大型LNG全容儲罐干燥置換氮?dú)庥昧坑?jì)算方法

張寶和，張?jiān)埽?琦，孫 波，李作偉

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

近年來，國內(nèi)液化天然氣產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，大型LNG全容儲罐（以下簡稱“LNG儲罐”）業(yè)務(wù)量暴增。在LNG儲罐及管道安裝施工完成后，需要進(jìn)行一系列測試工作，會造成其內(nèi)部存在大量游離水和水蒸氣，為避免事故的發(fā)生，必須對LNG儲罐進(jìn)行干燥置換。如果吹掃干燥不徹底，在低溫LNG進(jìn)入儲罐后，有水的部分將瞬時結(jié)成冰，底板鋼板將向上頂起，環(huán)隙空間的珍珠巖將會結(jié)塊，影響其隔熱效果；投產(chǎn)時LNG同樣會使設(shè)備、管道、閥門里的水結(jié)成冰，降低輸送效率，損壞設(shè)備，閥門無法正常啟閉或造成更大的事故。因此，掌握LNG儲罐及其配套管道吹掃、干燥、置換技術(shù)，有助于提高干燥惰化質(zhì)量，提高試車安全，降低未知風(fēng)險，提升行業(yè)核心競爭力[1-3]。

1 LNG儲罐干燥置換

以福建某液化天然氣項(xiàng)目LNG儲罐氮?dú)庵脫Q工程為例，單罐有效工作容積為160 000 m3；設(shè)計(jì)壓力為-1.0 kPa/29 kPa，設(shè)計(jì)溫度為-165℃/+50℃，外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土，罐頂為加強(qiáng)混凝土；罐底、內(nèi)外罐之間的環(huán)形空間及內(nèi)罐吊頂均采用絕熱材料（泡沫玻璃磚、膨脹珍珠巖、玻璃棉和彈性氈）進(jìn)行保冷。

該液化天然氣項(xiàng)目干燥置換工程的施工對象為2 臺全容低溫罐，儲罐內(nèi)徑82 m、外徑84 m。LNG儲罐分區(qū)示意見圖1。

圖1 LNG儲罐分區(qū)示意

通過對國內(nèi)LNG 項(xiàng)目全容儲罐干燥置換相關(guān)技術(shù)資料的調(diào)研和收集，對方案進(jìn)行分析與比選，編制福建某LNG 項(xiàng)目全容儲罐及其配套管道干燥置換方案。

目前的氮?dú)庵脫Q方案主要有兩種：一是用液氮槽車將液氮運(yùn)輸至項(xiàng)目現(xiàn)場，通過氣化器將液氮逐步氣化為低溫氮?dú)猓偻ㄟ^電加熱器/水浴將低溫氮?dú)饧訜嶂脸睾笤僖肴輧捱M(jìn)行置換；二是利用制氮機(jī)將空氣中的氧氣濾出得到純度較高的氮?dú)猓偻ㄟ^干燥機(jī)干燥后得到純度和露點(diǎn)滿足要求的氮?dú)猓詈笠雰捱M(jìn)行氮?dú)庵脫Q[4-6]。

2 氮?dú)庵脫Q用氮量計(jì)算方法

2.1 持續(xù)吹掃式干燥置換

LNG 儲罐干燥置換首先從圖1中A 區(qū)開始進(jìn)行置換作業(yè)，由于B、C、D 三區(qū)空間較小，儲罐運(yùn)行后空間內(nèi)存在蒸發(fā)滲透的BOG 氣體，因此干燥置換工作應(yīng)先針對要求更高的A 區(qū)進(jìn)行，達(dá)標(biāo)后再對B、C、D 三區(qū)進(jìn)行干燥置換。

由N32口引入氮?dú)猓M(jìn)氮流量0～24 h為200 m3/h，24～36 h為750 m3/h，36 h后逐漸提升至2 000 m3/h，關(guān)閉其他出口并對儲罐升壓。當(dāng)壓力提高至10 kPa時，打開N36口放空閥門，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁亢蚇36口閥門的開度，維持壓力在10 kPa，此時進(jìn)行A 區(qū)的干燥置換。采用持續(xù)吹掃方式干燥置換A 區(qū)，將A區(qū)的露點(diǎn)降到-20 ℃，且控制注入氮?dú)獾臏囟缺裙迌?nèi)空氣溫度低10 ℃左右，以利于氣體分層，增強(qiáng)活塞置換效應(yīng)。在干燥置換A 區(qū)的同時打開B 區(qū)放空口N31A/B，對B區(qū)進(jìn)行干燥置換到露點(diǎn)為-10 ℃以下。當(dāng)A 區(qū)和B 區(qū)露點(diǎn)達(dá)到要求后，打開C 區(qū)和D區(qū)的放空口，對C區(qū)和D區(qū)進(jìn)行置換[7-9]。

當(dāng)干燥置換基本合格時，采用持續(xù)吹掃干燥方式維持露點(diǎn)在-20 ℃以下，罐壓仍然保持在10 kPa左右，最后A、B、C、D 區(qū)均達(dá)到干燥置換要求后，將儲罐壓力升高至12 kPa 左右，直至試運(yùn)行。當(dāng)儲罐持續(xù)吹掃干燥置換的施工方式效果不理想時，則選擇對儲罐充壓至10 kPa 左右后將儲罐壓力泄放至1 kPa 左右微正壓，通過反復(fù)操作充壓放壓的方式提高干燥置換效率。

為了確保持續(xù)吹掃干燥方式的應(yīng)用效果，避免露點(diǎn)出現(xiàn)反復(fù)，應(yīng)反復(fù)進(jìn)行充壓、放壓工作。設(shè)第一次儲罐內(nèi)壓力升至10 kPa 過程所需時間為t1，升壓速度為V1，第一次儲罐內(nèi)壓力卸壓至1 kPa過程所需時間為t'1，卸壓速度為V'1，經(jīng)過多次露點(diǎn)監(jiān)測，最終第n次達(dá)到放空口檢測露點(diǎn)低于-20 ℃且氧含量低于4%的要求，充壓、放壓所需時間分別為tn、t'n，升壓、卸壓速度分別為Vn、V'n，qBCD為吹掃LNG 儲罐B、C、D 區(qū)氮?dú)庾⑷氲牧髁浚摂?shù)值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。由此可得持續(xù)吹掃干燥方式所需時間t總（h） 和置換總用氮量q總（m3），見式（1）、式（2）。

2.2 壓漲式干燥置換

LNG 儲罐內(nèi)氮?dú)庵脫Q過程是否完成有兩個指標(biāo)參數(shù)：露點(diǎn)和氧含量（體積分?jǐn)?shù)）。對于壓漲式干燥置換，可以從露點(diǎn)和氧含量兩個角度進(jìn)行氮?dú)庥昧坑?jì)算。

2.2.1 按露點(diǎn)要求計(jì)算氮?dú)庥昧?/p>

當(dāng)N9 出口氣體露點(diǎn)低于-10 ℃時，應(yīng)關(guān)閉儲罐所有放空口，悶罐2 h 后打開A 區(qū)放空口對儲罐進(jìn)行卸壓，控制卸壓速度不超過0.8 kPa/h，當(dāng)罐內(nèi)壓力降至1 kPa 時停止卸壓。再由儲罐的N10 口引入氮?dú)猓瑢捱M(jìn)行升壓，控制升壓速度不超過1 kPa/h，當(dāng)儲罐壓力升高至10 kPa 時，關(guān)閉儲罐所有放空口，儲罐悶罐2 h。此工作循環(huán)進(jìn)行多次直至放空口處氧含量小于4%且露點(diǎn)小于-10 ℃，即A區(qū)干燥置換完成[10-12]。

LNG儲罐按露點(diǎn)要求置換時間計(jì)算公式如下：

式中：tc為儲罐內(nèi)部水蒸氣質(zhì)量濃度由ρ1到ρ2所需時間，s；V為儲罐體積，m3；q為氮?dú)廨斎肓浚琺3/s；ρ0為氮?dú)庵兴魵赓|(zhì)量濃度，g/m3；ρ1為罐內(nèi)初始水蒸氣質(zhì)量濃度，g/m3；ρ2為置換后罐內(nèi)水蒸氣質(zhì)量濃度，g/m3。

令Q1=qtc，式（3）推導(dǎo)如下：

式中：V水為氮?dú)庵兴魵獾目側(cè)莘e，m3；V前為罐內(nèi)初始水蒸氣的容積，m3；V后為置換后罐內(nèi)水蒸氣的容積，m3；m為水蒸氣的質(zhì)量，設(shè)氮?dú)庵脫Q過程中水蒸氣質(zhì)量為定值，kg。

在氮?dú)庵脫Q過程中儲罐體積變化忽略不計(jì)，罐內(nèi)水蒸氣的容積與水蒸氣體積分?jǐn)?shù)成正比，即有：

式中：φ0為氮?dú)庵兴魵怏w積分?jǐn)?shù)，φ1為初始水蒸氣體積分?jǐn)?shù)，φ2為氮?dú)庵脫Q后水蒸氣體積分?jǐn)?shù)。

全容罐內(nèi)氣相空間內(nèi)水蒸氣的露點(diǎn)計(jì)算公式可以用Antoine方程，計(jì)算公式如下：

式中：θ為露點(diǎn)，℃；P0為儲罐的絕對壓力，Pa；φH2O為水蒸氣體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際，分別取值θ1=-40 ℃，θ2=-10 ℃，得到最終得到該項(xiàng)目氮?dú)庥昧坑?jì)算公式為：

A 區(qū)干燥置換工作完成后，對B 區(qū)進(jìn)行干燥置換時應(yīng)嚴(yán)格控制氮?dú)饬髁浚苑乐拐渲閹r從管口被吹出，氮?dú)饬髁扛鶕?jù)罐頂露點(diǎn)變化情況可在80～150 m3/h 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。對C 區(qū)和D 區(qū)干燥置換時，為了防止內(nèi)罐底部變形，氮?dú)饬髁繎?yīng)控制在小于100 m3/h。特別地，在干燥C 區(qū)過程中需注意其與A、D區(qū)的壓差，以免罐底損壞，同時需要保證D區(qū)壓力不超出A、B、C 區(qū)壓力0.4 kPa，A、B 區(qū)壓力不超過15 kPa。干燥置換過程中要時刻觀察儲罐壓力，通過控制氮?dú)饬髁恳约跋嚓P(guān)閥門開度，使儲罐壓力控制在10 kPa 左右。當(dāng)儲罐A、B、C、D 四區(qū)均達(dá)到作業(yè)要求后，將儲罐壓力升至12 kPa，直到試車階段[13-15]。

2.2.2 按氧含量要求計(jì)算氮?dú)庥昧?/p>

LNG 儲罐干燥置換除控制露點(diǎn)外，為防止氣體混合產(chǎn)生危險，同時須控制氧含量。根據(jù)等壓置換過程中儲罐內(nèi)氣體濃度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以計(jì)算得到儲罐置換所需用氮量和干燥置換時間。在任一時間t，氮?dú)獬淙氲耐瑫r將儲罐內(nèi)的混合氣體排出，儲罐內(nèi)基本維持等壓狀態(tài)，排出混合氣體的氧含量CO2計(jì)算公式如下：

式中：Φ0為置換開始前儲罐內(nèi)氧含量（體積分?jǐn)?shù)），取21%；CO2為儲罐排出混合氣體的氧含量（體積分?jǐn)?shù)）；t為干燥置換時間，h；v1為氮?dú)獬淙肓髁浚琺3/h。

令v1/V=α，即充氮流量與儲罐置換容積之比，對上式積分得：

當(dāng)邊界條件t=0時，CO2=0.21，由于置換容積較大，1/V可忽略不計(jì)，可得罐內(nèi)氧含量隨置換時間的函數(shù)關(guān)系式：

置換時間：

對應(yīng)氮?dú)庥昧繛椋?/p>

3 氮?dú)庵脫Q用氮量計(jì)算

3.1 軟件簡介

根據(jù)公式調(diào)研分析結(jié)果及氮?dú)獯祾吒稍镏脫Q技術(shù)研究，綜合工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，編制了儲罐吹掃干燥置換用氮量計(jì)算軟件，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)不同儲罐容積、不同初始條件、不同施工參數(shù)的計(jì)算，適用性廣泛，其界面分為兩個板塊（持續(xù)吹掃式干燥置換、壓漲式干燥置換），實(shí)現(xiàn)了LNG 儲罐干燥置換時間及用氮量的快速計(jì)算，該軟件計(jì)算流程見圖2。

圖2 軟件計(jì)算流程

LNG 儲罐干燥置換的前提是將露點(diǎn)及氧含量吹掃至目標(biāo)值以下，圖2所示軟件計(jì)算流程中選擇計(jì)算數(shù)值較大的方法即可保證干燥置換的兩個前提條件同時滿足。

3.2 軟件計(jì)算結(jié)果

輸入該項(xiàng)目1#LNG儲罐的相關(guān)參數(shù)后，得到計(jì)算結(jié)果并與工程項(xiàng)目實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比擬合，見圖3。

圖3 軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合曲線

圖3 表明軟件計(jì)算結(jié)果與項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)擬合度較高。利用干燥置換用氮量計(jì)算軟件能夠?qū)崿F(xiàn)LNG 儲罐干燥置換時間及用氮量的快速估算，在一定程度上可以縮短作業(yè)工期，減少氮?dú)庀牧浚?jié)約項(xiàng)目成本。

4 結(jié)論

本文推導(dǎo)了大型LNG全容儲罐干燥置換技術(shù)用氮量計(jì)算方法，并且基于兩種干燥置換模型編制了用氮量計(jì)算軟件，與項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)擬合度較高，該軟件可以做到快速計(jì)算氮?dú)庥昧考白鳂I(yè)工期，是更為高效、高質(zhì)量的干燥置換作業(yè)方案，可為儲罐干燥置換理論計(jì)算及施工作業(yè)提供參考。