龍德才(中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 福州 350000)

卸船期間液化天然氣接收站儲罐壓力控制研究

龍德才(中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 福州 350000)

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，中國對天然氣的需求逐年增大，尤其是東部沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)，天然氣需求量大卻遠(yuǎn)離生產(chǎn)源，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了一定影響[1]。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）體積僅為氣態(tài)天然氣的1/625，運輸和儲存便利，且安全性高，已經(jīng)在東部沿海得到較廣泛的應(yīng)用，有效的緩解了地區(qū)能源供需緊張矛盾，優(yōu)化了能源消費結(jié)構(gòu)[2]。福建某LNG接收站目前在用儲罐4座，年接收處理能力達(dá)到600萬噸，是我國自主運營的第一座接收站，累計接卸LNG船舶300余艘。來自氣田的天然氣經(jīng)過凈化處理后進(jìn)行低溫液化，液化后的LNG通過LNG專業(yè)船舶運輸?shù)诌_(dá)接收站碼頭后，通過四條卸料臂將其卸入LNG儲罐，在卸料過程中由于船內(nèi)LNG密度和原儲罐內(nèi)LNG可能存在一定差異，可能造成儲罐壓力發(fā)生較大變化，嚴(yán)重時甚至造成ESD，對卸船設(shè)備造成一定損傷。由于該接收站為國內(nèi)首座自主獨立運行LNG接收站，對其在卸料期間儲罐壓力波動原因進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)研究，以便有針對性的采取控制措施，同時也為其他LNG接收站卸船期間儲罐壓力控制提供借鑒。

1 接收站工藝流程簡介

LNG接收站的主要功能是接收、儲存和再氣化LNG，通常包括卸料系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、蒸發(fā)氣（Boiled Off Gas，簡稱BOG）處理系統(tǒng)、LNG外輸系統(tǒng)、公用工程及輔助系統(tǒng)[3]。

1.1 卸料系統(tǒng)

接收站碼頭設(shè)置有3臺直徑400mm卸料臂和1臺直徑400mm的蒸發(fā)氣返回臂。船方通過船艙內(nèi)卸料泵將LNG通過碼頭三條卸料臂及LNG輸送管道將LNG輸送到接收站儲罐中，儲罐產(chǎn)生的BOG氣體一部分通過氣相臂返回到船艙中以保持船艙內(nèi)的壓力穩(wěn)定，接收站具體流程如圖1所示。

1.2 儲存系統(tǒng)

接收站目前擁有4座在用全容式LNG儲罐，每個儲罐有效容積為16×104m3，設(shè)計壓力為-1.5kPa～29kPa，正常操作液位為1.9m～33.85m，在儲罐頂部設(shè)置有壓力表和液位計，時刻監(jiān)控儲罐壓力及液位，確保在正常控制范圍。每個儲罐都分別設(shè)置有上下兩種進(jìn)液方式，根據(jù)卸料LNG密度和目前儲罐內(nèi)LNG密度大小關(guān)系可以選擇合適的進(jìn)液方法，達(dá)到防止儲罐發(fā)生分層和翻滾的目的，通常密度較大的LNG選擇儲罐上方進(jìn)入，而密度相對較小的LNG選擇儲罐底部進(jìn)入。每個LNG儲罐都設(shè)置有液位-密度-溫度（LTD）連續(xù)測量設(shè)備，可定期監(jiān)控測量儲罐內(nèi)LNG狀態(tài)，有效的防止儲罐發(fā)生分層導(dǎo)致翻滾。一般認(rèn)為當(dāng)相鄰兩個測量點溫差超過0.3℃或者密度超過0.8kg/m3時儲罐存在分層的風(fēng)險，我們需要人工啟動罐內(nèi)LNG低壓泵進(jìn)行LNG循環(huán)[4]。

1.3 蒸發(fā)氣（BOG）處理系統(tǒng)

接收站LNG儲罐由于自身保冷原因，在儲罐內(nèi)LNG在儲存狀況下會產(chǎn)生一定的BOG，福建LNG接收站儲罐設(shè)計日蒸發(fā)率為0.05%，實際日蒸發(fā)率為0.016%，再加上LNG低壓泵運行過程中會產(chǎn)生一定熱量及管道保冷等因素，儲罐內(nèi)LNG會蒸發(fā)產(chǎn)生BOG，從而導(dǎo)致儲罐壓力上升[5,6]，尤其在夏季外界環(huán)境溫度較高時，BOG產(chǎn)生速率更快，另外在LNG船卸料期間，由于容積置換效應(yīng)也會在一定程度上加快儲罐壓力升高[7-9]。為了有效控制儲罐壓力，我們設(shè)置有BOG處理系統(tǒng)，按照處理方式不同，接收站BOG處理工藝分為直接輸出式和再冷凝式，兩種方式可以根據(jù)具體情況單獨和組合使用[10]。

圖1 接收站工藝流程簡圖

直接輸出式是將儲罐產(chǎn)生的BOG直接通過常溫高壓壓縮機(jī)縮到外輸壓力（7～8MPa）后直接送至輸氣管網(wǎng)。直接輸出式設(shè)備占地面積大、能耗高、控制壓力大、生產(chǎn)安全系數(shù)相對較低，一般較少采用。

再冷凝式是將儲罐產(chǎn)生的BOG通過低溫BOG壓縮機(jī)壓縮到一定的壓力（通常為0.7MPa）后，進(jìn)入再冷凝器與由儲罐內(nèi)LNG低壓泵送出的LNG在再冷凝器中混合，由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，可以使蒸發(fā)氣再冷凝，冷凝后的LNG再經(jīng)高壓泵加壓至外輸壓力（通常為7～8MPa），然后送往開架式汽化器與海水進(jìn)行換熱汽化成天然氣輸送給輸氣管網(wǎng)。由于再冷凝式可以利用LNG的冷量，降低了BOG壓縮功的消耗，可以在很大程度上節(jié)省能量，有利于節(jié)能環(huán)保，同時整個壓縮過程中壓力相對較低，安全性明顯高于直接輸出式，所以在日常生產(chǎn)過程中我們優(yōu)先選擇再冷凝式。接收站有兩臺并聯(lián)的低溫BOG壓縮，兩臺低溫BOG壓縮機(jī)都分別有50%和100%兩種工作負(fù)荷，根據(jù)儲罐BOG壓力來決定兩臺低溫BOG的工作負(fù)荷，具體關(guān)系見表1.

表1 低溫BOG壓縮機(jī)負(fù)荷與儲罐對應(yīng)關(guān)系

19 第二臺100% 7 停第一臺BOG壓縮機(jī)

除此之外，我們還設(shè)置有火炬放空系統(tǒng)和壓力安全閥裝置，如果在上述兩種方式都不能保持儲罐壓力的穩(wěn)定時，將通過火炬放空的方式對儲罐進(jìn)行泄壓，以保持儲罐壓力處于設(shè)計范圍值以內(nèi)。

1.4 LNG外輸系統(tǒng)

LNG外輸系統(tǒng)由低壓液態(tài)外輸和高壓氣態(tài)外輸兩部分組成，具體工藝流程簡圖見圖1。低壓液態(tài)外輸指儲罐內(nèi)的LNG經(jīng)過罐內(nèi)LNG低壓泵加壓后匯集到低壓輸出總管后，直接輸送到LNG槽車裝車撬，通過槽車撬液相臂進(jìn)入到槽車，氣體則通過槽車撬氣相臂返回接收站BOG系統(tǒng)，通過上述方法進(jìn)行LNG槽車充裝，然后運輸至LNG衛(wèi)星接收站及天然氣管道無法覆蓋的地區(qū)。

高壓氣態(tài)外輸采用兩級泵輸送，即儲罐內(nèi)LNG由罐內(nèi)低壓泵加壓后匯集到低壓輸出總管，一路進(jìn)入到再冷凝器頂部冷凝BOG氣體，另一路直接通過再冷凝器的“旁路”到LNG高壓泵入口，并在這里與來自在冷凝器的LNG匯合，通過高壓泵再次增壓至外輸壓力（7.5MPa～8.7MPa之間），之后進(jìn)入海水開架式氣化器與海水輸送泵送來的海水進(jìn)行熱交換后氣化為不低于0℃的天然氣，經(jīng)過輸氣管道輸送到氣體計量站中，計量后輸往下游用戶。

接收站還設(shè)置有“零輸出”及碼頭循環(huán)保冷，在下游用氣量很小無外輸時，除啟動1臺低壓泵用于外輸管線和碼頭卸料管線循環(huán)保冷外，其余低壓泵和高壓泵都將停止運行。

1.5 公用工程及輔助系統(tǒng)

接收站還包括供電、壓縮空氣、儀表空氣及氮氣供應(yīng)、燃料氣、生活水、消防、污水處理、應(yīng)急電源、ESD緊急停車系統(tǒng)等各種公用工程及輔助系統(tǒng)[3]。

2 卸料方案分析

某LNG船裝載量為144749m3（62471.097t），船上LNG平均密度為432.7kg/m3，4個儲罐LNG液位、密度分布情況見表2。

表2 儲罐液位密度情況

根據(jù)外輸熱值調(diào)配要求及各個儲罐目前液位情況，確定本次LNG平均卸料至1#、2#儲罐，先卸料至1#罐，再卸料至2#罐，卸料完成后1#、2#儲罐液位分別為25m、23m左右。通過對船上LNG密度與各個儲罐LNG密度進(jìn)行對比，LNG船舶裝載的LNG密度大于1#罐儲存LNG密度，而小于2#罐儲存LNG密度，為了有效的防止儲罐分層翻滾，最終卸料方式為1#采用上進(jìn)液卸料方式，2#采用下進(jìn)液卸料方式[11]。

3 卸船期間儲罐壓力分析

卸料期間需要控制儲罐壓力，通常情況下儲罐壓力達(dá)到24kPa就會開啟火炬放空，在卸料期間碼頭氣相管線壓力連鎖設(shè)定值為22kPa，當(dāng)碼頭氣相返回管線壓力達(dá)到該壓力時會直接觸發(fā)碼頭卸料ESD，對船岸設(shè)備都造成較大的影響。為了防止以上情況發(fā)生，在卸料開始前提前將兩臺BOG壓縮機(jī)100%負(fù)荷運行，使開始卸料時儲罐保持較低壓力水平，本次卸料提在LNG船舶靠岸前15小時將兩臺BOG壓縮機(jī)100%負(fù)荷，在LNG船舶靠泊完成時1#、2#、3#、4#罐壓力分別為13.7kPa、13.7kPa、13.5kPa、13.8kPa，四個罐之間壓力表存在細(xì)微差異主要是壓力表零點漂移的原因。整個卸料過程主要包括卸前吹掃、測試、預(yù)冷、卸料、卸后吹掃幾個階段，我們從測試合格后預(yù)冷階段開始，每隔十分鐘分別記錄四個儲罐壓力，直至卸料完成，所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖，具體見圖2.

圖2 卸料期間儲罐壓力變化情況

從圖2可以看出，在預(yù)冷階段，四個罐壓力都緩慢升高了0.7kPa左右，船方啟動船艙內(nèi)清艙泵對連接好的卸料臂進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷產(chǎn)生的BOG通過氣相管線進(jìn)入BOG系統(tǒng)從而導(dǎo)致儲罐壓力緩慢上升。在預(yù)冷結(jié)束后，設(shè)置流程準(zhǔn)備開始卸料時，1#罐壓力存在一個明顯的波動，見圖2中A位置，主要原因是在預(yù)冷結(jié)束后，準(zhǔn)備開始卸料設(shè)置流程時打開了1#罐上進(jìn)液氣動閥門（HV閥），38寸LNG管線中較熱LNG突然進(jìn)入1#儲罐，發(fā)生閃蒸導(dǎo)致壓力突然升高，但由于量較小，所以壓力很快就恢復(fù)了正常，為盡量避免打開HV閥時對儲罐壓力造成較大波動，我們建議緩慢打開HV閥，讓管道中較熱的LNG緩慢進(jìn)入儲罐可有效的避免儲罐壓力突然升高降低。

1#罐卸料方式為上進(jìn)液，由圖2可知，在卸料剛開始時，四個儲罐壓力都快速升高，約20分鐘后壓力升高速率減小，1#罐整個進(jìn)液過程中壓力從14.1kPa增長到18.4kPa，壓力升高速率明顯大于其他三個儲罐。接收站在非卸船期間，為了保持碼頭卸料LNG管線處于低溫備用狀態(tài)，卸料管線設(shè)置有保冷循環(huán)，LNG循環(huán)量為86～105m3/h，由于吸收了管道的熱量的緣故，管道中循環(huán)的LNG溫度會略高于儲罐中LNG溫度，所以在剛開始卸料時大量管道中相對較熱的LNG進(jìn)入1#罐，在罐內(nèi)發(fā)生閃蒸產(chǎn)生大量的BOG，導(dǎo)致儲罐壓力快速升高，再加上上進(jìn)液剛進(jìn)入的LNG與儲罐內(nèi)原有的頂層LNG發(fā)生混合，加快了BOG的產(chǎn)生，在很大程度上加快了儲罐壓力升高，卸料LNG密度和儲罐內(nèi)LNG密度相差越大，混合時產(chǎn)生的BOG越多，儲罐壓力上升越明顯，卸料后期主要是混合攪動產(chǎn)生BOG導(dǎo)致儲罐壓力升高。大量的BOG在1#罐內(nèi)產(chǎn)生，然后通過28寸的氣相管線進(jìn)入BOG官網(wǎng)，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至其他幾個儲罐，由于BOG產(chǎn)生速率遠(yuǎn)大于BOG壓縮機(jī)處理速率，所以四個罐的壓力都迅速升高，若儲罐液位較高，氣相空間較小，儲罐壓力上升速率會更大，卸船風(fēng)險也會增大。因此，在整個上進(jìn)液卸料過程中，我們應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)控上進(jìn)液儲罐壓力，確保儲罐壓力在合理范圍。

2#卸料方式為下進(jìn)液，卸料從1#罐切換至2#罐時，四個罐的壓力都突然升高，然后迅速降低，具體見圖2中B位置，隨后在整個卸料過程中壓力都較平穩(wěn)，壓力升降不明顯。這是因為在切換的過程是先開后關(guān)，所以在切換過程中2#突然進(jìn)液，2#罐區(qū)域大約100米左右的38寸管段中溫度相對較高LNG突然進(jìn)入2#罐，產(chǎn)生較多的BOG導(dǎo)致2#壓力突然升高，進(jìn)而導(dǎo)致四個罐壓力都突然升高，但整個過程時間較短。隨后由于1#罐不再進(jìn)液BOG產(chǎn)生量明顯減少，2#罐為下進(jìn)液方式對儲罐內(nèi)LNG攪動混合沒有1#明顯，所以產(chǎn)生的BOG明顯少于1#罐，從而儲罐壓力相對較穩(wěn)定，但仍應(yīng)該通過手動運行LTD來監(jiān)控儲罐內(nèi)LNG情況，確保不存在分層現(xiàn)象，有效杜絕翻滾導(dǎo)致儲罐超壓。

在卸料完成后的吹掃階段，我們用氮氣將卸料臂中的LNG吹掃排入儲罐，所以在吹掃的過程中較多氮氣和卸料臂中LNG一同進(jìn)入儲罐，導(dǎo)致儲罐壓力緩慢升高，在吹掃結(jié)束后儲罐壓力都緩慢降低。

終上所述，在卸料過程中，上進(jìn)液時儲罐壓力升高較快，若再加上儲罐液位較高時，氣相空間相對較小，壓力升高會更明顯，相應(yīng)的卸船風(fēng)險也會增加。在下進(jìn)液卸料時，儲罐壓力相對較平穩(wěn)，不存在明顯升高的跡象，所以我們在卸料過程中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇進(jìn)液的先后順序，在特殊的情況下，如高液位上進(jìn)液卸料時，我們可以采取兩個罐同時進(jìn)液，同時為了盡量降低卸船風(fēng)險，我們應(yīng)當(dāng)通過增加運行LTD的頻率來監(jiān)控儲罐中LNG情況，防止儲罐發(fā)生分層，在來船前將兩臺BOG壓縮機(jī)滿負(fù)荷運行，降低儲罐壓力，若設(shè)置有高壓BOG壓縮機(jī)，應(yīng)將其調(diào)整為備用狀態(tài)，同時還應(yīng)確?；鹁娣趴仗幱趥溆脿顟B(tài)，若發(fā)生儲罐翻滾等緊急情況時，確保其能夠正常使用，在最大程度上降低卸船風(fēng)險，確保接收站安全平穩(wěn)運行。

4 結(jié)語

（1）在設(shè)置卸料流程時，由于卸料管道中較熱的LNG會在開啟氣動閥進(jìn)入儲罐并發(fā)生閃蒸導(dǎo)致儲罐壓力波動，所以建議在開啟該閥門時應(yīng)控制打開速度，防止壓力在短時間內(nèi)波動過大，對儲罐及管道造成較大沖擊。

（2）上進(jìn)液方式卸料時儲罐壓力明顯升高，尤其是在卸料剛開始時由于38寸LNG卸料管線中相對較熱的LNG進(jìn)入儲罐發(fā)生閃蒸會導(dǎo)致儲罐迅速升高，所以在上進(jìn)液卸料時續(xù)重點監(jiān)控儲罐壓力，為了降低卸料風(fēng)險可在卸料開始前將兩臺BOG壓縮機(jī)100%負(fù)荷運行，降低儲罐壓力。

（3）下進(jìn)液方式卸料時，儲罐壓力相對穩(wěn)定，但是應(yīng)當(dāng)通過LTD監(jiān)控儲罐內(nèi)LNG狀況，防止發(fā)生分層，有效杜絕翻滾，降低卸船風(fēng)險。

（4）若卸料LNG和儲罐儲存LNG密度相差較大，儲罐壓力變化更明顯，建議來船前提前將BOG壓縮機(jī)滿負(fù)荷，降低儲罐壓力，減小卸料期間由于儲罐壓力過高導(dǎo)致卸船ESD的風(fēng)險，確保整個卸料過程安全平穩(wěn)進(jìn)行。

（5）來船前應(yīng)檢查確?；鹁鏋檎Ｍ队脿顟B(tài)，若設(shè)置有高壓BOG壓縮機(jī)應(yīng)將其設(shè)置為備用狀態(tài)，確保在壓力過高時能夠正常使用，在卸料前和卸料過程中都應(yīng)該手動運行LTD來監(jiān)控儲罐中LNG狀況，確保不存在分層現(xiàn)象，有效的杜絕因分層發(fā)生翻滾導(dǎo)致儲罐超壓。

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The Research on Controlling of Storage Tank Pressure During the Unloading of LNG

Long Decai（CNOOC Fujian LNG Co．，Ltd，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350000，China）

LNG儲罐由于其自身蒸發(fā)率及LNG管道保冷循環(huán)等原因，儲罐內(nèi)LNG會蒸發(fā)產(chǎn)生一定的BOG導(dǎo)致儲罐壓力變化，尤其是卸船期間由于卸料LNG和儲存LNG組成可能存在較大差異，可能造成儲罐壓力發(fā)生較大波動，對接收站安全平穩(wěn)運行構(gòu)成一定的威脅。為此，本文對LNG接卸過程中儲罐壓力進(jìn)行記錄總結(jié)，結(jié)合不同階段具體操作對卸料不同階段及不同進(jìn)液方式進(jìn)行對比分析，找到了儲罐壓力在卸船過程中的變化規(guī)律及主要影響因素，并結(jié)合實際情況提出了相應(yīng)的控制措施及建議，為液化天然氣接收站卸船期間儲罐壓力控制提供了重要依據(jù)。

液化天然氣；BOG；壓力控制；接收站儲罐;卸船

Due to its own evaporation rate and LNG pipeline’s heat preservation cycle,The LNG in storage tank will evaporate into BOG influence tank pressure especially during the unloading of LNG vessel when there is much difference in component be?tween LNG in tank and LNG in vessel,thus cause tank pressure to fluctuate largely,that’s a potential risk to LNG terminal.This arti?cle summarizes the tank pressure several change records during the LNG unloading according to the different operations of every stage,analyzes the regular pattern and main influencing factors of tank pressure changes,and presents corresponding measures to con?trol tank pressure according to the actual situation,which could use be good inference for the controlling of the tank pressure dur?ing unloading of LNG.

LNG terminal;BOG;Pressure control;Storage tank;Unloading;LNG;Craftwork process

龍德才（1989-），四川內(nèi)江人，碩士研究生；主要從事天然氣處理與加工相關(guān)研究工作。