-TE-1008-H溫降明顯加快(由于該溫度計在進料管線附近,前期通過預冷管線噴淋下來的LNG受罐內底部進料管線遮擋,無法和罐底其他溫度計一樣均勻溫降,溫度始終稍高于其他測溫點溫度),但罐內底板其他溫度點溫降并不明顯。在溫度計02-TE-1008-H溫度低于周圍溫度5 ℃左右(5 ℃的溫差才能保證良好的傳熱效果)時,將頂部進料主閥旁通閥開度調整到1/4圈,此時,可以看到溫度計02-TE-1008-H溫度下降逐漸趨緩,并有上升趨勢,與此同時,周圍其他溫度點溫度開始按照3～5 ℃/h速率逐漸下降,待溫度計02-TE-1008-H溫度和周圍其他溫度點溫差低于2 ℃時,重新將頂部進料旁通開度調整到3/8圈。重復上述步驟,控制儲罐底板平均溫降速率在3～5 ℃/h之間,隨著預冷的進行,儲罐單位溫降需求的LNG量逐漸加大,相應閥門的開度也應逐漸加大,但調整思路是一致的。最終,通過該方式實現儲罐平均溫降速率在3 ℃/h左右,直至儲罐預冷完成,并獲得理想的預冷曲線。A罐預冷曲線見圖5,從圖5可以看出,儲罐在整個預冷過程中整體溫降速率平穩(wěn),平均溫降速率控制在3 ℃/h左右,其中,在儲罐預冷的后期單個溫度計的變化趨勢和上述操作有關,與上述分析結果一致。

圖5 A罐預冷曲線圖Fig.5 Pre-cooling curve of the storage tank A

4 結論

1)新建LNG接收站投產初期,通過首船進行第一座儲罐預冷時,均會不同程度地出現儲罐預冷后期溫降困難的實際情況,在未來其它同類項目中應對這一問題予以重視。理論分析及計算結果表明,因卸料總管溫升導致可用的LNG量不足是導致該問題的主要原因。

2)針對LNG儲罐預冷后期溫降困難問題提出兩種解決方案：設計優(yōu)化上,在進行預冷管線、預冷調節(jié)閥、預冷噴嘴等設計選型時,應在理論儲罐預冷最大用量的基礎上適當考慮一定余量,兼顧到由于卸料總管溫升和節(jié)流閃蒸造成的LNG損失流量;調試上,可通過緩慢有規(guī)律地打開頂部進料閥的旁通閥來增大LNG流量,使儲罐預冷后期的溫降速率控制在3～5 ℃/h的合理范圍。