淺談LNG儲罐的預冷

徐 敬，張朝陽，劉發安，劉清華，白光野，劉 欣，郭 育，顧昊軒

(中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062550)

LNG儲罐作為接收站和天然氣液化廠LNG儲存的核心設備，投資大，建設難度高，其順利投產有著重要的意義[1]。LNG儲罐在操作工況下儲存的是低溫LNG，其工作溫度為-163℃，此種介質為深冷液體，受熱時體積迅速膨脹，在常壓0℃下，1 m3液體可氣化625 m3氣體，而建成后儲罐內為常溫的空氣，若直接進液，液體在罐內常溫下急劇汽化造成罐內壓力迅速升高容易發生儲罐超壓，需對儲罐進行氣體外排以免造成儲罐損壞，但是天然氣屬于易燃易爆介質，直接排放到空氣中有發生爆炸的危險，且直接進液會造成罐體金屬短時間內溫度驟降而產生較大的變形，在較大的溫度應力作用下造成儲罐焊縫撕裂或其他結構損傷。因此在儲罐正式進液、儲存LNG之前需要進行一系列的調試工作，儲罐的預投產工藝流程具體為：水壓試驗→氣密性試驗→儲罐及附屬管線干燥、氮氣置換→儲罐及附屬管線的預冷[2]。預冷這一環節最重要且風險最高，在預冷這一環節中對儲罐緩慢降溫，逐步冷卻，在預冷過程中密切檢測儲罐及附屬設施的狀態及性能，這樣更加安全可靠，也可把預冷收縮產生的泄漏點緊固好。通過預冷，可提前發現設備及管道系統存在的問題和隱患，及時地進行排除，以確保儲罐正式投產時能夠安全正常運行。

1 預冷的原則及目的

1.1 預冷的原則

金屬材料溫度驟降容易造成溫差應力產生較大變形，在溫差應力、焊接殘余應力和其他強度應力的綜合作用下容易造成儲罐焊縫和其他薄弱連接部分的損傷，因此預冷過程中最關鍵點是控制溫度降速率。根據EN14620-5附錄A的規定，儲罐預冷過程中溫度降速率宜為3℃/h，最大不超過5℃/h，罐壁或罐底任意兩個不相鄰溫度傳感器之間的溫度差不宜大于30℃。預冷時要逐步降低儲罐和相關工藝管道溫度，防止溫度驟降影響金屬材料性能產生較大應力而損傷儲罐和管件。

1.2 預冷的目的

在預冷過程中，隨著儲罐溫度的降低，罐體及管線的溫度逐步接近其工作溫度，鋼板、閥門、法蘭密封、管件及各種內部構件和相接管線設備的低溫性能也逐步體現，因此儲罐預冷是檢驗和測試低溫設備和管道低溫性能的最直接最有效的方法，其能夠實現檢驗低溫材料質量是否合格、檢驗焊接質量、檢驗管道冷縮量和管托支撐變化、檢驗低溫閥門的密封性(包括內罐呼吸閥的動作試驗)的目的。

2 預冷的實施

2.1 預冷前的準備工作

2.1.1 管道、閥門的檢查

在預冷之前，需對照儲罐工藝流程圖檢查所有相關的管道、閥門、儀表等本體及附屬設施是否安裝完畢，然后檢查儲罐的電氣儀表控制部分是否滿足使用要求，若檢查過程中發現任何與設計不符或功能不滿足要求的狀況，應及時解決后再進行后續的預冷環節。主要內容包括測試兩個呼閥是否均可以正常開啟；檢查所有氣動閥門的儀表氣壓力是否維持在0.5 MPa以上，儀表氣閥門常開；檢查管道上的安全閥根部閥是否常開，手動放散閥是否常閉，具體情況應根據儲罐具體的配置確定。

2.1.2 儲罐電氣儀表控制部分的檢查

儲罐的主要控制部分包括溫度監測、壓力監測、液位監測、夾層壓力監測、進夾層氮氣壓力監測、閥門控制、液位報警、干粉滅火系統、罐頂起重設備、儲罐照明等功能控制。

2.1.3 管道吹掃

儲罐預冷后就正式進液投產，用于儲存LNG，為保證介質的潔凈和閥門儀表等不出現堵塞，預冷之前需管道吹掃清除管道和罐內焊渣等雜物。預冷前的管道吹掃一定要干凈，如果吹掃不干凈，雜物將在閥門處滯留并結冰從而將會導致閥門凍住。由于低溫管道的閥門大多為焊接，法蘭很少，不利于管道吹掃，因此吹掃一定要采取措施，嚴格控制。施工中建議實行分段吹掃，分段以焊接閥門為界，注意管道施工后要及時密封，防止雜物和雨水進入。為防止碳鋼管道內的鐵銹、焊渣進入低溫管道，碳鋼管道不能向低溫管道吹掃。管道吹掃應由罐內向罐外吹掃，在吹掃時要敲擊管道表面和焊接部位，以便于清除焊渣等雜物，且不能吹掃任何儀表設備。吹掃過程中要檢查儲罐操作平臺儀表管是否有堵塞，卡套連接處是否漏氣(微漏會影響壓力及液位測量準確度，可用肥皂水檢漏)，儀表管露點需維持在≤-40℃。

2.1.4 外圍管道部分的檢查

預冷前應檢查并確認罐池內所有焊接、切割、拋光打磨等動火作業均已完成，確認臨時試壓及吹掃管道已切除、與儲罐本體管道連接符合工藝要求。檢查并確認與儲罐連接的所有工藝管道，均已吹掃且保壓合格。對于進液、出液、泵后回流、泵后回氣、儲罐BOG回收管線等關系到液體的儲存、增壓、儲罐汽化BOG的回收的工藝管線建議露點吹至≤-40℃。

2.2 預冷過程中的注意事項

預冷作為儲罐投產前調試的重要環節之一，為保證預冷工作的安全順利進行，在預冷過程中應注意以下幾點：

(1)預冷區域、排放口處應設置有明顯的警示標記。

(2)在預冷進液過程中操作人員嚴禁離開現場，應至少保證一人在現場槽車處根據工況隨時處理現場情況，一人在中控室密切監測溫度和壓力變化，確保溫度和壓力在規范允許的范圍內變化，若出現變化與規范允許范圍發生偏離的情況，應及時與現場調試人員協商確定解決方案。

(3)進液過程中如出現較大泄漏或者外罐底板溫度嚴重異常時應立即停止卸車作業。

(4)所有操作應在調試人員統一指揮下進行，任何人未經同意不得擅自亂動閥門。

2.3 預冷速度的控制

2.3.1 預冷范圍

LNG儲罐預冷范圍包括儲罐本體和儲罐工藝流程圖中的低溫液相與氣相管道系統(包括管材、管件、法蘭、閥門和儀表等)。

2.3.2 冷卻介質的選擇

根據冷卻介質，儲罐的預冷方法可分為兩種[3]：

(1)液氮加LNG 預冷方法。利用液氮對卸料管道和儲罐進行冷卻，待冷卻溫度達到-120～-110℃，換成LNG 繼續對管道及儲罐進行冷卻。這種方式的預冷介質由昂貴的LNG 換成相對便宜的液氮，節約了預冷成本。同時，由于使用不燃的液氮代替易燃的LNG來進行預冷，提高了儲罐預冷的安全性[4]。

(2)LNG(含BOG)預冷方法。利用LNG 蒸發氣(BOG)對管道及儲罐進行預冷，待管道和儲罐溫度達到-120℃時，通過注入LNG(由儲罐頂部噴淋霧化裝置霧化后)對儲罐進行冷卻。這種方式直接利用接收站場內LNG 資源，但會消耗大量的LNG 產品[4]。

2.3.3 溫度控制

在預冷過程中頂部進液始終打開，底部進液始終關閉，兩個相鄰壁板溫差不能超過10℃，任何不相鄰壁板的溫差不能超過30℃，如果溫差超過上述值，冷卻介質流速需減小(可直接調節槽車出液口閥門開度)。當儲罐罐壁檢測溫度達到-150℃至-160℃時，接近內罐底板處檢測溫度達到-125℃至-135℃可以停止預冷，此時基本滿足進液條件。

3 總結

LNG儲罐投產之前的調試工作是檢驗儲罐施工質量、材料質量和為LNG儲罐正式運行做準備的關鍵環節，在儲罐預冷之前，應制定完善的LNG儲罐預冷方案，根據具體工程情況選擇合適的預冷介質，現場調試人員應安排經驗豐富、有一定儲罐設計和施工基礎的專業人員，儲罐預冷團隊應具有較強的團隊協作能力，在聽從統一指揮的前提下要有靈活應對并解決各種突發事故的能力，只有同時保證儲罐結構設計合理、施工質量合格和投產調試順利進行才能確保儲罐的正式投產。