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全容式LNG储罐干燥置换工程施工新技术

来源:个人技术集锦
垒 ! !Qg 工程技术 全容式LNG储罐 潘吉龙 中石化第十建设有限公司 山东青岛266555 摘要LNG接收站储罐工程机械完工后,需对LNG储罐内部进行干燥置换。本文以广西液化天然气项目 l6万m NG大型储罐为例,对采用“干空气干燥十压涨式氮气置换”的新型干燥置换施工新技术进 行了叙述。实践证明采用新型施工方法可有效降低LNG储罐干燥置换过程中液氮的使用量和缩短 施工工期。 关键词LNG储罐干燥置换施工新技术 中图分类号TE821 文献标识码B 文章编号1672-9323(20l7)03—0070—06 1引言 随着我国对天然气需求的不断增加,近年来大型 LNG接收站建设迅猛发展。国内大型LNG接收站中 目前,国内外LNG储罐干燥置换基本上全部使用 液氮进行,此方法缺点在于液氮消耗量大、成本很高且 干燥置换周期较长,操作期间安全风险大。因此,如何 降低LNG储罐干燥置换液氮使用量和缩短施工工期, 降低氮气操作安全风险,是国内LNG储罐施工工作的 一的储罐多采用全容式LNG储罐储存净化后超低温状 态(一162 ̄C、一个标准大气压)液化天然气。然而 -162 ̄的液态天然气在进入LNG储罐后,如果有水, 项重要内容。 该部位将瞬时结成冰破坏保冷结构导致储罐保冷失 灵,储罐内与外界热交换加剧,导致液态天然气(LNG) 气化产生大量天然气挥发气使罐内压力不断升高,当 挥发气气量超出设计回收能力时,挥发气将直接排放 本文以中石化广西液化天然气(LNG)接收站工程 l6万m。LNG大型储罐为例,介绍采用“干空气干燥+ 压涨式氮气置换”的新型施工方法进行LNG储罐的干 燥置换。此干燥置换方法可以快速降低罐内露点值,有 至大气,与空气混合会引起爆炸影响储罐的安全运转。 因此,在LNG接收站储罐工程机械完工后,对LNG储 效解决混凝土凝固出的游离水等难点,加快干燥进度, 提高干燥质量,保证干燥置换周期,降低安全风险、降 低氮气用量,降低施工成本。 罐内部进行干燥置换是LNG储罐能否安全运行的重 要环节(使其内部区域空气的露点和氧气含量达到设 计及规范要求)。 2 LNG储罐干燥置换区域划分及指标要求 7『0 I石油化工建设2017.03 r C Technology 工程技术 l6万I17l LNG大型储罐干燥置换过程中不仅需要 对内罐进行干燥置换,还需对储罐内多个夹层进行干 燥置换作业。储罐干燥置换原理应用活塞效应,按照储 管极易形成水珠,因此在干燥置换中露点值极不稳定, 对干燥置换造成困难,特别是最后封门洞区域表现尤 为突出。目前国内已投用的多个LNG接收站项目,在 储罐干燥置换过程中均出现了此类问题。为克服此难 题,我们创新性地采用了“干空气干燥+压涨式氮气置 罐的内部组成结构和干燥置换顺序的不同,将其分为4 个不同区域分别进行。LNG储罐干燥置换分区示意见 图1。 A一内罐及穹顶区;B一环形空问区;C一底板找平层区; D一底部保冷层区 图1 LNG储罐干燥置换分区示意图 LNG储罐整体干燥置换采用气推法,整体顺序为 A区一B区一C区一D区。每个区域采用压涨法进行, 即先充一定压力的气体,然后打开阀门进行泄压,降至 一定压力后再关闭阀门,继续充气升压,如此反复进 行,直至该区域的露点和氧含量符合设计及规范要求, LNG储罐干燥置换各区域技术指标见表l。 表1 LNG储罐干燥置换各区域技术指标 序号 区域 部位 氧含量要求 露点要求 1 A区 内罐及穹顶 ≤4% ≤-20。C 2 B区 环形空间 ≤4% ≤~10℃ 3 C区 底板找平层 ≤4% 无要求 4 D区 底部保冷层 ≤4% 无要求 3干燥置换施工顺序 大型LNG储罐由于建造过程中内罐钢筋混凝土 环梁、找平层均采用混凝土形式(找平层有采用干砂, 但环梁均采用钢筋混凝土结构形式),混凝土结构的含 水特性,导致凝固过程中产生游离水,游离水的置换对 干燥置换难度较入;加之储罐一般建造在沿海地区,日 常空气湿度较大,施工过程中不可避免使罐内空间湿 度较大,出现温差较大时在穹顶、罐壁、底板及罐内接 换”的新型施工方法。首先采用干空气将罐内各干燥区 域露点降至≤~10 ̄C,此步是降低氮气使用量、缩短工 期的关键;然后采用干燥氮气将储罐压力升至l5kPa, 进行压涨式氮气干燥置换。干空气和氮气的气源压力 高于储罐的最高设计压力29kPa。为避免储罐在干燥 置换工程中出现过压的潜在风险,在开始干燥之前,应 在罐顶排气口处安装一个压力值设定在20kPa的临时 安全泄压阀,干燥置换结束后,将其恢复。干燥置换施 工顺序见图2。 图2干燥置换施工顺序 4 16万m。LNG储罐干燥置换施工 4.1气体入口、放空口、检测口的选择 储罐在干燥置换时,干空气和氮气注入fIJ应选择 管径较大的氮气管道,且管道上应安装流量计和压力 表;罐顶各个区间的U型压差计安装调试完毕,以便对 C与A区、C与B区、A与B区间的压差进行监控,便 于随时监测氮气注入的流量和压力、各区间压差。放空 口尽量选择在气体流通的末端,且应该是高点;为避免 形成层流,应有多个氮气排放点,且管径尺寸不大于氮 气注入点的尺寸。检测口尽量选择在气体流通的末端, 同时应满足多点取样、无死角的原则,并根据现场管道 位置,选择方便的检测口。l6万m LNG大型储罐各区 域干燥置换气体入口、放空口、检测口选择布置可参考 石油化工建设201 7 03 J 77 E鱼 工壁 g 工程技术 图3,各区域干燥置换气体入口、放空口、检测口的编号 压缩空气, 除油工序 见表2。 图3储罐各区域干燥置换气体入口、放空口、检测口布置图 表2储罐各区域干燥置换气体入口 放空口 检测口编号 4.2干空气干燥的要求 干空气预干燥的目的是降低罐内各干燥区域露点 值,同时为保证罐内保冷结构不受干空气的破坏,因此 对干空气有如下要求: (1)干空气的流量:干空气的流量越大,干燥时间 越短。但也不能无限增大,一般干空气的流量约5000 Nm /h; (2)干空气除油:为了防止空压机处理后的空气 中带油,将油污吹入管道后对管道造成污染影响,在干 空气使用前要对其进行除油; (3)干空气温度:干空气温度越高,越有利于水分 的蒸发,同时干空气的吸水能力越大,干燥效果越好。 因此,施工期间考虑对干燥空气进行加热,提高干燥效 率。针对干空气加热过程进行优化处理,充分利用空压 机出口处的高温压缩空气的热量对干燥器出口的压缩 干空气进行换热,提高压缩空气的温度,一定程度上节 约了对干空气加热的能量消耗,降低了施工成本。热压 缩干空气制备优化措施示意图见图4。 4.3干空气干燥施工 7’2 l石油化工建设2o17.03 热干空气 注入管线 图4热压缩干空气制备优化措施示意图 干空气干燥施工的顺序由A区至D区,采用持续 吹扫方式逐步对A区、B区、C区、D区进行干燥,将露 点降至≤一10 ̄C。 (1)关闭储罐各出口,打开阀门N7,将干空气(露 点一30℃)引入储罐,逐步提升并控制流量为4500~ 5000m /h; (2)当罐内压力增至15kPa时打开阀门N14,调 节阀f1 N14开度与干空气流量,使储罐压力维持在 15kPa,对A区进行连续吹扫; (3)定时检测罐内气体排出口的露点,当N14出 口排出的气体露点低于一IO ̄C时,A区干空气吹扫作 业结束,关闭N14阀门,调节进气量维持储罐压力小于 等于15kPa; (4)打开N5、N6和N8排气阀门,调节阀门N5、 N6和N8开度与干空气流量,使储罐压力维持在 15kpa,对B区和C区进行连续吹扫; (5)定时检测排除气体出口的露点,当N5、N6和 N8出口排出的气体露点低于-10 ̄C时,逐个关闭N5、 N6和N8管口的阀门,B区和C区干燥结束; (6)关闭阀门N7,将干空气(露点一30℃)接入 N10、N11,调节阀门N9开度与干空气流量,使储罐压 力维持在15Kpa,对D区进行连续吹扫。当N9出口排 出的气体露点低于一IO ̄C时,关闭所有阀门,D区干燥 结束; (7)当A区、B区、C区、D区露点全部稳定后(目 标值一10 ̄C),打开N14阀门对储罐进行卸压,排出干 空气,泄压速度控制在不大于0.8kPa/h。当罐内压力 降为lkPa停止卸压。转入储罐氮气干燥置换流程。 4.4压涨式氮气干燥置换施工 E 工皇 Q 工程技术 储罐内露点降至-IO'C时,采用压涨式氮气干燥 置换方法进行作业,将露点降至-30"(2,含氧量控制低 排空口N14的阀门来维持罐内的压力为10kPa。若在 N5、N6排出的气流中观察到泡沫珍珠岩,则通过调节 于4%。压涨式干燥置换时需严格控制罐内增压和泄压 的速度,增压速度小于1kPa/h,泄压速度小于 0.8kPa/h。 4.4.1 A区干燥置换 (1)打开汽化器将氮气送至罐前平台上的氮气总 管,与N7阀门联通; (2)注入罐内的氮气温度应比罐内空气温度低 5℃以增强活塞效应的层次; (3)打开N7管口的阀门,向储罐内充人氮气,增 压速度小于lkPa/h,通过安装的U型压力计,检查罐 内的压力,直到罐内压力逐步达到约15kPa; (4)打开位于管口N14置换阀,将罐内的“潮湿、 氧含量超标的空气”气体排向大气,同时调整各个阀门 使罐内压力维持在10~12k.PaI (5)调节氮气流量和N14出口阀的开度,使储罐 压力维持在15kPa,对A区进行持续吹扫I (6)N14检测口的露点<-lOX2时,关闭储罐所有 放空口,采用压涨法进行干燥置换,储罐闷罐10h,期 间定时检测储罐露点; (7)开启A区放空口N14的阀门,对储罐进行卸 压,储罐泄压速度控制在不大于0.8l(Pa/h,直至管内 压力降为lkPa停止卸压l (8)对储罐进行升压,增压速度小于1kPa/h;当 储罐压力升高至15kPa时,关闭N7口和所有放空口, 重复进上述(6)的操作,直至A区露点降至一30"C,且含 氧量低于4%, (9)开启Nl1A/B排气检查点,对储罐边缘进行 检测,露点和氧气含量达到内罐置换要求数值时,关闭 N7管口阀门,减少进气量使罐内压力控制并维持在 15kPa,A区干燥置换完成。 4.4.2 B区干燥置换 (1)A区内罐气体的露点比环形空间低,当A区 干燥置换合格后,罐内压力达到10Kpa~15Kpa时,开 始用氮气对环形空间即B区进行干燥、置换; (2)打开环隙空间吹扫N5、N6阀门,将环形空间 内的气体排到大气。通过控制氮气的进气速率或内罐 阀门N5、N6减小流量,若未发现则增加氮气流速,继 续观察,避免珍珠岩出现移动, (3)连续进行B区的干燥置换。由于B区受罐底 混凝土一次找平层的游离水影响,应加长对N5、N6检 测口的观察时间; (4)每0.5h通过安装在N5、N6处的临时压力表 进行压力监控,并在取样口检测含氧量与露点,露点低 于一10℃,且含氧量低于4%时关闭阀门; (5)保压10h监测N5、N6的出口气体的露点温 度和氧气含量,露点和氧气含量达到内罐置换要求露 点低于一10℃且含氧量低于4%时,关闭N5、N6管口 阀门,减少进气量使罐内压力控制并维持在15kPa,B 干燥区置换完成。 4.4.3 C区干燥置换 (1)B区干燥、置换合格后,进行罐底C区的干 燥、置换; (2)开启N8接管阀门,通过N7进气,定时检测 出口,压力维持在10~12kPaI (3)对C区进行连续干燥置换,由于混凝土游离 水原因应加长观察时间; (4)每0.5h测量N8排气口的氧含量,直至达到 文件要求露点低于一10 ̄C且含氧量低于4%;露点和氧 气含量达到置换要求数值N7管口关闭阀门,减少进气 量使罐内压力控制并维持在15kPa,C区干燥置换完 成。 4.4.4 D区干燥置换 (1)在A区、B区、C区干燥置换完成后进行D 区置换工作; (2)开启接管N11A/B和Nl0A/B将氮气由内 罐引入D区,通过N9接管排出; (3)A区、B区、C区压力应保持在10~12kPa, 通过U型压差计检测压力,接管N10A/B注入氮气的 压力应小于罐内及环形空间的压力,防止罐底板变形; (4)对D区进行连续干燥置换; (5)定期测量N9排气口的氧含量,直至达到文件 要求含氧量低于4%视为合格; 石油化工建设2o17.03  l7r3 E垒 工程技术 J 因干燥过程中未发生生成氧气化学反应,故q氧 :0,则公式(1)变为 Vdq ̄=q(①。一①)dt (2) (6)关闭N10A/B进口阀门,将D区的压力排空 封闭,D区置换完成。 4.4.5注意事项及检测 (1)在吹扫过程中为避免气体分层,在罐顶夹角 平衡口位置应进行排空; (2)储罐的升压速度不大于1.2kPa/h} (3)储罐泄压速度不大于0.8kPa/hl (4)罐内压力置换过程中保持压力不小于lkPa; 5.2.1 A区氧气体积分数计算 A区干燥置换过程中,根据施工经验,氮气的体积 流量q=2000m3/h,A区空间置换总体积为223476 m ,代入公式(2),积分后得到氧气体积分数随时间变 化的函数。 (5)罐底保冷与内罐和铝吊顶以上、穹顶以下的 压差始终不高于0.4kPa; A区内罐部分氧气体积分数随时间变化的函数 为: (6)储罐干燥置换完成,各检测口露点及含氧量 达标后,储罐进行密闭72h之后,再次检测各检测口的 ①=0.199exp(-0.01096t)+0.001 (3) A区拱顶部分氧气体积分数随时间变化的函数 为: =露点和含氧量,达到标准要求干燥置换合格; (7)保持储罐压力维持在12kPa,直至试运行。 0.25655exp(-0.01096t)-0.05755exp(-0. 048856t)+0.001 (4) 5干燥置换相关参数计算 5.1 1 6万m3LNG储罐不同区域的干燥置换容积数据 如表3所示。 表3 16万m3LNG储罐不同区域的干燥置换容 l 位置 数值 5.2.2 A区水体 分数计算 A区干燥置换过程采用与氧体积分数同理的推导 方法,可到A区水体积分数随时间变化的函数。 A区内罐部分水体积分数随时间变化的函数为: ①=0.0505exp(-0.01096t)+0.001 (5) 1 储罐气体总容积Vt(m A区内罐部分容积Vt(m A区拱顶部分容积V (m, B\C\D部分容积V (m3) 234256 182539 40937 1O780 A区拱顶部分水体积分数随时间变化的函数为: =0.06510exp(-0.01096t)-0.014599exp(-0. 048856t) (6) 5.2.3 A区氧气体积分数与水体积分数满足要求的论 证 5.2计算论证预先通入干空气的必要性 干燥置换采用液氮气化后进行,液化后的氮气体 积分数99.9%,氧气分数0.1%,设定大气压强为 101.325kPa,空气的体积分数为5.05%,氧气的体积分 设定A区氧气体积分数达到2%,取①=2%代人 (3),得到t=238h,然后将①=2%,e=-20E代入公式 (5)和(6),得到t=377h,将t=377h代入公式(3)和 数为20%。以A区为例,根据由质量守恒定律可知,氧 体积分数可由公式(1)计算 (4),得到此时的氧体积分数为O.42%和0.512%。 由此可见当氧体积分数达到要求时,水露点值不 Vd①=q氧dt+q(①。一①)dt (1) 符合要求;但水露点值达到要求时,氧体积分数已经远 远低于指标要求。 故可以先采用通入干空气对内罐使其内部水露点 降低后,然后再使用氮气对储罐进行置换的方法,来加 快施工进度和降低氮气的使用量。 5.3干空气干燥计算 式中:V为气相空间干燥置换总容积,m ①为储罐内氧气体积分数 q氧为氧气生成量,m /h,氧气体积流量均折算 成标准状态(O oC,101.325kPa) t为干燥置换时间,h q为干燥置换过程中氮气的体积流量,m /h 。为降低氮气的使用量,采用先通入干空气至储罐 内无游离水,且露点达到一lOC时,再用氮气进行干燥 为氮气中氧气体积分数,取值1‰。 74 l石油化工建设2o17.03 蔓鱼 工程技术 ! 置换。故采用露点为一30℃~一40℃的干空气对储罐内 各区域进行吹扫干燥。 罐内露点由-10 ̄C降为一20℃时所需时间及氮气 用量计算: 假定吹扫干燥前储罐内初始露点为30"(2,吹扫干 燥结束时储罐内露点达到-10 ̄C。干空气流量为 5000m /h。将表3中数据代人式(7)可得罐内露点由 30"(2降为-10"C时所需时间为58h,共需干空气量约 288080(考虑了10%的余量)。 内罐压力升为1 5kPa时,通过公式(8)计算需要的 干空气量为495432m (考虑了10%的余量),所用时间 将表3中数据代入式(9)可得:时间265h,氮气流 速约为2000m /h,则共需氮气量约530000m 。(约为 液氮663t)。综合考虑需压涨三次,计算液氮量43。5× 3=130.5t,需要的总的液氮量为130.5+663=795.5t。 通过上述计算可知,储罐干燥置换时间为干空气 干燥时间124h加上氮气干燥的时间265h,共计389h, 总共用氮量约793.5t。本结果未考虑储罐内部附属管 为66h。 因此计算需要的总的干空气量为7835l2m (考虑 了l0%的余量),干空气干燥置换所用时间为124h。 5.4压涨法氮气干燥置换计算 在对储罐内罐进行置换时,先通人氮气对储罐升 压,当储罐内压力达到15kPa左右时,才打开罐顶放空 阀。考虑到LNG储罐置换时,由于工业通风中的全面 通风原理可得到罐内水蒸气或者氧气达到某一质量浓 度所需要的置换时间方程: (9) 式中:t为储罐内的水蒸气或氧气的质量浓度由变 化到所需要的时间,h, V为气相空间干燥置换总容积,m ; q为干燥置换过程中氮气的体积流量,m3/h; p o为氮气中的水蒸气或氧气的质量浓度,g/m ; p 1为罐内初始水蒸气或氧气的质量浓度,g/m ; P 2为置换后罐内水蒸气或氧气的质量浓度, g/m 。 储罐增压阶段,由于温度不变,可以采用玻意耳定 律。所需氮气气体体积可按公式(10)计算: V增=AP V总/patm (10) 式中:V增为储罐增压所需的氮气体积,1TI A P为储罐增压值(储罐增压后的压力与当地大气 压之差),kPa V总储罐空间总干燥置换容积,1TI patm为当地大气压,kPa,取1.017×l05l a 根据公式(10)内罐每次压力升为15kPa时通过计 算需要的液氮量为34790m。(约为液氮43.5t)。 线及低压泵等干燥置换,也未考虑干燥置换作业中氮 气泄漏及操作过程中其他氮气损失,另储罐实际压涨 次数可能大于3次。为保证施工作业顺利安全进行,实 际作业需要考虑液氮余量约40%,液氮量约为1 lOOt。 6结束语 传统储罐干燥置换全部使用液氮进行时,以往正 常情况下每台储罐液氮消耗约为1700t~2000t,液氮 消耗巨大,成本高昂,时间超过600h。经广西液化天然 气项目实践证明“干空气干燥+压涨式氮气置换”的工 艺效果完全满足了设计及规范的要求,每台储罐液氮 用量约为950t~1lOOt,时间约为400h左右,大大降低 LNG储罐氮气置换时液氮的用量及干燥置换的时间。 同时,本工艺是在露点相对稳定后采用氮气干燥和置 换,因此氮气用量相对稳定,液氮使用周期相对较短, 而全过程使用氮气干燥置换,受罐内自身露点差别的 影响,液氮使用的数量浮动很大,不但不容易控制液氮 用量,同时加大了液氮使用周期,对使用液氮带来很大 的安全风险。 参考文献 1 GB/T26978-201 1(觋场组装立式圆筒平底钢制液化天然气储 罐的设计与制益 2吴旭维等((大型LNG低温储罐的干燥与置换》 煤气与热力 2012年07期 3广西液化天然气(LNG)项目接收站工程PID图纸 4贾保印等(伏型LNG低温储罐的干燥与置换》 煤气与热力 2015年08期 5顾安忠 液化天然气技术手册 机械工业出版社IS— BN978-7-l1 1-28573-1 (收稿日期:2017-01—23) 石油化工建设2o17.03 J 75 

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