2 400m3液態(tài)CO2子母罐建造

吳國(guó)俊 亢海州

(國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥通用機(jī)械研究院)

長(zhǎng)嶺1號(hào)氣田是吉林油田CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)的首次工業(yè)化應(yīng)用。CO2作為油氣井回注氣，既避免了溫室氣體排放，又提高了油田產(chǎn)收率。CO2捕集與埋存(CO2Capture Storage, CCS)技術(shù)是解決全球氣候變暖最具發(fā)展前景的解決方案之一。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)溫室氣體研究與發(fā)展計(jì)劃的評(píng)估，全球具有足夠的CO2埋藏潛力。其中，廢棄油田可埋藏125Gt，廢棄氣田可埋藏800Gt[1]。

由于單純的CO2捕集與埋存是用經(jīng)濟(jì)成本替換環(huán)境成本，為了提高經(jīng)濟(jì)效益， CCS技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镃CS-EOR(Enhanced Oil Recovery)技術(shù)，即CO2捕集、埋存與提高油氣田采收率一體化技術(shù)。如今我國(guó)陸上第一塊高含CO2氣田——吉林油田長(zhǎng)嶺氣田首次將CO2捕集、驅(qū)油和埋存一體化配套技術(shù)工業(yè)化、規(guī)?；?，裝置完全建成后預(yù)計(jì)年處理天然氣120萬(wàn)t，周?chē)蜌馓锊墒章侍岣?0%～50%。

根據(jù)采氣規(guī)模和考慮到后期增產(chǎn)，建造了兩臺(tái)2 400m3國(guó)內(nèi)首套液態(tài)CO2子母罐儲(chǔ)罐系統(tǒng)。經(jīng)分離、壓縮和冷卻液化后送入儲(chǔ)罐系統(tǒng)暫存。液態(tài)CO2一路經(jīng)裝車(chē)系統(tǒng)外運(yùn)至目的油田進(jìn)行回注提高油氣采收率或作為商品外銷(xiāo)；一路經(jīng)管路送至CO2腐蝕模擬撬。

1 CO2子母罐結(jié)構(gòu)形式

1.1 主體結(jié)構(gòu)

液態(tài)CO2儲(chǔ)罐系統(tǒng)采用了子母罐的結(jié)構(gòu)形式[2](圖1)，一臺(tái)母罐內(nèi)包含10臺(tái)子罐。為了保冷，子罐和母罐之間的空間、子罐底部裙座內(nèi)的空間均填充膨脹珍珠巖。其中子罐是承裝液態(tài)CO2的Ⅱ類(lèi)壓力容器，按照壓力容器設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)管理；而母罐屬于常壓容器，僅僅作為子罐與母罐之間保冷材料的包容體。

圖1 子母罐總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 管路結(jié)構(gòu)

每臺(tái)子罐均設(shè)置兩路進(jìn)液，分別為上部進(jìn)液和底部進(jìn)液。10臺(tái)子罐的所有出、入口管路都先在母罐內(nèi)匯入總管，然后再進(jìn)出母罐與絕熱層外界管路相連。

子罐上部進(jìn)液管通過(guò)每臺(tái)子罐的壁板進(jìn)液口進(jìn)液，底部進(jìn)液管通過(guò)子罐下部封頭相連的進(jìn)液總管將液體輸送到每臺(tái)子罐；每臺(tái)子罐下封頭設(shè)置一根出液管并通過(guò)裙式支座出口引至排液管主管集中排液；各子罐上封頭設(shè)有一個(gè)排放口，上部夾層空間設(shè)置一根排空主管，將各子罐的排空管引至該排空主管集中排放。排空主管通過(guò)干管引出母罐排空，設(shè)置兩個(gè)低溫安全閥，并設(shè)置一根干管作為超壓放空管，設(shè)置一個(gè)手動(dòng)放空閥和一個(gè)自動(dòng)放空閥，自動(dòng)放空閥通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3 控制結(jié)構(gòu)

每個(gè)子罐在上部、中部和下部各設(shè)一個(gè)熱電阻溫度計(jì)接口，其測(cè)量信號(hào)遠(yuǎn)傳至中控室。母罐夾層上部、中部和下部每圈均布4個(gè)鉑熱電阻溫度計(jì)接口，其測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器傳至中控室。

每臺(tái)儲(chǔ)罐設(shè)置有兩套完全獨(dú)立的就地液位檢測(cè)系統(tǒng)，可以用于向中控室輸送4～20mA的液位信號(hào)；每臺(tái)子母罐設(shè)置有子罐和夾層的就地壓力表和壓力變送器，用于將子罐和夾層的壓力以4～20mA的信號(hào)輸出給控制室。

子罐底部液態(tài)物料出口總管與子罐頂部氣相總管引出自增壓管路設(shè)一套電加熱汽化器，排量滿(mǎn)足工作壓力2.1MPa下48m3/h，電加熱器與子罐安全閥之間設(shè)低溫薄膜調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖。

2 CO2子母罐設(shè)計(jì)參數(shù)

CO2的儲(chǔ)存一般分為室溫高壓法和低溫液化法。由于液化后其體積將大為降低，如果大量存儲(chǔ)一般選用低溫法。根據(jù)CO2的臨界壓力和基礎(chǔ)條件，子母罐設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 子母罐設(shè)計(jì)參數(shù)

3 子罐制作及安裝

兩臺(tái)子母罐系統(tǒng)共計(jì)20臺(tái)子罐，設(shè)計(jì)壁厚38mm、內(nèi)徑3 800mm、總長(zhǎng)度近28m，整體供貨。在車(chē)間內(nèi)下料、卷板，并利用埋弧自動(dòng)焊焊接所有筒節(jié)的環(huán)縫、縱縫，RT探傷，Ⅱ級(jí)合格。整體熱處理并水壓試驗(yàn)合格后涂裝、裝車(chē)。子罐放置在運(yùn)輸車(chē)輛專(zhuān)門(mén)制作的鞍座上，并用枕木、橡膠墊襯，最后用鋼索固定好。路途中對(duì)子罐固定情況抽檢，如有松動(dòng)，要求及時(shí)處理。

子罐運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，由吊車(chē)指揮協(xié)調(diào)卡車(chē)司機(jī)站位，盡可能靠近最佳吊位。一臺(tái)400t汽車(chē)吊起吊后，卡車(chē)退出現(xiàn)場(chǎng)。將子罐重新放于地上，枕木墊支。主吊車(chē)更換吊位，并有一臺(tái)160t汽車(chē)吊溜尾。子罐完全吊起豎直后，160t吊車(chē)脫開(kāi)鋼絲繩，由主吊車(chē)一次性吊入正確的安裝位置，并初擰地腳螺栓。利用經(jīng)緯儀，調(diào)整墊鐵，當(dāng)垂直度滿(mǎn)足要求后，實(shí)現(xiàn)地腳螺栓終擰。20臺(tái)子罐上下垂直度誤差在3～9mm，高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 母罐制作及安裝

母罐屬于常壓罐，在安裝現(xiàn)場(chǎng)外圍設(shè)立了專(zhuān)門(mén)的預(yù)制場(chǎng)地。鋼板到貨檢驗(yàn)合格后，開(kāi)始下料、卷板。卷板完成并用樣尺檢測(cè)合格后，統(tǒng)一對(duì)壁板噴砂除銹、刷涂富鋅底漆兩道。

每臺(tái)母罐含有30塊拱頂瓣片，卷板合格后，焊接加強(qiáng)筋。要求加強(qiáng)筋焊縫必須避免形成十字焊縫。最后噴砂、刷油，晾干。

考慮到子罐已經(jīng)吊裝就位，母罐壁板采用大型儲(chǔ)罐常用的倒裝法施工，壁板、旋梯焊接并探傷合格后，在母罐頂部搭設(shè)腳手架進(jìn)行拱頂瓣片安裝。拱頂瓣片根據(jù)預(yù)先排好的序號(hào)，用25t汽車(chē)吊裝就位，組焊。開(kāi)檢查孔，補(bǔ)強(qiáng)，安裝接管和各種安全附件、儀表設(shè)備。

5 珍珠巖填充

子母罐本體和各種內(nèi)件安裝完畢，開(kāi)始實(shí)施絕熱材料填充。珍珠巖是含結(jié)晶水的硅酸鹽，加熱至1 200℃左右，結(jié)晶水分子汽化時(shí)，會(huì)將珍珠巖分子膨脹為空心球體[3]。珍珠巖原料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后需對(duì)原料進(jìn)行檢驗(yàn)，加熱膨脹設(shè)備安裝就位并調(diào)試完成后，先填充子罐各個(gè)裙座里面空間，以保證冷能從罐底散失。

利用子罐裙座4個(gè)排氣孔，將填充管深入裙座內(nèi)開(kāi)始自動(dòng)填充。開(kāi)始填充后，及時(shí)抽檢膨脹

珍珠巖顆粒的密度和堆積角。密度影響膨脹珍珠巖的絕熱系數(shù)，堆積角影響填充完整度。

當(dāng)裙座其他的排氣孔開(kāi)始有膨脹珍珠巖飛出時(shí)，并不能判斷已經(jīng)填充完畢。應(yīng)該盡量將填充管深入裙座內(nèi)，靠近下封頭最低點(diǎn)先填充完畢；之后分別從4個(gè)排氣孔再填充一次，確保填充質(zhì)量。

裙座內(nèi)填充完畢后，封閉母罐下部所有人孔、接管。然后從母罐頂部開(kāi)始填充子罐與母罐之間的空間。注意定時(shí)更換填充位置，確保填充均勻。填充時(shí)，非填充接管口必須做好封堵，以免造成環(huán)境污染。初次填充完畢后，停止48h。膨脹珍珠巖自然沉降基本完成后，再補(bǔ)充填充至結(jié)束，并封閉母罐頂部人孔。

6 儀表調(diào)試

每臺(tái)子母罐系統(tǒng)包括30個(gè)子罐溫度測(cè)定單元、12個(gè)母罐夾層溫度測(cè)定單元，兩臺(tái)子罐壓力測(cè)定單元，一臺(tái)夾層氮?dú)鈮毫︼@示單元，兩套差壓式子罐液位測(cè)定單元(兩臺(tái)就地顯示，兩臺(tái)遠(yuǎn)傳)，兩臺(tái)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。

42臺(tái)溫變選用的是羅斯蒙特一體化溫度變送器，每一臺(tái)都包括兩根Pt100熱電阻和兩套引線(一用一備)。為了維護(hù)、檢修方便，特意將每臺(tái)溫變的6根引線接至母罐外操作平臺(tái)。即使有熱電阻或引線失效，也可以在操作平臺(tái)方便更換。

差壓式液位變送器將頂部氣相壓力引至操作平臺(tái)匯總后分別送至4臺(tái)儀表低壓端。

薄膜調(diào)節(jié)閥檢查減壓閥是否有堵塞，電磁閥的行程開(kāi)關(guān)是否正確，閥位指示器工作是否正常。一般配合中控室選擇手動(dòng)調(diào)試完畢合格后，再切換至自動(dòng)狀態(tài)，由中控室給出模擬聯(lián)鎖信號(hào)，判斷閥門(mén)工作是否正常。

7 結(jié)束語(yǔ)

兩臺(tái)國(guó)內(nèi)容積最大的CO2子母罐自2009年12月投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行平穩(wěn)，絕熱效果極佳，為長(zhǎng)嶺氣田CO2捕集埋存與提高油氣田采收率一體化技術(shù)的順利實(shí)施提供了有力的儲(chǔ)存保障，子母罐的建造受到了業(yè)主的充分肯定。

[1] 張麗君. 二氧化碳捕集與地下埋存國(guó)際進(jìn)展[J]. 國(guó)土資源情報(bào), 2007,(11):16～21.

[2] 郭懷東. 大型低溫液體貯存站貯罐設(shè)計(jì)選型論證[J]. 深冷技術(shù), 2004,(1):24～28.

[3] 李海春, 劉立冬. 膨脹珍珠巖制作和充填技術(shù)對(duì)絕熱性能的影響[J]. 深冷技術(shù), 2002,(3):33～34.