牛 斌 童文龍 陶 克

1. 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司山東銷(xiāo)售分公司, 山東 濟(jì)南 250000;2. 廣東珠海金灣液化天然氣有限公司, 廣東 珠海 519000;3. 中海浙江寧波液化天然氣有限公司, 浙江 寧波 315800

0 前言

LNG由于其在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、存儲(chǔ)及供氣調(diào)峰方面的優(yōu)越性,近年來(lái)得到廣泛運(yùn)用,同時(shí)LNG接收站也得到了穩(wěn)步發(fā)展[1-3]。國(guó)內(nèi)大型LNG接收站在完成裝置機(jī)械安裝、水壓試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)、干燥、氮?dú)庵脫Q、電氣和儀表系統(tǒng)調(diào)試等預(yù)調(diào)試工作后,開(kāi)始對(duì)接收站進(jìn)行冷卻調(diào)試,將儲(chǔ)罐等其他設(shè)備從常溫狀態(tài)冷卻至-160℃。當(dāng)儲(chǔ)罐初次暴露在-160℃的工況時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)壁和罐底都將發(fā)生冷縮,冷卻不均勻或過(guò)快都會(huì)造成罐壁及罐底溫度梯度變化,使儲(chǔ)罐內(nèi)壁產(chǎn)生異常收縮和過(guò)大的應(yīng)力,可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐產(chǎn)生不可修復(fù)性損壞或破裂[4-9]。管道可以通過(guò)液氮或低溫BOG冷卻,一般情況下通過(guò)低溫氣體對(duì)管道冷卻至目標(biāo)溫度后開(kāi)始用LNG進(jìn)行緩慢填充,不同冷源對(duì)管道的預(yù)冷時(shí)間及效果有不同影響。因此,LNG儲(chǔ)罐與管道冷卻是LNG接收站投入運(yùn)營(yíng)前最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[10],有必要研究其冷卻過(guò)程和溫降規(guī)律,提出可行、可靠、節(jié)能的冷卻方法。

1 LNG儲(chǔ)罐冷卻方法研究

1.1 LNG儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程分析

儲(chǔ)罐預(yù)冷主要是通過(guò)低溫介質(zhì)(液氮或LNG,本文以LNG為例)氣化后對(duì)儲(chǔ)罐氣體介質(zhì)進(jìn)行冷卻,再通過(guò)被冷卻的氣體介質(zhì)按3～5℃/h的溫降速率對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壁及罐底進(jìn)行冷卻,直至罐底溫度檢測(cè)器檢測(cè)溫度冷卻至-145℃以下且能檢測(cè)到一定液位后,儲(chǔ)罐開(kāi)始緩慢進(jìn)液到初始冷卻要求高度[11-12]。

1.2 LNG儲(chǔ)罐冷卻控制模型的設(shè)計(jì)邏輯

LNG儲(chǔ)罐冷卻控制模型是根據(jù)儲(chǔ)罐冷卻溫降要求設(shè)定目標(biāo),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐冷卻溫降數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,采集各檢測(cè)點(diǎn)溫度變化數(shù)據(jù)對(duì)單點(diǎn)溫降變化趨勢(shì)、平均溫降積累趨勢(shì)、溫降速率變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)儲(chǔ)罐冷卻操作。儲(chǔ)罐冷卻控制模型建立主要分為收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析、根據(jù)結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作三部分,見(jiàn)圖1。

圖1 LNG儲(chǔ)罐冷卻控制模型設(shè)計(jì)邏輯圖Fig.1 The cooling model design logic diagram of LNG tanks

1.3 LNG儲(chǔ)罐冷卻控制模型的建立

通過(guò)采集儲(chǔ)罐內(nèi)壁及罐底各檢測(cè)點(diǎn)溫度變化情況,按照正常工藝條件下每30 min(或60 min)采集一次數(shù)據(jù),改變正常條件時(shí)(冷量增加時(shí))可以每15 min采集一次數(shù)據(jù),在各時(shí)間點(diǎn)同時(shí)采集冷量入口壓力、儲(chǔ)罐壓力等參數(shù),將收集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel軟件建立儲(chǔ)罐冷卻控制模型,自動(dòng)生成控制模塊曲線圖,對(duì)儲(chǔ)罐冷卻現(xiàn)狀及冷卻趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估和判斷,通過(guò)調(diào)整進(jìn)入儲(chǔ)罐的冷量來(lái)控制儲(chǔ)罐預(yù)冷速率,以確保儲(chǔ)罐溫降速率在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。模型主要包括單點(diǎn)溫降趨勢(shì)圖、平均溫降累計(jì)趨勢(shì)圖、溫降速率變化圖三部分。常見(jiàn)的16×104m3LNG儲(chǔ)罐底部和罐壁的溫度檢測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2(各大型儲(chǔ)罐溫度檢測(cè)點(diǎn)可能有所不同[13-16],但功能都是一樣,在冷卻過(guò)程中對(duì)冷卻速率進(jìn)行監(jiān)控)。

a)罐壁溫度檢測(cè)點(diǎn)a)Temperature detection points of tank wall

b)罐底溫度檢測(cè)點(diǎn)b)Temperature detection points of tank bottom

1.4 模型對(duì)冷卻速率的控制

通過(guò)建立儲(chǔ)罐冷卻控制模型,即可清楚判斷儲(chǔ)罐冷卻情況,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作中平均溫降速率低于3℃/h或高于5℃/h時(shí)調(diào)整進(jìn)入儲(chǔ)罐的冷量,控制平均溫降速率在約1℃/15 min范圍內(nèi);另外當(dāng)罐底或管壁任意兩個(gè)相鄰溫度監(jiān)控點(diǎn)之間溫差超過(guò)30℃時(shí)可以適當(dāng)減少流量,盡量使各點(diǎn)溫降均勻[11]。

1.5 實(shí)例探討

在儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程中溫降速率主要是通過(guò)罐底各檢測(cè)點(diǎn)小時(shí)平均溫差變化情況來(lái)進(jìn)行LNG流量調(diào)整,以各檢測(cè)點(diǎn)溫度變化情況作為參考確保任何臨近兩點(diǎn)間的溫差不超過(guò)范圍?，F(xiàn)以中國(guó)海油浙江LNG接收站儲(chǔ)罐A冷卻過(guò)程中某一時(shí)間段通過(guò)冷卻模型指導(dǎo)和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)操作的情況為例說(shuō)明。

對(duì)于流量調(diào)整的控制可以通過(guò)監(jiān)控儲(chǔ)罐底部各檢測(cè)點(diǎn)每15 min平均溫降速率和單位時(shí)間累計(jì)溫降情況判斷增加的流量是否符合要求,以下通過(guò)9月25日儲(chǔ)罐A冷卻時(shí)兩次流量調(diào)整情況進(jìn)行舉例說(shuō)明。

在0:45～2:15時(shí)間段內(nèi),儲(chǔ)罐底部溫度變化與溫降速率見(jiàn)表1～2。在0:45～1:00時(shí)段內(nèi)罐底各點(diǎn)溫度平均溫降為0.15℃,低于1℃/15 min的理論平均速率,需要調(diào)整冷卻流量。在0:57將冷卻流量從13.1 m3/h調(diào)整至22.5 m3/h,1:00～1:15時(shí)間段內(nèi)罐底各點(diǎn)溫降平均速率為1.18℃/15 min,1:15～1:30時(shí)間段內(nèi)罐底各點(diǎn)平均溫降速率為1.54℃/15 min,溫降速率呈上升趨勢(shì),若按此冷卻速率進(jìn)行,儲(chǔ)罐溫降速率將會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)方4℃/h的溫降速率要求,在1:30要求現(xiàn)場(chǎng)降低冷卻流量,由圖3溫降速率和累計(jì)溫降曲線趨勢(shì)可知,重新調(diào)整流量后各點(diǎn)溫降情況都得到了很好的控制,滿足冷卻要求。

表1 部分流量調(diào)整前儲(chǔ)罐底部溫度變化情況表

Tab.1 Temperature change of tank bottom before partial flow rate adjustment

時(shí)間流量/(m3·h-1)溫度檢測(cè)點(diǎn)溫度/℃TI-02054TI-02055TI-02056TI-02057……TI-02064TI-02065TI-020660:4513.1011.8111.6111.0911.39……11.0011.2910.931:0022.2211.5211.410.8811.25……10.7911.1710.791:1523.1710.369.909.589.91……9.3510.049.641:3018.108.998.377.648.12……7.418.217.861:4517.998.017.447.127.60……6.727.427.032:0018.057.446.706.296.89……6.237.036.442:1518.166.896.345.925.95……5.476.365.8710:0024.94-15.09-15.61-16.12-16.44……-18.19-16.92-17.6610:1527.15-16.00-16.60-16.82-16.91……-19.00-17.07-17.7010:3027.42-17.28-17.93-17.99-17.98……-19.79-18.13-18.7910:4527.47-18.00-18.73-18.87-19.01……-20.57-19.35-19.9611:0027.38-18.50-19.14-19.61-19.90……-21.5-20.34-20.9811:1527.42-19.10-19.48-20.11-20.62……-22.4-21.29-21.94

表2 部分流量調(diào)整前儲(chǔ)罐底部溫降速率情況表

Tab.2 Temperature drop rate of tank bottom before partial flow rate adjustment

時(shí)間流量/(m3·h-1)溫度檢測(cè)點(diǎn)溫降速率/(℃·15-1 min-1)TI-02054TI-02055TI-02056TI-02057……TI-02064TI-02065TI-02066平均溫降速率/(℃·15-1 min-1)0:4513.100.430.280.250.41……0.160.370.410.341:0022.220.290.210.210.14……0.210.120.140.151:1523.171.161.501.301.34……1.441.131.151.181:3018.101.371.531.941.79……1.941.831.781.541:4517.990.980.930.520.52……0.690.790.830.752:0018.050.570.740.830.71……0.490.390.590.642:1518.160.550.360.370.94……0.760.670.570.6910:0024.940.210.240.430.66……0.820.780.810.6810:1527.150.910.990.700.47……0.810.150.040.5110:3027.421.281.331.171.07……0.791.061.091.0010:4527.470.720.800.881.03……0.781.221.170.9211:0027.380.500.410.740.89……0.930.991.020.8011:1527.420.600.340.500.72……0.900.950.960.71

圖3 0:45～2:15時(shí)段儲(chǔ)罐溫降速率與累計(jì)溫降曲線圖Fig.3 Temperature drop rate and cumulative temperature drop of tank in 0:45～2:15 period

在10:00～11:15時(shí)間段內(nèi),儲(chǔ)罐平均溫度變化與累計(jì)變化見(jiàn)圖4。在10:15調(diào)整冷卻流量后,10:15～10:30時(shí)間段內(nèi)各點(diǎn)平均溫降速率增大,隨后逐漸趨于平緩,平均溫降累計(jì)曲線斜率也呈現(xiàn)先增大后平緩的趨勢(shì),這表明在10:15時(shí)的流量調(diào)整方案剛好滿足儲(chǔ)罐冷卻需要。

圖4 10:00～11:15時(shí)段儲(chǔ)罐溫降速率與累計(jì)溫降曲線圖Fig.4 Temperature drop rate and cumulative temperature drop of tank in 10:00～11:15 period

由圖3～4可知,通過(guò)分析儲(chǔ)罐溫降速率與累計(jì)溫降曲線斜率趨勢(shì),可對(duì)儲(chǔ)罐冷卻流量的調(diào)整情況進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)溫降速率過(guò)大,超過(guò)4℃/h時(shí),說(shuō)明調(diào)整的流量可能過(guò)大,需重新調(diào)整流量;當(dāng)平均溫降速率減小,小于4℃/h時(shí),說(shuō)明調(diào)整的流量符合要求,儲(chǔ)罐冷卻繼續(xù)進(jìn)行。

1.6 儲(chǔ)罐冷卻技術(shù)控制要點(diǎn)

儲(chǔ)罐在冷卻過(guò)程中主要是對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)罐的冷量進(jìn)行控制,不同項(xiàng)目由于選擇的噴淋設(shè)備不同,導(dǎo)致進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG氣化效果不同,從而影響LNG氣化后對(duì)儲(chǔ)罐中氣體介質(zhì)的冷卻效率。為保證進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG氣化效果，應(yīng)注意儲(chǔ)罐冷卻噴淋頭吹掃干燥置換質(zhì)量，防止雜質(zhì)或水滴形成的冰屑堵塞噴頭，影響冷卻操作。在操作過(guò)程中盡量避免頻繁開(kāi)關(guān)流量控制閥門(mén),防止大滴LNG由于重力作用未氣化完全而直接滴在儲(chǔ)罐底部，造成罐底局部低溫。

在冷卻控制中應(yīng)調(diào)整冷卻氣體和LNG的流量,以避免由于儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷卻太快引起壓力驟降而產(chǎn)生局部真空。儲(chǔ)罐冷卻至-148℃左右時(shí),儲(chǔ)罐底部重組分已形成少量液位,溫降速率會(huì)減慢至1～2℃/h,需要進(jìn)一步調(diào)整冷卻氣體和LNG流量。一般通過(guò)入口旁路引入少量LNG,由于微量LNG進(jìn)入罐底接觸到重組分會(huì)發(fā)生氣化,檢測(cè)點(diǎn)探測(cè)到的溫度將頻繁波動(dòng),溫降加劇。儲(chǔ)罐在冷卻過(guò)程中將排出大量低溫氣體,出現(xiàn)氣帶液現(xiàn)象,在蒸發(fā)氣體處理過(guò)程[17-18]中需要充分考慮,做好處理,避免發(fā)生事故。

2 LNG管道冷卻方法研究

2.1 LNG外輸管道

外輸管道通常采用LNG進(jìn)行冷卻,在管道沿線布置溫度檢測(cè)點(diǎn),每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)包括管道上、下兩個(gè)溫度傳感器,通過(guò)分析這些檢測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),研究管道冷卻過(guò)程中的溫度變化規(guī)律。

圖5 低壓外輸管道冷卻曲線圖Fig.5 Cooling curve of low pressure export pipeline

圖5給出了24″(1″=25.4 mm)LNG外輸管道冷卻過(guò)程中某時(shí)段的溫度變化曲線,可以看出,部分單點(diǎn)溫降速率非常大,最大單點(diǎn)溫降速率為118.8℃/h,另外,管道同一位置的上下兩點(diǎn)最大溫差達(dá)到140℃,從而造成管道冷卻不均勻的現(xiàn)象。為解決這一問(wèn)題,考慮通過(guò)間歇方式對(duì)管道進(jìn)行冷卻,控制小流量,調(diào)節(jié)稍大壓差,使LNG能盡量氣化,采用氣帶液的方式對(duì)管道進(jìn)行冷卻,同時(shí)在冷卻過(guò)程中應(yīng)密切監(jiān)控管道位移和變形情況,尤其是阻礙管道位移的障礙物,防止管道發(fā)生碰撞損壞設(shè)備。

2.2 LNG卸料管道

LNG卸料管道主要包括碼頭平臺(tái)部分、海上棧橋部分、地面管道和儲(chǔ)罐豎管等,管道冷卻速率控制一般是通過(guò)調(diào)整冷卻介質(zhì)的溫度或流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前,LNG卸料管道主要采用“BOG預(yù)冷+LNG冷卻”的方式[19-20],這種方式所需的BOG排放量較高,且耗時(shí)較長(zhǎng)。為此,提出采用液氮代替BOG對(duì)卸料管道進(jìn)行預(yù)冷的方法并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.2.1 液氮預(yù)冷概述

廣東珠海金灣液化天然氣有限公司(簡(jiǎn)稱珠海LNG)在首船接卸前對(duì)450 m的42″卸料管線進(jìn)行液氮預(yù)冷試驗(yàn)。利用液氮槽車(chē)運(yùn)輸液氮到達(dá)設(shè)備后分成兩路,一路通過(guò)空氣式氣化器氣化進(jìn)入分液罐,另一路直接進(jìn)入分液罐,兩路混合均勻的冷氣從分液罐頂部出來(lái)經(jīng)卸料管線末端14″預(yù)留口,注入42″卸料匯管42″-LM-0103(往碼頭方向進(jìn)行反向預(yù)冷),氣體到達(dá)三條液相臂的24″管道,通過(guò)卸料臂C臂下方導(dǎo)淋進(jìn)行排放,控制管道的冷卻速度不超過(guò)10℃/h。預(yù)冷流程及卸料管線溫度、壓力及管道位移監(jiān)控點(diǎn)示意圖分別見(jiàn)圖6、7。冷卻過(guò)程中通過(guò)控制注入氮?dú)獾牧髁亢蜏囟缺ＷC管道冷卻效果。

圖6 珠海LNG液氮預(yù)冷流程示意圖Fig.6 Schematic diagram of liquid nitrogen precooling process for LNG pipeline in Zhuhai LNG terminal

圖7 卸料管線溫度、壓力及管道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of temperature,pressure and displacement monitoring points of unloading pipeline

2.2.2 液氮預(yù)冷具體操作

1)首先按照BOG常規(guī)冷卻流程開(kāi)展液氮冷卻工作。從卸料管道充入低溫氮?dú)?氮?dú)鉁囟瓤刂圃?30～-40℃)經(jīng)卸料臂C底部導(dǎo)淋進(jìn)行排氣,逐步增加氮?dú)饬髁恐?4 300 m3/h,此時(shí)入口氮?dú)鉁囟冉抵?90℃,離注入點(diǎn)最近的溫度檢測(cè)處(約20 m)最低溫度降至5℃,平均溫降為1.2℃/h,管線降溫速度較慢,若繼續(xù)按照此方案操作,將花費(fèi)更多時(shí)間并消耗更多氮?dú)?因此改變冷卻方式,對(duì)冷卻管線進(jìn)行分段,實(shí)現(xiàn)逐步冷卻。

2)采取“分段式預(yù)冷法”提高冷卻速率。在管道沿途增加氮?dú)馀欧劈c(diǎn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫降情況,調(diào)整SDV 0201A和SDV 0201C旁路排放口的打開(kāi)和關(guān)閉,當(dāng)預(yù)冷18 h后,繼續(xù)控制氮?dú)鉁囟仍?90℃左右,此時(shí)溫降速率為3～6℃/h,冷卻效果明顯,但注氮點(diǎn)附近管道上下溫差擴(kuò)大,現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)100 mm的位移量;當(dāng)預(yù)冷24 h后,管道上下溫差最大達(dá)到45℃,繼續(xù)預(yù)冷將導(dǎo)致管道上下溫差超過(guò)設(shè)計(jì)值50℃。分析原因主要為氮?dú)獾牧鲃?dòng)性較差,在管道內(nèi)產(chǎn)生分層流動(dòng),導(dǎo)致管道上下溫差加劇,使管道預(yù)冷效果不佳,此時(shí)需要再次調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)操作模式,通過(guò)瞬時(shí)快速流動(dòng)使分層的氣體在管道中產(chǎn)生擾動(dòng),達(dá)到均勻混合的目的。

3)改變預(yù)冷方法,從“分段預(yù)冷”改為“間歇預(yù)冷”,先關(guān)閉SDV 0108,當(dāng)SDV 0108上游壓力到160 Kpa,下游壓力降到30 Kpa,再打開(kāi)SDV 0108進(jìn)行泄壓,增加管道內(nèi)氣體流速,重復(fù)以上動(dòng)作進(jìn)行預(yù)冷,此時(shí)溫降速率為3～6℃/h,上下溫差不超過(guò)45℃;同時(shí)對(duì)末段管線進(jìn)行了冷卻。預(yù)冷進(jìn)行72 h后,卸料總管離注氮點(diǎn)最近溫度點(diǎn)T-0123 B底部溫度降至約-124℃,卸料總管碼頭最前端溫度點(diǎn)T-0117 B底部溫度約-88℃,預(yù)冷結(jié)束。

試驗(yàn)結(jié)果表明,采用“間歇預(yù)冷”方法可以改變管道內(nèi)部氣體的流通速度,達(dá)到均勻混合的目的,且冷卻過(guò)程中管道位移、變形等均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),低溫狀態(tài)下各項(xiàng)閥門(mén)、設(shè)備等測(cè)試均符合要求。與BOG冷卻相比,液氮冷卻卸料管道可大量節(jié)約冷卻時(shí)間,減少BOG排放,節(jié)省調(diào)試費(fèi)用,同時(shí)分解了調(diào)試工作，減少了BOG冷卻的風(fēng)險(xiǎn)。基于此方法,天津浮式LNG接收站對(duì)830 m 42″的卸料管道開(kāi)展了兩次液氮冷卻工作,均取得成功,整個(gè)過(guò)程共節(jié)省冷卻時(shí)間45 h,減少BOG的排放量約8.5×105m3,節(jié)省費(fèi)用約425萬(wàn)元。

3 結(jié)論

1)通過(guò)建立儲(chǔ)罐冷卻控制模型分析儲(chǔ)罐各單點(diǎn)溫度變化以及單位時(shí)間的平均溫降速率和溫降累計(jì)變化情況,對(duì)冷卻操作進(jìn)行監(jiān)控、提醒,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明,該模型可以使LNG儲(chǔ)罐冷卻速率控制在合理范圍內(nèi)。

2)儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程中,應(yīng)保證噴頭的霧化效果,避免閥門(mén)頻繁操作造成的罐底局部低溫以及儲(chǔ)罐冷卻太快造成的局部真空,在蒸發(fā)氣體處理過(guò)程中需要充分考慮低溫氣體所產(chǎn)生的氣帶液現(xiàn)象。

3)在用LNG對(duì)管道預(yù)冷時(shí),應(yīng)著重監(jiān)控流量調(diào)節(jié)管道上下點(diǎn)間的溫差,建議采用“間歇預(yù)冷”方式對(duì)管道進(jìn)行冷卻,盡量減少管道上下溫差。

4)液氮冷卻方法可大大減少BOG的排放,同時(shí)節(jié)省大量調(diào)試時(shí)間和費(fèi)用,更加安全環(huán)保,值得推廣應(yīng)用。