大型LNG儲罐干燥置換的研究與計算

曹學文，彭文山，任大偉，王萍，張楠，徐曉婷，唱永磊

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580

2.中海油研究總院，北京100027

大型LNG儲罐干燥置換的研究與計算

曹學文1，彭文山1，任大偉1，王萍1，張楠1，徐曉婷1，唱永磊2

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580

2.中海油研究總院，北京100027

大型LNG儲罐的壓力測試都采用水壓進行，試壓結束后必須對儲罐進行干燥置換。工程中大多采用氮氣持續吹掃進行干燥置換，導致氮氣消耗大、工期長、作業成本高，另外干燥置換理論計算方法不完善也給LNG儲罐干燥置換介質的計算造成障礙，無法準確預估介質使用量。為節省液氮用量以及準確預估干燥置換氮氣使用量，文章采用熱干空氣吹掃干燥與氮氣干燥置換相結合的方法，用壓漲式吹掃干燥工藝對儲罐實施干燥置換作業，同時根據氧含量及露點要求給出干燥置換介質用量的計算方法，與站場儲罐干燥置換施工情況進行對比分析表明：按照露點要求得到的干燥置換計算方法能很好地計算液氮用量及作業工期，可為儲罐干燥置換的理論計算及施工作業提供參考。

LNG儲罐；干燥置換；計算方法；工藝優化

隨著國家能源結構調整以及對環境保護要求的提高，液化天然氣（LNG）作為一種無色、無味、無毒、無腐蝕性的清潔能源在國內的應用越來越廣泛[1-2]。儲罐是LNG接收站的核心設備，也是LNG的主要儲存設備[3]。LNG儲罐類型眾多，從安全性和經濟性角度，國內外接收站大多選用全容式LNG儲罐[4-5]，我國大型LNG接收站中的LNG儲罐均為全容式儲罐。

大型LNG儲罐在水壓試驗結束后，內部可能存在大量游離水或水蒸氣。低溫LNG進入儲罐后，有水的部分會瞬間凝結成冰，二次底板將被向上頂起，造成內罐結構受損；另外內外罐之間填充的膨脹珍珠巖也會結塊，嚴重影響儲罐保冷效果；儲罐附屬管道及低壓泵也可能結冰，對儲罐運行造成影響，因此水壓試驗后必須進行干燥置換處理才能投產。

本文介紹了壓漲式干燥置換的一般步驟及控制要點，提出了干燥置換介質用量及干燥置換時間的計算方法，并與同類工程進行對比驗證，可為大型LNG儲罐的干燥置換作業及參數計算提供參考。

1 大型L NG儲罐結構

1.1 大型LNG儲罐組成

大型LNG儲罐主要由9%Ni鋼內罐、預應力混凝土外罐、外罐內側底部熱角保護系統、儲罐保冷層以及工藝管道、儀表等附件組成，如圖1所示。

圖1 大型LNG儲罐結構示意

1.2 罐壁保冷系統

儲罐內、外罐壁間環形空間由重量輕、絕熱性好的保冷材料——膨脹珍珠巖填充。當溫度降低時，儲罐會收縮。因此，在內罐壁外側安裝玻璃棉制成的彈性玻璃纖維氈為珍珠巖提供彈性，可以防止或減小珍珠巖的沉降，避免二次填充[6]。

熱角保護系統由高度為5 m的9%Ni鋼壁板及泡沫玻璃磚保冷層、9%Ni鋼二次底板等組成。

2 干燥置換工藝

2.1 干燥置換分區及標準

在大型LNG儲罐投用后，儲罐內、外罐之間的環形空間將允許填充內罐LNG蒸發的BOG氣體，因此在儲罐干燥和置換過程中不僅需要對內罐進行干燥和氮氣置換，還需要對儲罐內、外罐之間的環形空間進行干燥置換。根據儲罐不同區域干燥順序的不同，將儲罐干燥和氮氣置換分為A、B、C、D四個區域（如圖2所示），由于四個區域功能不同，所以干燥置換的要求也有所不同。

圖2 儲罐干燥置換分區及工藝示意

對于大型LNG儲罐，國內尚無明確規定干燥和置換具體要求的相關標準，本文結合歐洲標準EN 14620-5：2006[7]、EN 1473[8]以及國內大型LNG儲罐干燥置換現場實踐確定大型LNG儲罐氮氣干燥置換標準（見表1），以保證儲罐干燥置換后預冷作業的安全順利進行。

表1 LNG儲罐氮氣干燥置換標準

2.2 空氣干燥

儲罐內部屬于密閉空間，若水壓試驗和干燥置換作業間隔時間較短，其內部可能存在大量的游離水甚至水膜，濕度較大，會增加干燥難度。為降低儲罐空間的露點，節省氮氣用量，先采用熱的干空氣進行除濕，當露點達到一定值（10℃）后，改為氮氣干燥和置換。此種方式不僅提高了干燥置換的速度，而且減少了氮氣的用量，節約了成本。

為了使加熱后的干空氣露點及溫度達到儲罐氮氣開始吹掃標準，設計了干空氣的制備優化流程，見圖3。在干空氣制備過程中有以下要求。

圖3 熱壓縮干空氣制備優化流程示意

（1）干空氣溫度。施工期間為提高干燥效率，需對干空氣進行加熱。針對干空氣加熱過程，進行了優化：利用空壓機出口處的高溫壓縮空氣的熱量對干燥器出口的壓縮干空氣進行換熱，提高壓縮干空氣的溫度，一定程度上節約了對干空氣加熱的能量消耗，降低了施工成本。干空氣目標露點為-60～-70℃。

（2）干空氣的流量。干空氣的流量越大，干燥時間越短，一般干空氣的流量約5 000 Nm3/h。

（3）干空氣除油。為了防止空壓機處理后的空氣中帶油，吹入管道后對管道造成污染，在干空氣使用前需進行除油。

2.3 氮氣干燥置換

LNG儲罐初步干燥的介質為干空氣，當儲罐露點降低到一定溫度時，干燥置換采用的介質為氮氣。置換要在高純氮的條件下執行，且露點≤-60℃。干燥置換過程主要分為儲罐升壓和A、B、C、D區依次干燥置換，干燥置換過程分為三個階段。

2.3.1 持續吹掃式干燥置換

干燥置換順序是由A區至D區。由于B、C、D三個區的空間較小，儲罐運行后空間內存在的介質為蒸發滲透的BOG氣體，干燥置換的要求低于A區。因此，干燥置換先針對A區進行，達標后再對B、C、D區干燥置換。

由N10口引入氮氣，進氮流量必須控制得當，逐步提升至2 000 Nm3/h。其他出口全部關閉，對儲罐進行升壓作業；當儲罐壓力升高至10 kPa時，開啟N9口閥門進行放空，調節氮氣流量和N9口閥門的開度，使壓力維持在10 kPa，開始A區的干燥置換。干燥置換初期，持續吹掃干燥方式效果較好，當露點降至-10℃時，持續吹掃干燥方式效果不明顯，采用壓漲式干燥置換方法對A區進行作業。

2.3.2 壓漲式干燥置換

當N9出口排出氣體的露點低于-10℃時，關閉儲罐所有放空口，儲罐開始悶罐，期間隨時關注罐內壓力變化，2 h后開啟A區放空口對儲罐進行卸壓，控制卸壓速度≤0.8 kPa/h，當罐內壓力降至1 kPa時停止卸壓。再由儲罐的N10口引入氮氣，對儲罐進行升壓作業，升壓速度≤1 kPa/h，當儲罐壓力升高至10 kPa時，關閉儲罐所有放空口，儲罐悶罐2 h，開啟A區放空閥門進行卸壓，當罐內壓力降至1 kPa時停止卸壓。

如此反復進行多次，直至放空口處檢測的露點低于-20℃且含氧量低于4%，儲罐A區干燥置換完成。

2.3.3 持續吹掃干燥維持露點

當A區干燥置換完成后，采用持續吹掃干燥方式對B、C、D區進行干燥置換。對B區進行干燥置換時要嚴格將氮氣流量控制在80～150 Nm3/h，應保證珍珠巖不致由管口吹出，氮氣流量可根據罐頂露點變化情況進行適度調整。對C區和D區罐底保冷層進行置換時，氮氣流量應控制在小于100 Nm3/h，防止內罐底部出現變形。C區的干燥過程中需要格外注意C區與A、D區的壓差，如果C區壓力高于A區0.4 kPa，儲罐底部可能損壞。另外要確保D區的壓力不超出A、B或C區壓力0.4 kPa，同時A、B區的壓力不得超過15 kPa。

B、C、D區干燥置換具體操作流程參考文獻[9-12]，在儲罐干燥置換過程中需注意觀察儲罐的壓力，通過控制氮氣的流量和排放口閥門的開度，確保儲罐壓力在10 kPa左右。最后A、B、C、D區均達到干燥置換要求后，將儲罐壓力升高至12 kPa左右，直至試運行。

3 干燥置換計算

3.1 壓漲式吹掃干燥升壓計算

在對儲罐內罐進行置換時，先通入氮氣對儲罐升壓，當儲罐內壓力達到10 kPa左右，打開罐頂放空閥。在儲罐升壓過程中充入的液氮量按照下式計算：

式中P——罐內氣體壓強/Pa；

V——儲罐體積/m3；m——氮氣質量/kg；

M——氮氣的摩爾質量/（kg/mol）；

T——內罐氣體的熱力學溫度/K；

R——理想氣體常數/（Pa·m3/（mol·K））。

3.2 干燥置換用氮量計算方法一

由工業通風中的全面通風原理[13]可得到露點下降到某一溫度所需時間，即罐內水蒸氣達到某一質量濃度所需要的時間。LNG儲罐按露點要求置換時間計算公式如下：

式中tc——儲罐內水蒸氣的質量濃度由ρ1變化到ρ2所需要的時間/s；

Vt——儲罐氣體總容積/m3；

q——氮氣的輸入量/（m3/s）；

ρ0——氮氣中水蒸氣的質量濃度/（g/m3）；

ρ1——罐內初始水蒸氣的質量濃度/（g/m3）；

ρ2——置換后罐內水蒸氣的質量濃度/（g/m3）。

3.3 干燥置換用氮量計算方法二

大型LNG儲罐干燥置換不僅要控制罐內露點，同時為防止氣體混合產生危險，還要控制罐內氧含量，根據等壓置換過程中儲罐內氣體濃度的數學表達式[14]，計算得到儲罐置換所需液氮用量和置換時間。

在任一時間t，氮氣充入過程中將儲罐內的混合氣體導出，基本維持儲罐內等壓狀態，儲罐內的氧含量CO2的變化具有如下規律:

式中CO2——儲罐內的氧含量；

t——時間/h；

V——儲罐的容積/m3；

V1——氮氣的充裝速度/（m3/h）。

α實際上是置換充氣速度與儲罐容積之比，由式（4）可知，置換所需的時間取決于α的大小。相應的惰性氣體耗量為V1t。

4 結果分析

4.1 LNG儲罐干空氣吹掃干燥

4.1.1 儲罐內部無水膜

當儲罐水壓試驗后，儲罐內部沒有水膜也沒有水聚集時，采用圖3所示工藝流程制備的干空氣對儲罐進行吹掃干燥，假定吹掃干燥前儲罐內初始露點為30℃，吹掃干燥結束時儲罐內露點達到10℃。將LNG儲罐相關數據及干空氣吹掃干燥相關要求代入式（2）即可求出干空氣吹掃干燥需要的吹掃時間，干空氣用量可由吹掃時間及干空氣流量計算得到。

4.1.2 儲罐內部有水膜

當儲罐內由于水壓試驗后仍殘留大量游離水，在內罐內表面形成水膜或者在內罐底部聚集局部小范圍水時，會消耗較多干空氣，此時的干空氣干燥是干空氣與水膜之間的傳質傳熱過程，屬于典型的絕熱加濕過程。可以根據文獻[9]介紹的干燥計算公式進行計算。

4.2 LNG儲罐氮氣干燥置換

4.2.1 結果分析

根據方法一將LNG儲罐相關參數以及表1相關要求代入式（1）和式（2），計算出罐內露點降至表1規定溫度時所需要的時間為tc1。同理，按照方法二，由式（1）和式（4）計算出所需時間為tc2。

以16萬m3LNG儲罐為例計算可知：tc1=265 h，tc2=153 h，tc1＞tc2，因此，儲罐干燥置換時間需要按方法一計算，即按規范要求的露點計算。得到干燥置換時間后，根據流量大小即可計算得到液氮用量。

4.2.2 工程實例驗證

本文以山東LNG接收站一臺16萬m3儲罐為例，對干燥置換用氮量進行了計算，計算過程未考慮儲罐內部附屬管道及低壓泵等干燥置換，也未考慮干燥置換作業中氮氣泄漏及操作過程中其他氮氣損失；另外干燥置換過程中僅考慮一次壓漲作用，而實際工程中由于B、C、D區較難干燥置換，很可能需要多次壓漲，為保證施工作業順利安全進行，實際作業需要考慮液氮余量。綜合以上各因素，最終液氮用量按照方法一計算結果為814 t，這與山東LNG項目一臺儲罐干燥置換實際施工所用液氮量（834 t）相差不大，因此，該計算方法可行。

5 方案優化

LNG接收站一般有多臺LNG儲罐，干燥置換作業往往是幾臺儲罐同時進行，為提高儲罐干燥置換效率、節約資源以及最大限度縮短工期，可以采用并聯吹掃方式進行儲罐的干燥置換，圖4以兩臺儲罐為例進行了分析，兩臺以上儲罐并聯吹掃方式依次類推。

圖4 LNG儲罐空氣和氮氣吹掃干燥流程

干燥流程為：先對1#儲罐進行干空氣吹掃，當1#儲罐露點降到10℃，轉為氮氣干燥置換作業；同時2#儲罐開始干空氣吹掃，2#儲罐露點降到10℃后，用氮氣開始干燥置換作業。并聯吹掃可以實現1#、2#儲罐氮氣吹掃無時間差，既節省了工期又保證了氮氣的充分共用，減少了氣化器等設備的需求量，節省了設備租賃及現場管理等費用。

6 結論

工程中大型LNG儲罐干燥置換大多采用氮氣持續吹掃方式，液氮消耗大、工期長、作業成本高，另外干燥置換理論計算方法不完善也給干燥置換介質使用量的計算及工期預估造成障礙，從而不能準確地完成施工準備工作，給儲罐干燥置換作業帶來不便。鑒于以上原因，通過對干燥置換工藝的優化以及對干燥置換計算公式的研究后得到以下結論：

（1）為了避免由于儲罐內部濕度較大造成干燥置換消耗液氮較多情況的出現，首先利用熱的干空氣進行吹掃干燥，當露點達到一定值（10℃）后，改為氮氣干燥和置換，在干燥置換實施過程中采取壓漲式干燥置換方法以及并聯吹掃方式，不僅使干燥置換的速度提高，而且減少了液氮用量，節約了成本。

（2）通過綜合考慮含氧量及露點要求，給出了干燥置換的計算公式，并對不同公式的計算結果進行了對比分析，得知按照露點要求計算大型LNG儲罐干燥置換液氮用量更加準確，計算結果與實際工程使用量基本接近，可以作為工程干燥置換計算參考。

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Research and Calculation on Drying and Replacement Process of L arge L NGStorage Tank

Cao Xuewen1，Peng Wenshan1，Ren Dawei1，Wang Ping1，Zhang Nan1，Xu Xiaoting1，Chang Yonglei21.College of Pipeline and CivilEngineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China
2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China

The water pressure test is always taken for the pressure test of large LNG storage tank.The drying and replacement process must be taken after the water pressure test completed.Most tanks are continuously purged with nitrogen，resulting in large consumption of nitrogen，long test duration and high operating costs. Besides，the imperfect theoretical calculation method causes obstacle to the calculation of the drying and replacement medium，and leads to inaccuratelyestimate the amount of medium.In order to save the amount of liquified nitrogen and accurately estimate the replacement volume of nitrogen gas，the hot dry air purge method and the nitrogen purge method are combined and the pressure increasing method is used to perform drying and replacement process for LNG tank.Meanwhile，the calculation method of the amount of replacement medium is given according to the oxygen content and dew point requirements，and the results are compared with the practicalcase in the LNG tank construction site.It is shown that the calculation method based on the dew point requirement proposed in this paper can be used to calculate the amount of liquid nitrogen and the operation time accurately.So，it can be used to provide reference for the tank drying and replacement calculation and construction.

LNG storage tank；drying and replacement；calculation method；process optimization

國家自然科學基金（51274232）和中央高校基本科研業務費專項資金（13CX06074A）資助

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.003

曹學文（1966-），男，山東昌邑人，教授，博士生導師，1986年畢業于華東石油學院，博士，主要從事天然氣處理與加工、油氣水多相流理論及應用、海底管道完整性管理等方面的研究。

2014-06-04；

2014-08-29