2 400m3液態CO2子母罐建造

吳國俊 亢海州

(國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，合肥通用機械研究院)

長嶺1號氣田是吉林油田CO2捕集、埋存與提高采收率技術的首次工業化應用。CO2作為油氣井回注氣，既避免了溫室氣體排放，又提高了油田產收率。CO2捕集與埋存(CO2Capture Storage, CCS)技術是解決全球氣候變暖最具發展前景的解決方案之一。據國際能源機構溫室氣體研究與發展計劃的評估，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捕集與埋存是用經濟成本替換環境成本，為了提高經濟效益， CCS技術轉變為CCS-EOR(Enhanced Oil Recovery)技術，即CO2捕集、埋存與提高油氣田采收率一體化技術。如今我國陸上第一塊高含CO2氣田——吉林油田長嶺氣田首次將CO2捕集、驅油和埋存一體化配套技術工業化、規模化，裝置完全建成后預計年處理天然氣120萬t，周圍油氣田采收率提高40%～50%。

根據采氣規模和考慮到后期增產，建造了兩臺2 400m3國內首套液態CO2子母罐儲罐系統。經分離、壓縮和冷卻液化后送入儲罐系統暫存。液態CO2一路經裝車系統外運至目的油田進行回注提高油氣采收率或作為商品外銷；一路經管路送至CO2腐蝕模擬撬。

1 CO2子母罐結構形式

1.1 主體結構

液態CO2儲罐系統采用了子母罐的結構形式[2](圖1)，一臺母罐內包含10臺子罐。為了保冷，子罐和母罐之間的空間、子罐底部裙座內的空間均填充膨脹珍珠巖。其中子罐是承裝液態CO2的Ⅱ類壓力容器，按照壓力容器設計、制造和維護管理；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 子母罐總體結構示意圖

1.2 管路結構

每臺子罐均設置兩路進液，分別為上部進液和底部進液。10臺子罐的所有出、入口管路都先在母罐內匯入總管，然后再進出母罐與絕熱層外界管路相連。

子罐上部進液管通過每臺子罐的壁板進液口進液，底部進液管通過子罐下部封頭相連的進液總管將液體輸送到每臺子罐；每臺子罐下封頭設置一根出液管并通過裙式支座出口引至排液管主管集中排液；各子罐上封頭設有一個排放口，上部夾層空間設置一根排空主管，將各子罐的排空管引至該排空主管集中排放。排空主管通過干管引出母罐排空，設置兩個低溫安全閥，并設置一根干管作為超壓放空管，設置一個手動放空閥和一個自動放空閥，自動放空閥通過調節閥進行調節。

1.3 控制結構

每個子罐在上部、中部和下部各設一個熱電阻溫度計接口，其測量信號遠傳至中控室。母罐夾層上部、中部和下部每圈均布4個鉑熱電阻溫度計接口，其測量信號經變送器傳至中控室。

每臺儲罐設置有兩套完全獨立的就地液位檢測系統，可以用于向中控室輸送4～20mA的液位信號；每臺子母罐設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的信號輸出給控制室。

子罐底部液態物料出口總管與子罐頂部氣相總管引出自增壓管路設一套電加熱汽化器，排量滿足工作壓力2.1MPa下48m3/h，電加熱器與子罐安全閥之間設低溫薄膜調節閥，實現安全聯鎖。

2 CO2子母罐設計參數

CO2的儲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，如果大量存儲一般選用低溫法。根據CO2的臨界壓力和基礎條件，子母罐設計參數見表1。

表1 子母罐設計參數

3 子罐制作及安裝

兩臺子母罐系統共計20臺子罐，設計壁厚38mm、內徑3 800mm、總長度近28m，整體供貨。在車間內下料、卷板，并利用埋弧自動焊焊接所有筒節的環縫、縱縫，RT探傷，Ⅱ級合格。整體熱處理并水壓試驗合格后涂裝、裝車。子罐放置在運輸車輛專門制作的鞍座上，并用枕木、橡膠墊襯，最后用鋼索固定好。路途中對子罐固定情況抽檢，如有松動，要求及時處理。

子罐運輸至現場后，由吊車指揮協調卡車司機站位，盡可能靠近最佳吊位。一臺400t汽車吊起吊后，卡車退出現場。將子罐重新放于地上，枕木墊支。主吊車更換吊位，并有一臺160t汽車吊溜尾。子罐完全吊起豎直后，160t吊車脫開鋼絲繩，由主吊車一次性吊入正確的安裝位置，并初擰地腳螺栓。利用經緯儀，調整墊鐵，當垂直度滿足要求后，實現地腳螺栓終擰。20臺子罐上下垂直度誤差在3～9mm，高于標準要求。

4 母罐制作及安裝

母罐屬于常壓罐，在安裝現場外圍設立了專門的預制場地。鋼板到貨檢驗合格后，開始下料、卷板。卷板完成并用樣尺檢測合格后，統一對壁板噴砂除銹、刷涂富鋅底漆兩道。

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

考慮到子罐已經吊裝就位，母罐壁板采用大型儲罐常用的倒裝法施工，壁板、旋梯焊接并探傷合格后，在母罐頂部搭設腳手架進行拱頂瓣片安裝。拱頂瓣片根據預先排好的序號，用25t汽車吊裝就位，組焊。開檢查孔，補強，安裝接管和各種安全附件、儀表設備。

5 珍珠巖填充

子母罐本體和各種內件安裝完畢，開始實施絕熱材料填充。珍珠巖是含結晶水的硅酸鹽，加熱至1 200℃左右，結晶水分子汽化時，會將珍珠巖分子膨脹為空心球體[3]。珍珠巖原料運至現場后需對原料進行檢驗，加熱膨脹設備安裝就位并調試完成后，先填充子罐各個裙座里面空間，以保證冷能從罐底散失。

利用子罐裙座4個排氣孔，將填充管深入裙座內開始自動填充。開始填充后，及時抽檢膨脹

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，堆積角影響填充完整度。

當裙座其他的排氣孔開始有膨脹珍珠巖飛出時，并不能判斷已經填充完畢。應該盡量將填充管深入裙座內，靠近下封頭最低點先填充完畢；之后分別從4個排氣孔再填充一次，確保填充質量。

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

6 儀表調試

每臺子母罐系統包括30個子罐溫度測定單元、12個母罐夾層溫度測定單元，兩臺子罐壓力測定單元，一臺夾層氮氣壓力顯示單元，兩套差壓式子罐液位測定單元(兩臺就地顯示，兩臺遠傳)，兩臺氣動薄膜調節閥。

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

差壓式液位變送器將頂部氣相壓力引至操作平臺匯總后分別送至4臺儀表低壓端。

薄膜調節閥檢查減壓閥是否有堵塞，電磁閥的行程開關是否正確，閥位指示器工作是否正常。一般配合中控室選擇手動調試完畢合格后，再切換至自動狀態，由中控室給出模擬聯鎖信號，判斷閥門工作是否正常。

7 結束語

兩臺國內容積最大的CO2子母罐自2009年12月投運以來，運行平穩，絕熱效果極佳，為長嶺氣田CO2捕集埋存與提高油氣田采收率一體化技術的順利實施提供了有力的儲存保障，子母罐的建造受到了業主的充分肯定。

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

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

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