賀 彬，郭正東

(合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000)

天然氣是一種綠色能源。我國(guó)天然氣行業(yè)發(fā)展起步較晚，2018年天然氣在一次能源中的占比僅7.5%。為了提高能源普及率，國(guó)家能源局提出未來(lái)幾年將天然氣作為我國(guó)重點(diǎn)培育的主體能源之一，力爭(zhēng)2020年一次占比達(dá)到10%，這為天然氣行業(yè)提供了極為廣闊的發(fā)展前景。

天然氣液化后體積大幅縮小，方便運(yùn)輸。液化天然氣(LNG)一般存儲(chǔ)于儲(chǔ)罐中。LNG儲(chǔ)罐[1]可以作為沿海大型LNG接收站、內(nèi)陸地區(qū)LNG調(diào)峰站及液化廠等的儲(chǔ)存站。文中以合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司104m3雙壁低溫常壓LNG儲(chǔ)罐為例，介紹LNG儲(chǔ)罐吹掃、干燥方法及其使用過(guò)程中的問(wèn)題及采取的解決方法。

1 LNG儲(chǔ)罐概況及分區(qū)吹掃要求

該104m3雙壁低溫常壓LNG儲(chǔ)罐外罐材質(zhì)Q345R，內(nèi)罐材質(zhì)9%鎳鋼，內(nèi)罐底部安裝泡沫玻璃磚，內(nèi)、外罐間夾層填充膨脹珍珠巖。儲(chǔ)罐安裝完畢后正式投入使用前，要求進(jìn)行吹掃干燥和預(yù)冷調(diào)試。儲(chǔ)罐吹掃分區(qū)見(jiàn)圖1。

圖1 LNG儲(chǔ)罐吹掃分區(qū)示圖

圖1中所示的A區(qū)包括儲(chǔ)罐的內(nèi)罐和罐頂，B區(qū)為夾層環(huán)形空間，底部絕熱空間無(wú)吹掃要求。根據(jù)GB/T 26978—2011《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》[2]制定吹掃和干燥操作技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 LNG儲(chǔ)罐各區(qū)吹掃和干燥技術(shù)指標(biāo)

2 LNG儲(chǔ)罐吹掃干燥方法要點(diǎn)討論

2.1 干燥置換介質(zhì)

安裝合格的儲(chǔ)罐進(jìn)行吹掃操作前，先要進(jìn)行水壓試驗(yàn)。若水壓試驗(yàn)與儲(chǔ)罐吹掃間隔時(shí)間短，則儲(chǔ)罐內(nèi)有可能存在大量的水蒸氣和游離水[3]，這時(shí)如果單獨(dú)用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃干燥，氮?dú)庀牧繒?huì)較大。如果采用空氣+氮?dú)庀嘟Y(jié)合的吹掃方案，即先用熱干空氣預(yù)吹掃干燥，當(dāng)測(cè)得儲(chǔ)罐內(nèi)混合氣體露點(diǎn)達(dá)到10 ℃后再用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃干燥，則可以提高吹掃速度，減小氮?dú)庥昧浚?jié)約成本。

執(zhí)行此方案需要對(duì)空氣進(jìn)行品質(zhì)優(yōu)化和參數(shù)控制，主要包括[4]：①除油。為預(yù)防帶油空氣對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)備、管道的污染，壓縮機(jī)選擇無(wú)油空壓機(jī)，并在空壓機(jī)出口安裝過(guò)濾器(除油)進(jìn)行雙層保險(xiǎn)。②加熱。為提高吹掃干燥效率，可以對(duì)空氣進(jìn)行加熱處理。選取干燥和空氣加熱相結(jié)合的方式獲得干燥的高溫空氣。③流量。單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入儲(chǔ)罐的干空氣流速越快，其達(dá)到露點(diǎn)合格需要的時(shí)間相對(duì)就短，從壓縮機(jī)的性能、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，選擇體積流量為2 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。

2.2 干燥置換方式

儲(chǔ)罐吹掃有2種常用方法，一種是持續(xù)吹掃法，另一種是升壓式吹掃法。持續(xù)吹掃[5]的特點(diǎn)是保持儲(chǔ)罐在一定壓力下，調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐氮?dú)膺M(jìn)氣閥和出氣閥，保持進(jìn)、出氣處于平衡狀態(tài)。升壓式吹掃的特點(diǎn)是關(guān)閉儲(chǔ)罐排氣口，持續(xù)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行升壓，待達(dá)到一定壓力后保持穩(wěn)定，讓罐內(nèi)氣體充分混合后再進(jìn)行儲(chǔ)罐降壓，持續(xù)反復(fù)進(jìn)行儲(chǔ)罐升壓、降壓，并定時(shí)檢測(cè)露點(diǎn)。LNG儲(chǔ)罐吹掃一般采用持續(xù)吹掃法+升壓式吹掃法。儲(chǔ)罐吹掃過(guò)程分為前后2個(gè)階段[6]，以檢測(cè)到儲(chǔ)罐內(nèi)空氣露點(diǎn)約-5 ℃為劃分界線。第一階段為干燥階段，采用持續(xù)吹掃法實(shí)施干燥，使用的介質(zhì)為干空氣。第二階段為置換階段，采用升壓式吹掃法實(shí)施干燥和置換，使用的介質(zhì)為氮?dú)?。文中重點(diǎn)討論第二階段的氮?dú)馍龎菏礁稍?、置換過(guò)程。先進(jìn)行儲(chǔ)罐A區(qū)吹掃干燥，待露點(diǎn)合格后再進(jìn)行B區(qū)露點(diǎn)吹掃、干燥。

2.2.1氧氣置換計(jì)算

用氮?dú)庵脫Q儲(chǔ)罐內(nèi)空氣時(shí)，要監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)氧氣含量[7]，確保氧含量降低到規(guī)范值，防止在進(jìn)行置換過(guò)程中出現(xiàn)安全隱患。操作時(shí)，首先進(jìn)行儲(chǔ)罐升壓，待達(dá)到20 kPa時(shí)穩(wěn)壓靜置約1 h，假設(shè)穩(wěn)壓靜置后儲(chǔ)罐內(nèi)氮?dú)馀c原氣體充分混合，打開(kāi)儲(chǔ)罐放散閥迅速釋放儲(chǔ)罐壓力至約1 kPa，重復(fù)這樣的升壓、混合、泄壓操作，來(lái)達(dá)到置換氧氣的目的。罐內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)可用式(1)表示[8]。

Cn=C0(p0/p1)n

(1)

其中

p1=p0+Δp

式中，Cn為進(jìn)行n次升壓置換后的氧氣體積分?jǐn)?shù)，C0為儲(chǔ)罐內(nèi)氧氣的初始體積分?jǐn)?shù)，一般取21%。p0為儲(chǔ)罐內(nèi)初始?jí)毫Γ琾0=101.3 kPa；p1為充入氮?dú)夂髢?chǔ)罐內(nèi)的絕對(duì)壓力，Δp為充入氮?dú)夂髢?chǔ)罐內(nèi)的相對(duì)壓力，一般取20 kPa。經(jīng)計(jì)算，理論上經(jīng)過(guò)7次置換后氧氣體積分?jǐn)?shù)大約為6%，但實(shí)際操作時(shí)氮?dú)庵脫Q過(guò)程中很難達(dá)到完全混合，實(shí)際的置換次數(shù)會(huì)比理論值大。

2.2.2區(qū)域A吹掃要點(diǎn)

LNG儲(chǔ)罐區(qū)域A的吹掃操作示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 LNG儲(chǔ)罐區(qū)域A吹掃方式示圖

吹掃要點(diǎn)和要求包括6點(diǎn)[9]，①干燥、置換期間監(jiān)控儲(chǔ)罐內(nèi)壓力，嚴(yán)禁超過(guò)30 kPa。②置換期間確保環(huán)形空間吹除氣出口閥V129關(guān)閉。③氮?dú)獯祾咔?，檢查氮?dú)饴饵c(diǎn)，保證氮?dú)饴饵c(diǎn)不大于-60 ℃，打開(kāi)內(nèi)罐吹除氣進(jìn)口閥V121(全開(kāi))，氮?dú)膺M(jìn)入內(nèi)罐進(jìn)行升壓。④當(dāng)內(nèi)罐壓力達(dá)到20 kPa時(shí)關(guān)閉內(nèi)罐吹除氣進(jìn)口閥V121，靜置混合一段時(shí)間后，打開(kāi)罐頂吹除氣出口閥V133(全開(kāi))，將置換氮?dú)夥湃氪髿狻＂莩醮未祾咚俣纫?，待釋放氮?dú)?次后，可按700 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))體積流量進(jìn)行吹掃。⑥在罐頂吹除氣出口閥V133處檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)和排放的氮?dú)饴饵c(diǎn)，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)和氮?dú)饴饵c(diǎn)接近要求值時(shí)，進(jìn)行下一步操作。

2.2.3區(qū)域B吹掃要點(diǎn)

LNG儲(chǔ)罐區(qū)域B的吹掃操作示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 LNG儲(chǔ)罐區(qū)域B吹掃方式示圖

吹掃要點(diǎn)和要求包括4點(diǎn)，①待區(qū)域A干燥、置換合格后，開(kāi)始置換B區(qū)域。②打開(kāi)內(nèi)罐吹除氣進(jìn)口閥V121(全開(kāi))，氮?dú)膺M(jìn)入內(nèi)罐進(jìn)行升壓，關(guān)閉其他出氣口閥門。③當(dāng)內(nèi)罐壓力達(dá)到20 kPa時(shí)關(guān)閉內(nèi)罐吹除氣進(jìn)口V121，靜置混合一段時(shí)間后，打開(kāi)環(huán)形空間出氣口閥門V129(全開(kāi))，將儲(chǔ)罐內(nèi)氣體放散到空氣中。④控制吹掃速度，定期檢測(cè)環(huán)形空間吹除氣出口閥V129處排放氣體體積分?jǐn)?shù)和氮?dú)饴饵c(diǎn)，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)和氮?dú)饴饵c(diǎn)接近要求值時(shí)，進(jìn)行下一步操作。

2.2.4底部絕熱層吹掃要點(diǎn)

LNG儲(chǔ)罐底部絕熱層的吹掃操作示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 LNG儲(chǔ)罐底部絕熱層吹掃方式示圖

現(xiàn)場(chǎng)安裝好底部絕熱層管線后[10]，打開(kāi)底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128、底部絕熱層吹除氣進(jìn)口閥V130，緩慢由底部絕熱層吹除氣進(jìn)口閥V130通入干燥氮?dú)?，觀測(cè)底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128及內(nèi)罐底板。依據(jù)底部絕熱層中通道堵塞會(huì)引起干燥、置換底部絕熱層時(shí)的壓力升高，并造成內(nèi)罐底板及其與內(nèi)罐筒體連接處的破壞。判斷底部絕熱層是否存在堵塞情況。

若是發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐底部絕熱層堵塞，則執(zhí)行GB/T 26978.5—2011《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 第5部分：試驗(yàn)、干燥、置換及冷卻》第5.2、5.3條規(guī)定，干燥、置換時(shí)對(duì)罐底絕熱空間不做要求，即不干燥、置換底部絕熱層。

若底部絕熱層沒(méi)有堵塞，則按以下3個(gè)步驟執(zhí)行底部絕熱層的干燥和置換，①打開(kāi)底部絕熱層吹除氣出口閥V127(全開(kāi))和V128(全開(kāi))、底部絕熱層吹除氣進(jìn)口閥V130(1/10圈開(kāi)度)，開(kāi)始置換底部絕熱層。②在底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128處檢測(cè)氧體積分?jǐn)?shù)和排放氮?dú)獾穆饵c(diǎn)。③當(dāng)?shù)撞拷^熱層吹除氣出口閥V127和V128處氧體積分?jǐn)?shù)和排放氮?dú)獾穆饵c(diǎn)12 h無(wú)變化時(shí)，關(guān)閉底部絕熱層吹除氣進(jìn)口閥V130、底部絕熱層吹除氣出口閥V127和V128。

3 LNG儲(chǔ)罐吹掃干燥實(shí)施及整改措施

3.1 吹掃干燥過(guò)程及存在問(wèn)題

在該LNG儲(chǔ)罐吹掃干燥過(guò)程中，內(nèi)罐及罐頂?shù)拇祾哌^(guò)程較為順利，按照操作流程約1周時(shí)露點(diǎn)就達(dá)到-20 ℃、氧體積分?jǐn)?shù)低于2%。為保證儲(chǔ)罐整體的保冷效果，防止底部泡沫玻璃磚殘存游離水，對(duì)底部絕熱層進(jìn)行吹掃干燥。但底部吹掃干燥一直未達(dá)標(biāo)，持續(xù)15 d的吹掃(每天消耗液氮20 m3)，底部出氣口檢測(cè)的露點(diǎn)下降不明顯，僅從18 ℃下降到14 ℃。經(jīng)初步分析，認(rèn)為底部泡沫玻璃磚處可能存在過(guò)多水分，短時(shí)間內(nèi)露點(diǎn)難以達(dá)標(biāo)[11]。進(jìn)一步的排查和分析主要從2個(gè)方面展開(kāi)，①LNG內(nèi)罐底板存在漏點(diǎn)。在對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行水壓沉降試驗(yàn)時(shí)，有水滲透到罐底。但在水壓沉降試驗(yàn)前，對(duì)內(nèi)罐底板(焊縫及底板板面)進(jìn)行真空箱查漏和滲透檢測(cè)，均合格，水壓試驗(yàn)后又進(jìn)行了一次查漏，均未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，故排除了內(nèi)罐泄漏的可能。②儲(chǔ)罐底部在施工過(guò)程正值合肥梅雨季節(jié)，雨水多，濕氣大，存在罐底積水的可能性，加之底部泡沫玻璃磚等絕熱材料在施工過(guò)程中吸收了環(huán)境中的大量水分且不易揮發(fā)，這有可能是儲(chǔ)罐底部露點(diǎn)下降不明顯的原因。

3.2 整改措施及實(shí)施效果

3.2.1提高氮?dú)膺M(jìn)氣溫度

保持一定的吹掃流量，在儲(chǔ)罐底部氮?dú)馊肟谔幵黾?組加熱裝置，提高氮?dú)鉁囟戎?0 ℃，以增加底部區(qū)域水分揮發(fā)和提高氣體運(yùn)動(dòng)活力，整改效果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，提高吹掃氮?dú)鉁囟惹?，露點(diǎn)隨著時(shí)間的延續(xù)總體呈緩慢下降趨勢(shì)，數(shù)值在13～18 ℃變動(dòng)；提高吹掃氮?dú)鉁囟群?，露點(diǎn)隨著時(shí)間的延續(xù)呈先升后降，數(shù)值在6～20 ℃變動(dòng)，說(shuō)明加熱后的氮?dú)饪梢暂^快帶走罐底的水分[12]。

圖5 提高吹掃氮?dú)鉁囟惹昂髢?chǔ)罐內(nèi)露點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線

3.2.2加大氮?dú)獯祾吡髁?/p>

保持內(nèi)罐壓力、氮?dú)鉁囟炔蛔儯岣叩獨(dú)獯祾吡髁?，加快氮?dú)庠趦?chǔ)罐底部的運(yùn)動(dòng)速度，整改前后效果對(duì)比見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，加大氮?dú)饬髁壳?，隨著時(shí)間的延續(xù)，露點(diǎn)值總體在6 ℃附近浮動(dòng)，最大值與最小值相差不超過(guò)1 ℃；加大氮?dú)饬髁亢?，隨著時(shí)間的延續(xù)，露點(diǎn)總體呈下降趨勢(shì)，最大值與最小值相差超過(guò)8 ℃，說(shuō)明加大氮?dú)獯祾吡髁繉?duì)底部的干燥有一定的效果[13]。

圖6 加大氮?dú)饬髁壳昂髢?chǔ)罐罐內(nèi)露點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)罐吹掃、預(yù)冷調(diào)試是儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的重要保證。單一氮?dú)獯祾吒稍锓绞降牡獨(dú)庀拇骩14]，很難準(zhǔn)確計(jì)算氮?dú)庥昧?。先用熱干空氣吹掃干燥，待露點(diǎn)達(dá)標(biāo)后換氮?dú)獯祾?，采取持續(xù)式和長(zhǎng)壓式相結(jié)合方式，必要時(shí)采取加熱氮?dú)夂吞岣叩獨(dú)饬髁康拇胧?，可達(dá)到較理想的吹掃效果。采用加熱氮?dú)夂吞岣叩獨(dú)獯祾吡髁康姆椒ù祾吒稍飪?chǔ)罐底部時(shí)，內(nèi)罐與底部的壓差不宜過(guò)大[15]。底部的吹掃流量并不是越大越好，要根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)分析底部吹掃口處泡沫玻璃磚的局部受力情況，以防止底部局部受力過(guò)大給內(nèi)罐底板帶來(lái)額外的應(yīng)力損傷。