大型LNG低溫儲罐的干燥與置換

摘 要

摘要：LNG低溫儲罐干燥與置換的目的是降低儲罐的露點和氧氣含量，防止LNG首次進入儲罐時與空氣混合引起爆炸。結合工程實例，探討了LNG低溫儲罐空氣干燥和氮氣置換的方法，對干
    摘要：LNG低溫儲罐干燥與置換的目的是降低儲罐的露點和氧氣含量，防止LNG首次進入儲罐時與空氣混合引起爆炸。結合工程實例，探討了LNG低溫儲罐空氣干燥和氮氣置換的方法，對干燥和置換結果進行分析，提出了建議，認為可以對罐底保冷空間不做干燥和置換要求。
    關鍵詞：低溫儲罐；LNG儲罐； 干燥； 置換； 露點； 氧氣含量
     Abstract：The purpose of drying and conversion of LNG cryogenic tank is reduce the dew point and oxygen content in the tank to prevent the explosion caused by mixture of incoming LNG and air．The methods of air drying and nitrogen conversion in LNG cryogenic tank are discussed with an engineering example，and the result of drying and conversion is analyzed．It is suggested that the cold insulation
space at the tank bottom does not need the drying and conversion．
    Key words： cryogenic tank；LNG tank；dryin9； conversion；dew point； oxygen content
    在儲罐首次儲存LNG之前，應對其進行干燥和置換阻[1-3]，以降低儲罐內(nèi)的露點和氧氣含量，防止LNG進入儲罐時與空氣混合引起爆炸。本文對國內(nèi)某LNG接收站中1座儲氣容積為l6×104m3的儲罐的干燥和置換方法及其結果進行分析，提出一些建議。
1干燥與置換
    對儲罐的置換方式有4種：大氣壓力稀釋置換法、壓力(循環(huán))置換法、抽真空法以及燃氣直接置換法[4-7]。由于LNG儲罐為常壓大型儲罐，且結構與普通鋼制容器不同，因此采用大氣壓力稀釋置換法進行氮氣置換。即氮氣從一端進人儲罐，罐內(nèi)空氣或其他氣體被置換排放到另一端的大氣中，系統(tǒng)在大氣壓力下進行置換。
 ①干燥和置換空問
 干燥和置換空間分為主密閉、次密閉空間(見圖1)。底部保冷空間為次密閉空間，主要由玻璃磚等保冷材料構成；次密閉空間以外的儲罐空問為主密閉空間，主要為盛裝LNG的內(nèi)罐空間、容納BOG的拱頂氣相空間及充裝膨脹珍珠巖的環(huán)形空間。
 ②空氣干燥
 為降低儲罐空間的露點，節(jié)省氮氣用量，先采用干燥熱空氣進行除濕，初步降低各個區(qū)域的露點。干燥前，在拱頂人孔和所有管嘴處安裝頂蓋，以防止?jié)駳膺M入儲罐。安裝干燥熱空氣和氮氣的臨時供給管路，啟動空氣供給設備，監(jiān)測放空區(qū)域的露點。當所有區(qū)域的露點均降低到一定值后，用氮氣進行置換(氮氣置換的同時對儲罐進一步進行干燥)。
 

    圖1 干燥和置換空間
 ③氮氣置換
 氮氣置換需先置換內(nèi)罐后置換環(huán)形空間，以避免置換過程中對內(nèi)罐壁板產(chǎn)生額外的壓力。置換管路見圖2。置換方法為：首先打開A閥和8閥，氮氣從A閥進入，進行內(nèi)罐和拱頂?shù)闹脫Q；然后關閉B閥，打開c閥進行環(huán)形空間的置換；接著關閉c閥，打開D閥進行內(nèi)罐罐底干砂層的置換；最后關閉D閥，打開E閥和F閥進行底部保冷空間的置換[8]。
   

圖2置換管路
    根據(jù)充氮速度，每隔一段時間觀察并記錄壓力表讀數(shù)以及采樣口的氧氣含量和露點，當氧氣含量和露點達到要求時，置換工作結束。此時，需要用氮氣使儲罐維持一定的壓力，以防濕空氣再次進入。
2結果分析
    BS ENl4620：2006((現(xiàn)場組裝存儲 – 165-0℃冷凍液體的立式圓筒平底鋼質(zhì)儲罐的設計與建造標準》規(guī)定，儲罐內(nèi)部應干燥至最高露點為一20℃，環(huán)形空間在填滿珍珠巖的情況下最高露點應干燥至一8℃，而對底部保冷空間的露點不做要求；對儲罐進行置換后，應使儲罐內(nèi)氧氣的體積分數(shù)小于等于9％，對底部保冷空間的氧氣含量也不做要求。該儲罐的干燥和置換結果見表1。

    氮氣在內(nèi)罐和拱頂氣相空間流通時沿途的阻力很小，所以該區(qū)域干燥和置換效果很好，氧氣含量和露點實測值均小于目標值。拱頂氣相空間的置換貫穿整個置換過程，大部分死角空隙在足夠長的時間內(nèi)會被氮氣滲透，從而使該區(qū)域的氧氣含量和露點實測值達到目標值。環(huán)形空間自上而下進行置換，充實的珍珠巖之間的空隙遠遠小于內(nèi)罐和拱頂，氣流沿途阻力較大，但前期珍珠巖膨脹填充整個空間，幾乎沒有水汽進入，其初始露點比較低，因此置換效果也較理想。然而底部保冷空間以及內(nèi)罐罐底干砂層的置換結果未能達到目標值，其主要影響因素為：
    ①液珠
    底部保冷層和罐底部干砂層的施工期較長，特別是邊緣位置的保冷層在混凝土外墻澆筑階段就已經(jīng)開始施工(有些項目邊緣位置保冷層在拱頂氣升之后進行)。該區(qū)域長期暴露在潮濕的海洋性大氣中，且在拱頂預制時可能存在雨水滲漏，因此濕度較大，甚至在某些局部區(qū)域會形成小液珠。由于保冷層的保冷和致密性，液珠不易被周圍環(huán)境汽化，而是大量附著在保冷材料上。底部邊緣位置保冷層(玻璃磚)見圖3。

圖3底部邊緣位置保冷層(玻璃磚)
 
 
 
    從干燥和置換結果可知，如果該區(qū)域的水以水蒸氣形式存在，則露點也應該與氧含量一樣達到目標值。既然氧含量達標而露點不達標，說明該區(qū)域的水部分以液珠形式存在。采用大氣壓力稀釋置換法要求氮氣供給速度不能過快，以使氮氣和空氣問存在一個穩(wěn)定的界面，避免氮氣與空氣大量混合，影響置換效率。然而，想要汽化附著在保冷材料上的液珠，要么提高氮氣的供氣速度，要么延長置換時間，而這些都與氮氣置換要求和經(jīng)濟成本相矛盾。
    ②溫度和流動阻力
    保冷層傳熱系數(shù)小，環(huán)境溫度變化對底部保冷層的影響很小。因此置換前，通過直接輸入大量的干燥熱空氣，使大部分液珠汽化并隨空氣流而被置換出保冷層。然而在保冷層和罐底部干砂層中，玻璃磚、毛氈以及干砂之問的問隙很小，氮氣沿途所受阻力較大，置換壓力偏小，造成置換困難。因此對于底部保冷層和罐底部干砂層，如果置換時間不足，盡管當時的實測值合格，經(jīng)過一段時間后仍會出現(xiàn)反彈，甚至實測值久久不能達標。
    ③通孔
    如果保冷層存在連續(xù)的過大間隙或通孔(特別是在氮氣置換管路進出口之問形成通孔)，則氮氣會優(yōu)先在這些通孑L流通，而不會選擇間隙較小、阻力較大的區(qū)域進行流通，導致短路，出現(xiàn)很多死角[9]。如果置換時間不足，氮氣很難滲透整個保冷層，同樣出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。
    ④時間
    實測結果能否真實地反映實際情況主要取決于置換時間。只要置換時問足夠長，氮氣就能滲透到任何位置，使空氣與氮氣充分混合而被置換。露點與置換時間的關系曲線見圖4。然而對于一個工程來說，置換時間與成本緊密相關，不能無限地追求質(zhì)量而忽略成本。

3安全事項
    采用干燥熱空氣和氮氣進行干燥和置換，容易產(chǎn)生窒息和噪聲危害。大量呼吸氮氣會使人失去意識甚至死亡。因此氮氣置換過程中，對所有的氮氣進出口及閥門等位置進行隔離，在氮氣放空I5安裝至少3 m高的煙囪，工作人員需佩戴專用呼吸器進行現(xiàn)場作業(yè)。此外，置換過程中大量的高速氣流通過相對狹小的放空口時產(chǎn)生很大的噪聲，其危害性較大，需要佩戴耳塞等防護用品。
4結論與建議
    在以上分析的基礎上，后期儲罐邊緣位置保冷層的實際檢查結果也證實，造成保冷位置干燥效果不佳的首要原因是保冷材料附著液珠。大氣壓力稀釋置換法對于內(nèi)罐、拱頂、LNG泵池以及環(huán)形空間的氮氣置換效果很好，能夠滿足設計要求，而對于底部保冷層和干砂層則效果不佳?？紤]實際過程中各種因素的影響，針對底部保冷層和干砂層置換效果不佳的情況，提出以下幾點建議：
    ①在氮氣置換前，水壓試驗后且未排水的時候(水的自重可以壓住底板，避免底板受壓鼓起)，重點對底部保冷層輸入大量壓力略高的干燥熱空氣并維持一段時間，從而大幅度降低保冷層露點。
    ②將底部干砂層更改為混凝土結構，不僅方便內(nèi)罐底板施工，提高底板施工的平整度，而且省去了該區(qū)域的干燥和置換。
    ③嚴格進行施工過程控制，錯開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)過大的通孔。
    ④考慮到底部保冷空問為密閉空間，即使存在少量氧氣和水蒸氣，對儲罐的保冷效果和安全性沒有多大影響，且BS ENl4620：2006標準也對此部分不做干燥和置換要求。此外，從LNG儲罐的實際運行情況看，并沒有產(chǎn)生明顯的不良影響。因此，在對底部保冷空間特別是邊緣位置采取防護措施，做到無雨水滲漏和無大量濕氣滲入的前提下，建議對底部保冷空間不做干燥和置換要求。
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作者簡介：吳旭維(1982 ——   )，男，江蘇大豐人，工程師，碩士，從事海洋石油平臺容器橇裝沒備的設計與建造工作。
 
本文作者：吳旭維1， 吳志星1， 胡云峰2， 王東鋒2， 白如霜1， 成鵬濤1
作者單位：1．海洋石油工程股份有限公司特種設備公司；2．海洋石油工程股份有限公司建造公司