卸料期間儲(chǔ)罐壓力變化影響因素

李浩(廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東 珠海 519001)

0 引言

隨著我國(guó)新能源的發(fā)展，進(jìn)口液化天然氣已經(jīng)是我國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和改善能效最有力的措施。中國(guó)天然氣市場(chǎng)需求存在季節(jié)不均勻性，工序峰谷差大，調(diào)峰儲(chǔ)備需求大。由于LNG 接收站在調(diào)峰方面具有快速、靈活等特點(diǎn)，且運(yùn)行成本費(fèi)用較低，所以近年我國(guó)LNG 數(shù)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)[1]。LNG 船舶接卸作為L(zhǎng)NG 接收站運(yùn)行過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)接收站的日常平穩(wěn)、高效運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，因此有必要對(duì)接卸船舶過(guò)程中的控制要素進(jìn)行整理優(yōu)化，文章針對(duì)LNG 船舶接卸過(guò)程中影響儲(chǔ)罐壓力的因素進(jìn)行研究，并提出解決措施，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了措施的可行性以及安全性。

1 LNG 接收站卸船工藝流程

LNG 運(yùn)輸船到達(dá)卸船碼頭后，LNG 通過(guò)運(yùn)輸船上的卸料泵，經(jīng)三條LNG 卸料臂，匯集到一條LNG 卸料總管輸后輸送到LNG 儲(chǔ)罐中。在卸船初期，LNG 船啟動(dòng)預(yù)冷泵用小流量來(lái)冷卻LNG 卸料臂、卸料總管線及輔助設(shè)施。當(dāng)相關(guān)管線及設(shè)備冷卻完成后，再逐漸調(diào)整至全速卸料。卸料操作完成后，需對(duì)卸料臂進(jìn)行排液，并利用氮?dú)鈱?duì)卸料臂進(jìn)行吹掃置換。卸料臂中的LNG 被吹掃干凈后，方可進(jìn)行卸料臂的回收工作。

正常卸料過(guò)程儲(chǔ)罐壓力變化曲線如圖1 所示，預(yù)冷階段，儲(chǔ)罐壓力上升較慢。進(jìn)入加速階段后，儲(chǔ)罐壓力上升速度加快，幅度升高，全速階段儲(chǔ)罐壓力變化較為平穩(wěn)，最后在減速及離泊階段，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 經(jīng)過(guò)混合再次達(dá)到新的平衡。在整個(gè)卸料期間產(chǎn)生的BOG 一部分通過(guò)氣相臂返回船艙，過(guò)剩的BOG通過(guò)LNG 接收站內(nèi)BOG 處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。返回到船艙內(nèi)的BOG 速率與船艙內(nèi)被潛液泵抽走的LNG 減去船艙內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣的速率大致相同[2]。LNG 接收站的BOG 處理量又與外輸量具有很大的關(guān)系[3]。一般情況下，接收站單臺(tái)BOG 壓縮機(jī)運(yùn)行即可滿足日常BOG 處理。

圖1 卸料過(guò)程儲(chǔ)罐壓力變化曲線

2 卸料不同階段儲(chǔ)罐壓力影響因素

2.1 卸料臂預(yù)冷階段

在接收站接卸船的過(guò)程中，對(duì)卸料臂的預(yù)冷是最重要的環(huán)節(jié)和安全控制點(diǎn)[4]。此環(huán)節(jié)影響儲(chǔ)罐壓力的主要原因?yàn)樾读媳垲A(yù)冷過(guò)程中的BOG 蒸發(fā)。卸料臂在未卸料時(shí)處于常溫狀態(tài)，而LNG為-162 ℃的超低溫介質(zhì)，所以必須對(duì)卸料臂進(jìn)行預(yù)冷操作，既可以防止直接卸料導(dǎo)致卸料臂受熱應(yīng)力過(guò)大，又可以有效降低連接法蘭處的泄漏情況，同時(shí)還可以防止瞬間產(chǎn)生的BOG 對(duì)儲(chǔ)罐壓力造成的沖擊[5]。在卸料臂預(yù)冷過(guò)程中，蒸發(fā)的BOG 需要通過(guò)碼頭BOG 管線返回至儲(chǔ)罐后進(jìn)行處理。由于碼頭BOG 管線在非卸料情況下為常溫，所以在卸料臂預(yù)冷過(guò)程中，BOG 返回氣溫度較高，直接影響B(tài)OG 壓縮機(jī)處理量，從而使得儲(chǔ)罐壓力上升。在卸料臂預(yù)冷的過(guò)程中存在兩個(gè)階段，第一個(gè)是船方集管至雙球閥段，此預(yù)冷過(guò)程持續(xù)約30～40 min，第二個(gè)是雙球閥至卸料臂立管段，此預(yù)冷過(guò)程持續(xù)30～50 min。整個(gè)預(yù)冷過(guò)程持續(xù)1～1.5 h。預(yù)冷時(shí)間過(guò)短會(huì)造成卸料臂熱應(yīng)力集中或法蘭泄漏。如果預(yù)冷速度過(guò)慢，由于卸料臂沒(méi)有保溫層，會(huì)導(dǎo)致LNG 蒸發(fā)量過(guò)大，造成儲(chǔ)罐壓力上升過(guò)快。因此在卸料臂預(yù)冷過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制卸料臂預(yù)冷速度。

2.2 加速卸料階段

當(dāng)啟動(dòng)第一臺(tái)卸貨泵運(yùn)行時(shí)，由于卸料管線內(nèi)LNG 為保冷循環(huán)LNG，此時(shí)卸料管線內(nèi)LNG 壓力較高，溫度較高，在通常情況下，碼頭卸料管線壓力為250 kPa 左右，卸料管線溫度維持在-145 ℃。當(dāng)卸料管線內(nèi)LNG 進(jìn)入儲(chǔ)罐后會(huì)產(chǎn)生大量閃蒸，從而引起儲(chǔ)罐壓力上升，以常規(guī)14 萬(wàn)立方米的LNG 船為例，其單臺(tái)卸貨泵正常卸貨速度為2 000 m3/h，珠海LNG 卸料總管長(zhǎng)度530 m 左右，管徑為1.4 m(42寸)，可算出卸料管線內(nèi)LNG儲(chǔ)存量約為460 m3，當(dāng)卸料管線內(nèi)LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐以后，由于壓力突然從250 kPa 降至18 kPa，其溫度需要從-145 ℃降至-159 ℃，此過(guò)程會(huì)有大量的BOG 閃蒸，造成儲(chǔ)罐壓力上升過(guò)快。

來(lái)船前期，通過(guò)加大碼頭保冷循環(huán)量，將卸料總管內(nèi)LNG溫度降低至-152 ℃以下，這樣操作會(huì)使得碼頭卸料管線內(nèi)LNG 處于過(guò)冷狀態(tài)，當(dāng)開始卸料時(shí)，卸料管線內(nèi)的LNG 進(jìn)入儲(chǔ)罐后，閃蒸出的BOG 量將會(huì)減少，根據(jù)測(cè)算，碼頭卸料管線內(nèi)LNG 溫度每降低1 ℃，進(jìn)入儲(chǔ)罐后的BOG 閃蒸量將會(huì)減少760 kg。

如因工藝原因，無(wú)法在來(lái)船前將卸料總管內(nèi)LNG 溫度降低至-152 ℃以下，可采取提前降低卸料總管壓力的措施。在啟動(dòng)第一臺(tái)卸貨泵前，開大卸料管線進(jìn)液閥門，由于卸料立管高度的原因，卸料總管壓力會(huì)降低至170 kPa，此時(shí)卸料管線內(nèi)LNG 會(huì)“提前”進(jìn)行閃蒸，將一部分BOG 先排入儲(chǔ)罐，當(dāng)啟動(dòng)第一臺(tái)卸貨泵后，卸料管線內(nèi)的LNG 進(jìn)行二次閃蒸，此操作方法可以有效延緩卸料總管內(nèi)LNG 閃蒸速率，從而達(dá)到控制儲(chǔ)罐罐壓上升速率的目的。由于卸料管道中過(guò)熱的LNG 會(huì)在開啟氣動(dòng)閥進(jìn)入儲(chǔ)罐并發(fā)生閃蒸導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力波動(dòng)，所以建議在開啟該閥門時(shí)應(yīng)控制打開速度，防止壓力在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)過(guò)大，對(duì)儲(chǔ)罐及管道造成較大沖擊。

根據(jù)儲(chǔ)罐液位及工況，選擇儲(chǔ)罐進(jìn)行加速階段進(jìn)液。在工況允許的情況下，加速階段的LNG 優(yōu)先進(jìn)入液位較低的儲(chǔ)罐，這樣做的原因是由于液位低的儲(chǔ)罐氣相空間較大，當(dāng)閃蒸出相同BOG 量時(shí)，液位低的儲(chǔ)罐壓力變化更小。同時(shí)可根據(jù)接收站儲(chǔ)罐的布局，選擇離碼頭較近的儲(chǔ)罐進(jìn)行加速階段卸料，這樣做的目的是減少卸料總管內(nèi)LNG 置換體積，參與置換的卸料總管內(nèi)LNG 較少，閃蒸出的BOG 量也較小。

2.3 全速卸料階段

在進(jìn)行全速卸料期間，LNG 經(jīng)卸料臂輸送至卸料總管，隨后進(jìn)入儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐內(nèi)將產(chǎn)生正常狀態(tài)下4～6 倍的BOG。BOG產(chǎn)生的主要因素包括卸料臂及卸料管線與周圍環(huán)境熱交換、罐內(nèi)液位上升過(guò)程中罐壁冷卻、兩種不同組分LNG 混合以及LNG 船內(nèi)泵做功等[6]。根據(jù)LNG 進(jìn)罐溫度與船方裝船貨艙信息對(duì)比，船艙內(nèi)的LNG 進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)，因熱輸導(dǎo)致LNG 溫升。對(duì)不同船的LNG 在卸料過(guò)程中的溫升進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知平均溫升在0.3 ℃, 如表1 所示。

表1 LNG船卸貨溫度變化表

甲烷物性如圖2 所示，當(dāng)LNG在-161～-158 ℃區(qū)間時(shí)，LNG 每上升0.1 ℃，其飽和蒸汽壓將上升0.9 kPa。

圖2 甲烷物性圖

由此可以在來(lái)船前根據(jù)船艙內(nèi)LNG 溫度及壓力預(yù)判卸貨后儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 的飽和蒸汽壓力，對(duì)比船艙內(nèi)LNG 相對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 處于過(guò)冷狀態(tài)還是過(guò)熱狀態(tài)。

船方由于艙內(nèi)液位降低，導(dǎo)致艙壓較低，會(huì)進(jìn)行BOG 補(bǔ)氣操作，以滿足船艙壓力的平衡。此時(shí)接收站儲(chǔ)罐壓力上升的因素主要在于：

(1) 儲(chǔ)罐液位上漲造成的氣相空間減少。全速卸料流量正常值為12 000 m3/h，此時(shí)因儲(chǔ)罐內(nèi)液位上漲造成氣象空間減少，引起儲(chǔ)罐壓力上升。

(2) 儲(chǔ)罐上下進(jìn)液對(duì)儲(chǔ)罐壓力的影響。當(dāng)船艙LNG 密度大于儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 密度時(shí)，采用上進(jìn)液，反之，采用下進(jìn)液。此時(shí)船艙LNG 與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 存在密度差與溫度差，在上進(jìn)液過(guò)程中會(huì)隨著LNG 的熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡態(tài)，在此過(guò)程中會(huì)有部分LNG從過(guò)熱態(tài)到飽和態(tài)，另一部分LNG 從過(guò)冷態(tài)到飽和態(tài)，其中的焓差大小決定了BOG 蒸發(fā)量的大小。

(3) 船方返氣量對(duì)儲(chǔ)罐壓力的影響。船方返氣量由全速卸貨速度、船艙保冷程度以及船艙內(nèi)LNG 狀態(tài)決定，當(dāng)靠泊時(shí)，船艙到港壓力較高時(shí)，船方會(huì)選擇延后進(jìn)行補(bǔ)氣，這就容易造成在全速階段儲(chǔ)罐壓力較高，當(dāng)船艙到港壓力較低時(shí)，船方會(huì)選擇提前補(bǔ)氣，并且由于船艙內(nèi)LNG 相對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)處于過(guò)冷狀態(tài)，導(dǎo)致卸料過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)BOG 蒸發(fā)量減少。當(dāng)船艙密度與儲(chǔ)罐密度相差不多時(shí)，可以采用下進(jìn)液，此方法的好處在于采取下進(jìn)液后，位于底部的LNG 需要經(jīng)過(guò)3～4 d 的時(shí)間完成熱交換，達(dá)到儲(chǔ)罐LNG 動(dòng)態(tài)平衡，而這期間位于底部的LNG 吸熱后，因無(wú)法流動(dòng)至表層將BOG 蒸發(fā)出去，所以可通過(guò)低壓外輸進(jìn)行處理，從而減少了BOG 量的產(chǎn)生。當(dāng)蒸發(fā)的BOG 量大于船方返氣及單臺(tái)壓縮機(jī)處理量時(shí)，需啟動(dòng)兩臺(tái)BOG 壓縮機(jī)進(jìn)行罐壓控制。當(dāng)蒸發(fā)的BOG 量小于船方返氣及單臺(tái)壓縮機(jī)處理量時(shí)，需要降低BOG 壓縮機(jī)負(fù)荷防止儲(chǔ)罐壓力下降過(guò)快。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述：

(1) 在LNG 船靠泊前加大碼頭保冷循環(huán)量，降低卸料管線內(nèi)LNG 溫度，在啟動(dòng)首臺(tái)卸貨泵前，降低卸料總管壓力，并根據(jù)儲(chǔ)罐液位及工況，選擇儲(chǔ)罐進(jìn)行加速階段進(jìn)液，可有效降低加速階段儲(chǔ)罐壓力上升速度。

(2) 卸料臂預(yù)冷階段控制卸料臂預(yù)冷速度，確保卸料臂預(yù)冷時(shí)間為1.0～1.5 h，時(shí)間過(guò)短影響預(yù)冷效果，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)產(chǎn)生較多BOG 影響儲(chǔ)罐壓力。

(3) 全速卸料階段，當(dāng)密度相差不大，外輸量有保證的前提下，選擇下進(jìn)液可降低卸料過(guò)程中BOG 揮發(fā)的瞬時(shí)量，防止儲(chǔ)罐壓力上漲過(guò)快。

(4) 根據(jù)船貨信息，與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 物料信息對(duì)比，可預(yù)判卸貨后儲(chǔ)罐平衡壓力，當(dāng)船艙內(nèi)LNG 相對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為過(guò)冷態(tài)時(shí)，可在卸料期間根據(jù)儲(chǔ)罐壓力，停止BOG 壓縮機(jī)有效降低卸船過(guò)程中的耗電量，當(dāng)船艙內(nèi)LNG 相對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 為過(guò)熱態(tài)時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)BOG 壓縮機(jī)，控制儲(chǔ)罐壓力，防止上漲過(guò)快。