大型液化天然氣儲(chǔ)罐干燥惰化與質(zhì)量控制淺析

揚(yáng) 帆 張 超 陳銳瑩 付春艷

1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100027；2.中國(guó)國(guó)際工程咨詢公司 北京 100048

為了保證大型液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐干燥、置換和冷卻工程進(jìn)度和質(zhì)量滿足總包要求，避免可燃混合物形成的危險(xiǎn)，在向儲(chǔ)罐引入液態(tài)LNG之前，需使用高純度氮?dú)鈱?duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行干燥和惰化[1]，將儲(chǔ)罐內(nèi)空氣排除，使儲(chǔ)罐內(nèi)露點(diǎn)溫度和氧氣濃度參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，并用氮?dú)獗３謨?chǔ)罐在一定壓力，最后使用環(huán)境溫度下的LNG氣體對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的氮?dú)膺M(jìn)行置換并對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷試車[2]。本文以某項(xiàng)目已建16萬(wàn)m3大型LNG儲(chǔ)罐為例，對(duì)儲(chǔ)罐開(kāi)車前干燥惰化與質(zhì)量控制等技術(shù)方面進(jìn)行介紹。

1 大型LNG儲(chǔ)罐干燥惰化介紹

當(dāng)內(nèi)罐壁板和鋁平臺(tái)保冷及環(huán)形空間珍珠巖填充測(cè)試合格后，將儲(chǔ)罐和所有工藝管線閥門封閉，用高純度干燥氮?dú)鈱?duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行干燥和置換并保持一定壓力[3]， 最后使用環(huán)境溫度下的LNG氣體對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的氮?dú)膺M(jìn)行置換并對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷試車。 圖1為儲(chǔ)罐干燥惰化分區(qū)劃分示意圖

1.1 干燥惰化工藝流程

按照氮?dú)庵脫Q先后順序，分為：(1）內(nèi)罐、及拱頂空間（A區(qū)域）；(2）環(huán)形空間（B區(qū)域）；(3）上部罐底保冷（C區(qū)域）；(4）下部罐底保冷（D區(qū)域）；(5）工藝管道、罐內(nèi)接管（E區(qū)域）。

1.2 干燥惰化目標(biāo)控制要求

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14620以及一般設(shè)計(jì)規(guī)定，干燥惰化目標(biāo)控制要求如下表1所示。

圖1 儲(chǔ)罐干燥惰化（置換）分區(qū)示意圖

圖2 儲(chǔ)罐干燥惰化工藝流程圖

儲(chǔ)罐底部泡沫玻璃磚絕熱層上、下部都是混凝土找平層，罐底在氮?dú)庵脫Q過(guò)程中， 混凝土分子中不斷滲出水分子蒸汽，后期， 氮?dú)庵脫Q氣流帶出的水蒸氣和罐底混凝土找平層中不斷滲出的水蒸氣形成動(dòng)態(tài)平衡，置換難度較大，因此需要合理的技術(shù)置換方案。

表1 大型LNG儲(chǔ)罐干燥惰化要求

2 LNG儲(chǔ)罐預(yù)干燥

儲(chǔ)罐在水壓試驗(yàn)合格且排水完畢后， 罐內(nèi)密閉空間將存在大量的游離水份和水蒸氣[4]，為了保證后期儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍铩⒅脫Q作業(yè)的質(zhì)量和工期滿足要求， 在內(nèi)罐壁板彈性氈和鋁平臺(tái)玻璃棉施工期間，首先對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行第一步預(yù)干燥：即使用大功率鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)流通風(fēng)， 將儲(chǔ)罐內(nèi)部潮濕空氣與外界相對(duì)干燥空氣混合對(duì)流預(yù)干燥。也可采用大功率除濕機(jī)進(jìn)行預(yù)干燥。預(yù)干燥作業(yè)目標(biāo)將根據(jù)項(xiàng)目位置和氣候條件確定。

當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)部所有機(jī)械施工完畢且檢查合格后， 封閉臨時(shí)施工洞口TCO，然后使用移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)、聯(lián)合儲(chǔ)氣罐和冷干機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的干燥空氣，進(jìn)一步對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)步預(yù)干燥：即冷干機(jī)出氣口與儲(chǔ)罐頂部的內(nèi)罐置換管道N8連接， 將干燥空氣輸送到儲(chǔ)罐內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)預(yù)干燥，儲(chǔ)罐壓力保持在7～10KPa，冷干機(jī)出氣口壓力每1h檢查記錄1次， 拱頂環(huán)形空間排氣口N10、N11和內(nèi)罐底排氣口N13每4h監(jiān)測(cè)記錄1次， 當(dāng)連續(xù)監(jiān)測(cè)3次露點(diǎn)溫度為5～8℃時(shí),儲(chǔ)罐預(yù)干燥作業(yè)完畢，使用氮?dú)庹竭M(jìn)行干燥和置換作業(yè)。

3 LNG儲(chǔ)罐氮?dú)飧稍锒杌?/h2>

內(nèi)罐和拱頂區(qū)域首先開(kāi)始置換，帶珍珠巖的環(huán)形空間、頂部和底部保冷空間在內(nèi)罐開(kāi)始置換時(shí)也將開(kāi)始進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，氮?dú)鈴墓绊斖ㄟ^(guò)環(huán)形空間被置換。置換開(kāi)始后，對(duì)氧氣成分和系統(tǒng)中的露點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視，每4小時(shí)監(jiān)視一次，直至氧氣含量、露點(diǎn)達(dá)到要求，檢查所有的讀數(shù)記錄在氮?dú)庵脫Q記錄單中。

3.1 內(nèi)罐及拱頂（A區(qū)域）干燥惰化

在儲(chǔ)罐A區(qū)域干燥和置換過(guò)程前，檢查拱頂內(nèi)罐所有工藝接管閥門都處于關(guān)閉狀態(tài)。

首先將干燥空氣接管拆除并安裝氮?dú)饨庸苤罭8內(nèi)罐干燥置換接管上，打開(kāi)N8管口上的閥門，將經(jīng)汽化器汽化后的干燥氮?dú)庖雰?nèi)罐底部，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行升壓作業(yè)，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力P1達(dá)到12KPa時(shí)，開(kāi)啟N23排氣閥對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的空氣+氮?dú)饣旌蠚怏w進(jìn)行泄壓放空，然后調(diào)節(jié)進(jìn)氣管N8流量和N23排氣閥的開(kāi)啟度，使儲(chǔ)罐壓力維持在10±0.5KPa，開(kāi)始采用持續(xù)吹掃干燥方式對(duì)儲(chǔ)罐A區(qū)域進(jìn)行干燥和置換。

技術(shù)人員隨時(shí)檢查儲(chǔ)罐壓力表讀數(shù)保持在10±0.5KPa，同時(shí)每隔4h抽檢排放口N23氣體露點(diǎn)和氧含量參數(shù)并進(jìn)行記錄比較和分析，當(dāng)采用持續(xù)吹掃干燥方式效果不明顯時(shí)（一般露點(diǎn)為-10℃、氧含量8%左右時(shí)），即可轉(zhuǎn)換為采用間隔保壓法對(duì)儲(chǔ)罐A區(qū)域進(jìn)行吹掃干燥。

采用間隔保壓法進(jìn)行干燥置換時(shí)， 控制儲(chǔ)罐增壓速度小于1KPa/h，泄壓速度小于0.8KPa/h，同時(shí)觀察壓力表P1讀數(shù)，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到15Kpa時(shí)（設(shè)計(jì)壓力為29KPa），保壓30min，然后打開(kāi)罐頂排放管口N23上的排放閥門排放混合氣體，當(dāng)排放到儲(chǔ)罐壓力為2Kpa左右時(shí)關(guān)閉N23閥門， 如此反復(fù)操作2到3回合，然后繼續(xù)采用持續(xù)吹掃干燥方式進(jìn)行干燥和置換，如此反復(fù)交替采用兩種方法進(jìn)行干燥和置換， 直到氣體取樣分析氧氣濃度≤4%， 露點(diǎn)低于-20℃時(shí)， 開(kāi)始進(jìn)行環(huán)形空間區(qū)域B的干燥和置換工作。

置換過(guò)程中，為了防止儲(chǔ)罐壓力過(guò)大，干燥氮?dú)獾牧髁繎?yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，一般開(kāi)始前2h氮?dú)夤?yīng)率≤500Nm3/h，檢查氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)的運(yùn)作情況， 然后緩慢增加氮?dú)夤?yīng)率并應(yīng)控制在≤2500Nm3/h。

3.2 環(huán)形空間（B區(qū)域）干燥惰化

打開(kāi)N10、N11排氣閥門，開(kāi)始對(duì)環(huán)形空間區(qū)域B進(jìn)行干燥和置換。

在此過(guò)程中繼續(xù)監(jiān)視N23排放出氮?dú)庵械难鯕鉂舛群吐饵c(diǎn)數(shù)據(jù)， 當(dāng)N23位置排放氮?dú)獾难鯕鉂舛取?%， 露點(diǎn)低于-20℃時(shí)，即可關(guān)閉排放口N23閥門。

為了避免對(duì)外罐施加過(guò)多的壓力， 調(diào)節(jié)N8進(jìn)氣口閥門開(kāi)啟度，確保儲(chǔ)罐壓力維持在8±0.5KPa，另外由于環(huán)形空間珍珠巖已填充完畢，為了保證區(qū)域B的干燥和置換質(zhì)量，避免產(chǎn)生隧道效應(yīng)（干燥氮?dú)庵淮┻^(guò)內(nèi)罐壁板保冷玻璃氈區(qū)域），所以要求對(duì)環(huán)形空間進(jìn)行緩慢置換和多次檢測(cè)工藝。

每隔2h檢查環(huán)形空間排氣口N10、N11氮?dú)庵械难鯕鉂舛群吐饵c(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)氧氣濃度≤4%，露點(diǎn)低于-10℃時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)罐底板與熱角保護(hù)（TCP）二層底板間C區(qū)的干燥和置換工作。

3.3 上部罐底保冷（C區(qū)域）干燥惰化

打開(kāi)N13排氣閥，引導(dǎo)B區(qū)的氮?dú)馔ㄟ^(guò)混凝土、保冷玻璃磚施工間隙滲透進(jìn)入內(nèi)罐壁板和TCP二層底板間的C區(qū)進(jìn)行干燥和置換。

C區(qū)置換過(guò)程中，嚴(yán)格檢查和控制區(qū)域C與區(qū)域A間壓力表P2≤0.4KPa，防止儲(chǔ)罐底板變形損壞，當(dāng)N13排放口氮?dú)獾难鯕鉂舛取?%時(shí)，露點(diǎn)低于0℃時(shí)，即可進(jìn)行TCP二層底板與碳鋼襯里外罐底板間區(qū)域D的干燥和置換。

3.4 下罐底保冷（D區(qū)域）干燥惰化

開(kāi)啟N5、N7、N12、N14閥門， 引導(dǎo)儲(chǔ)罐內(nèi)部氮?dú)膺M(jìn)入儲(chǔ)罐第二層罐底D區(qū)，打開(kāi)N6閥門進(jìn)行排氣，進(jìn)行D區(qū)的干燥和置換。

在D區(qū)干燥置換過(guò)程中，繼續(xù)監(jiān)測(cè)N13排放氮?dú)庵醒鯕鉂舛龋ㄒ蟆?%），當(dāng)N6、N13排氣閥氣體氧氣濃度都≤4%時(shí)，露點(diǎn)低于0℃時(shí)， 儲(chǔ)罐置換合格完畢， 通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)夤饪刂崎y門，調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐壓力保持在10～15Kpa，防止外界空氣進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部， 每天對(duì)罐內(nèi)氮?dú)鈮毫M(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄并使用外部氮?dú)庠凑{(diào)節(jié)保持要求壓力范圍，直到儲(chǔ)罐與正式閥門和工藝管道連接。

3.5 工藝管道及接管（E區(qū)域）干燥惰化

在進(jìn)行內(nèi)罐空間區(qū)域A和環(huán)形空間區(qū)域B時(shí)，即可打開(kāi)儲(chǔ)罐拱頂泵柱、 進(jìn)液管、DCS系統(tǒng)等工藝管道的閥門進(jìn)行干燥和置換工作。

管道干燥和置換時(shí)，按照每組工藝管線系統(tǒng)，先主管后支管的順序依次進(jìn)行， 最后打開(kāi)放空排凝以及壓力表的控制閥門進(jìn)行干燥和排放該盲點(diǎn)內(nèi)空氣， 排放點(diǎn)氧氣濃度和露點(diǎn)測(cè)試合格后關(guān)閉相應(yīng)管口閥門。

每2h測(cè)量一次管口的氧氣含量和露點(diǎn)，當(dāng)氧氣含量≤4%，露點(diǎn)溫度≤-20℃時(shí)，工藝管道吹掃完畢。

4 質(zhì)量控制要求

LNG儲(chǔ)罐在氮?dú)庵脫Q和干燥完成后，將儲(chǔ)罐加壓至10kPa左右，并保持在這個(gè)壓力之下。 在保持壓力期間，安全閥和真空閥設(shè)備處于正常備用狀態(tài)。根據(jù)氣溫和氣壓的變化，罐內(nèi)壓力微小變化是可以接受的。 氮?dú)庵脫Q過(guò)程中，確保以下要求：

(1)氮?dú)飧稍锖椭脫Q用設(shè)備儀表，在正式作業(yè)前經(jīng)過(guò)標(biāo)定或調(diào)試， 處于合格使用狀態(tài)， 且設(shè)備型號(hào)和能力完全滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)氮?dú)鉁囟?、露點(diǎn)、純度等技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求且具有氣體檢測(cè)報(bào)告。

(3)氮?dú)飧稍锖椭脫Q臨時(shí)管線型號(hào)、布置工藝及氣密和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

(4)儲(chǔ)罐干燥和氮?dú)庵脫Q過(guò)程，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求的工藝流程，并對(duì)儲(chǔ)罐壓力和溫度監(jiān)測(cè)，確保作業(yè)過(guò)程處于受控狀態(tài)。

(5)確保所有操作人員正確使用氧含量和露點(diǎn)檢測(cè)儀，在置換過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)罐各區(qū)域氧氣成分和露點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視， 并將所有參數(shù)進(jìn)行記錄分析。

(6)先對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行氮?dú)飧稍?，然后進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，連續(xù)3次取樣氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)都滿足設(shè)計(jì)要求后，才允許進(jìn)行下一步工作。

(7)考慮到儲(chǔ)罐容量大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，初次吹掃和干燥不可能完全均勻到位，這就要求在對(duì)儲(chǔ)罐干燥置換后，仍需要定期進(jìn)行露點(diǎn)和氧含量檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)露點(diǎn)或氧氣含量不合格，需要繼續(xù)進(jìn)行干燥和置換工作。

5 結(jié)論和建議

以國(guó)內(nèi)某已建大型LNG儲(chǔ)罐干燥惰化為例，期間儲(chǔ)罐與接收站連接管道罐頂關(guān)斷閥全部關(guān)閉， 儲(chǔ)罐罐體置換達(dá)到要求用了20～22d左右達(dá)到規(guī)范要求罐內(nèi)露點(diǎn)≤-20℃、 環(huán)形空間≤-10℃要求； 氧氣濃度在置換開(kāi)始9d左右達(dá)到設(shè)計(jì)要求4%要求。

但罐底保冷層區(qū)域（C、D區(qū)域）干燥效果較差。 氮?dú)饣芈冯m然在混凝土上表面流通過(guò)程不斷攜帶混凝土中自由水（以及結(jié)合晶體水），但是混凝土里面的結(jié)合水不斷散出量和外表面攜帶出去量后來(lái)逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡， 因?yàn)榛炷林薪Y(jié)合水很難在常溫置換中干燥， 所以后期效果不太理想， 露點(diǎn)也很難降下來(lái)?？紤]實(shí)際過(guò)程中各種因素的影響， 針對(duì)底部保冷層和混凝土找平層置換效果不佳的情況，提出以下幾點(diǎn)建議:

(1)嚴(yán)格進(jìn)行施工過(guò)程控制，錯(cuò)開(kāi)玻璃磚以及毛氈之間的相鄰間隙，控制間隙大小，避免出現(xiàn)過(guò)大的通孔。 底部混凝土找平層盡量在完全干燥后進(jìn)行下一道工序作業(yè)。

(2)罐底玻璃磚上表面找平層可以改成干沙結(jié)構(gòu)；罐底保冷結(jié)構(gòu)可以改為內(nèi)罐二層底上面布置承壓環(huán)梁結(jié)構(gòu)， 這樣上部中心區(qū)域找平層也可以用干沙代替，降低了氮?dú)庵脫Q階段難度。

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