大型LNG全容儲罐珍珠巖在線填充分析與實踐

1. 廣東珠海金灣液化天然氣有限公司, 廣東 珠海 519001;2. 中海福建液化天然氣有限公司, 福建 莆田 351100

0 前言

自2006年廣東大鵬LNG項目投產以來,國內相繼投產了約19座LNG接收站,投用16×104m3及以上大型LNG全容儲罐超過40個,另有十幾個大型LNG全容儲罐即將投用或正在建設中。大型LNG全容儲罐均采用珍珠巖進行絕熱保冷,投產運營之后會出現不同程度的珍珠巖沉降,若不及時處理將會損壞儲罐內部結構,對生產運營安全造成較大隱患[1-4]。結合珠海LNG接收站3座16×104m3全容儲罐珍珠巖在線填充實例,探討運行中的LNG全容儲罐珍珠巖沉降現象和檢測手段,研究LNG全容儲罐在線填充珍珠巖的控制技術,提煉和總結大型LNG全容儲罐珍珠巖在線充填方法和經驗,有效降低LNG全容儲罐珍珠巖在線填充的安全風險。

1 珍珠巖填充目的及儲罐結構

圖1 LNG全容儲罐保溫結構

2 珍珠巖沉降原因分析及檢測

2.1 沉降原因分析及表象特征

LNG全容儲罐投用后,操作壓力控制在15～25 kPa之間,液位控制在2～32 m之間。儲罐運行時間累積、操作壓力和液位的波動、內罐冷縮變形、罐內設備啟停及卸料引起的震動等都會導致儲罐珍珠巖出現不同程度的不均勻沉降,從而影響儲罐保冷層保冷效果。儲罐珍珠巖沉降的主要表象特征為:儲罐部分外表出現不均勻結露;部分區域出現青苔;儲罐BOG蒸發量明顯增加,出口管線BOG溫度升高;儲罐內部部分溫度監測點出現異常變化。

2.2 沉降檢測

儲罐內部無可窺視系統,無法判斷珍珠巖沉降情況,更無法開啟儲罐進行勘測,只能通過儲罐外表結露、長青苔、BOG溫度升高等表象初步判斷儲罐珍珠巖是否發生沉降。為了更科學和客觀地判斷儲罐珍珠巖沉降情況,借助立體紅外熱成像技術[12-13],在儲罐液位較高或液位較低時對儲罐外壁表面進行全面紅外熱成像∝可見光圖像拍攝檢查,監測儲罐外壁傳熱情況。由于罐壁內外溫差巨大,存在明顯的熱傳遞現象,如果保溫層不均勻或缺失,會形成罐壁表面熱量傳遞快慢的差異。保溫效果差的區域,熱量傳遞速度較快,表面溫度低,對外輻射的紅外線能量少,在拍攝的紅外熱圖像上表現為溫度低的冷區；保溫效果好的區域,熱量傳遞速度較慢,表面溫度高,對外輻射的紅外線能量多,在拍攝的紅外熱圖像上表現為溫度高的熱區。保溫層狀況的差異性形成罐壁表面的溫度分布差異,紅外攝像儀通過獲取被拍攝儲罐罐壁表面的紅外輻射能量,顯示出其溫度分布狀況,形成罐壁表面具有溫度分布信息的紅外熱圖像照片。通過分析紅外熱圖像照片,確定漏冷的具體方位、漏冷面積、漏冷程度、漏冷分布狀態等,對珍珠巖填充順序、預估填充量等填充方案的制定提供直觀依據。儲罐立體熱成像見圖2,儲罐頂部部分區域顏色較深表示漏冷嚴重,可以判斷出罐內珍珠巖的沉降;部分區域顏色均勻溫度正常,可以判斷出該部分珍珠巖保持正常。

a)熱成像漏冷區檢測情況

a)熱成像正常區檢測情況

3 大型LNG全容儲罐珍珠巖在線填充

3.1 在線填充難點

珍珠巖在線填充安全等級要求高,罐內充滿低溫BOG,在線填充時需防止氧氣、水分等隨珍珠巖進入儲罐,低溫BOG排出罐外造成凍傷和發生爆炸;在線填充時如果儲罐內外壓差過大易造成珍珠巖飛濺,顆粒破損,降低保溫效能[14],使填充質量不受控制(與建設期珍珠巖填充不同,運行期珍珠巖在線填充無法開展振搗夯實操作);壓差過小容易使珍珠巖在填充管道內堵塞;儲罐壓力過低BOG蒸發量較大,存在放空風險;儲罐壓力過高,作業過程中罐內天然氣容易泄漏。

3.2 在線充填作業解決方法及思路

圖3 全密封式珍珠巖填充置換裝置

2)控制LNG全容儲罐珍珠巖在線填充過程中的壓力。LNG全容儲罐投用后將壓力控制在15～25 kPa之間,按要求珍珠巖在線填充時儲罐壓力控制在10 kPa內,通過HYSYS軟件初步模擬和計算,若將儲罐壓力由20 kPa降至10 kPa,每噸LNG將閃蒸BOG約25 m3[18-19],短時間內接收站無法完全處理該部分BOG只能通過火炬放空。為減少損失,實行技術改造,采用單罐提前降壓,減少放空,確保填充期間儲罐壓力要求。

3)合理確定珍珠巖在線填充量。采用儲罐立體熱成像技術可以確定珍珠巖沉降的區域,估算預填充量，繪制儲罐珍珠巖填充分布圖，見圖4,再根據儲罐結構和沉降區域計算大概填充量。在填充前需對插入儲罐的填充管道標上多處記號標識,當填充至大概填充量時,拔出填充管道檢查記號標識,以判斷珍珠巖填充情況,當檢測不能滿足要求時繼續填充,直至填充到符合條件滿足要求時停止作業。

圖4 根據熱成像情況繪制的珍珠巖填充分布

4)精準測量珍珠巖填充高度。珍珠巖填充完成后,需對填充高度進行準確測量,為防止罐內低溫BOG泄漏和大量珍珠巖噴出,無法采用常規方式測量,通過技術改造,采用“毛細血管法”測量珍珠巖填充情況[20]，見圖5。珍珠巖填充完成后抽出填充管,在隔離閥法蘭頂面安裝密封彈性墊片(中間開孔直徑10 mm),將6 m長薄壁銅管(壁厚2 mm,頂部裝有球閥)底部從彈性墊片中間空垂直插入,打開隔離球閥,銅管垂直緩緩下探,打開銅管頂部球閥,觀測銅管頂部球閥冒氣情況,均勻冒出珍珠巖后,停止下探深度并在銅管上做好記號,關閉隔離閥,拔出銅管,即可計算出填充高度。設定測量銅管標識處的下探深度為L,假設罐外閥門組總成高度1 000 mm,儲罐填充口至珍珠巖頂部高度設計要求≤2 400 mm,當L測值=1 000 mm+2 400 mm≤3 400 mm時,證明某填充口合格[21-23]。

圖5 “毛細血管法”測量珍珠巖填充高度示例

4 珍珠巖在線填充實踐

4.1 在線填充前開展儲罐降壓操作

為減少BOG火炬放空,通過技術改造和工藝優化,珠海LNG接收站采用“單罐降壓，雙罐控壓”操作方式,見圖6,即控制儲罐B、C中BOG出口閥門開度,維持儲罐B、C處于正常壓力狀態(20～24 kPa),將集中BOG處理富裕能力對儲罐A進行降壓,降壓完成后根據實際工況,維持儲罐A壓力在10 kPa內,調整儲罐B、C中BOG出口閥門,維持接收站BOG系統的正常運行,避免了火炬放空。

圖6 單罐降壓,雙罐控壓流程

4.2 閥組及管線安裝

每座儲罐在建設中都留有珍珠巖填充口,珍珠巖填充前需要安裝填充閥組,在安裝過程中應采取有效接地防靜電措施,布置干粉滅火器材,選擇防爆作業工具等,確保作業全過程安全。安裝時首先拆除儲罐填充口原有盲板,然后用橡皮塞堵住儲罐填充口,清理法蘭面;再從下向上依次安裝填充閥組、填充管線、閥門總成(下為6″變4″的變徑法蘭連接4″球閥,1″=2.54 cm)、4″沉頭法蘭、封板(填充作業時封板拆除),填充軟管(填充作業時球閥開啟,平時關閉)依此穿過沉頭法蘭和閥門總成進入儲罐填充位置,見圖7～8。

圖7 閥組安裝

圖8 閥組安裝后實物

4.3 珍珠巖在線填充過程控制

填充設備放置在儲罐頂部填充作業區域,將已發泡的珍珠巖填充至珍珠巖料倉,每次填充裝料1.2 m3(6袋),關閉填料倉入口進行氮氣置換干燥,置換測試合格后,開啟氮氣驅動珍珠巖經填充軟管進入儲罐,完成填充后對填料倉降壓，重新向填料倉填充珍珠巖,依此操作,直至測得填充高度滿足設計要求為止。填充工藝流程見圖9。

圖9 填充工藝流程

4.4 填充過程中珍珠巖填充高度測量

珠海LNG接收站根據儲罐設計要求,鋁浮盤至珍珠巖堆最高點,高度≥2 300 mm,確保珍珠巖在鋁浮盤外緣環形空間內有足夠富余量,保證珍珠巖沉降后仍有足夠的高度(≥100 mm)覆蓋在鋁浮盤及環形空間頂層[11-12],現場采用“毛細血管法”測量可得珍珠巖高度為2 350 mm,滿足設計要求。

4.5 珍珠巖在線填充完成后效果

4.5.1 儲罐保溫效果明顯改善

珍珠巖填充過程中儲罐A各監控點溫度逐步回升至正常狀態見圖10,BOG蒸發率明顯減少,出口BOG溫度明顯降低,儲罐整體運行壓力降低,儲罐A珍珠巖填充前后對比情況,見表1。

4.5.2 儲罐立體熱成像監測

珍珠巖填充完成后,在同一位置采用儲罐外墻紅外熱成像∝可見光圖像拍攝檢測,通過對比填充前后的紅外熱成像圖,檢驗儲罐珍珠巖在線填充效果,確認漏冷區域紅外圖像消失,儲罐外表壁溫度分布均勻,溫度正常。填充前后熱成像情況,見圖11～12。

圖10 珍珠巖填充過程中監控點溫度回升情況

表1珍珠巖填充前后對比情況

項目填充前填充后5月27日5月28日10月29日10月30日0∶008∶0016∶000∶008∶0016∶000∶000∶008∶0016∶000∶008∶0016∶000∶00液位/mm18 92118 91418 90518 89718 88918 88018 87221 06521 06121 05621 05221 04721 04221 038環境溫度/℃2827302927312925242625232826BOG出口溫度/℃-77-90-79-94-92-88-84-114-119-120-118-122-116-119儲罐壓力/kPa23.323.523.523.423.523.623.521.621.721.821.721.721.821.6LNG密度/(kg·m-3)435435435435435435435437437437437437437437蒸發率/()6.286.286.286.286.286.286.284.014.014.014.014.014.014.01

圖11 填充前漏冷區域熱成型圖(左上藍色)

圖12 填充后漏冷區域消失

5 結論

1)現場操作過程中能夠通過儲罐外觀表象、罐內監控點的異常變化及工藝異常情況,初步判斷LNG全容儲罐珍珠巖是否沉降。

2)通過儲罐熱成像圖能夠分析出儲罐珍珠巖沉降情況和評估填充效果,在制定填充方案和填充實踐過程中有較大參考意義。

3)采用“毛細血管法”能夠精準測量珍珠巖填充高度,降低安全風險。

4)全密封式珍珠巖置換填充設備能夠滿足LNG儲罐的珍珠巖在線填充要求。

5)采取“單罐降壓,雙罐控壓”的方式能夠控制儲罐壓力,避免火炬放空。

6)建設期在儲罐頂部珍珠巖預留口加裝永久球閥,可以降低閥組及管線安裝風險。

7)設計過程中在儲罐頂部增設內部溫度監測點,可以開展珍珠巖沉降預警。