大型液化天然氣儲罐干燥惰化與質量控制淺析

揚 帆 張 超 陳銳瑩 付春艷

1.中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100027；2.中國國際工程咨詢公司 北京 100048

為了保證大型液化天然氣（LNG）儲罐干燥、置換和冷卻工程進度和質量滿足總包要求，避免可燃混合物形成的危險，在向儲罐引入液態LNG之前，需使用高純度氮氣對儲罐進行干燥和惰化[1]，將儲罐內空氣排除，使儲罐內露點溫度和氧氣濃度參數滿足設計要求，并用氮氣保持儲罐在一定壓力，最后使用環境溫度下的LNG氣體對儲罐內的氮氣進行置換并對儲罐進行預冷試車[2]。本文以某項目已建16萬m3大型LNG儲罐為例，對儲罐開車前干燥惰化與質量控制等技術方面進行介紹。

1 大型LNG儲罐干燥惰化介紹

當內罐壁板和鋁平臺保冷及環形空間珍珠巖填充測試合格后，將儲罐和所有工藝管線閥門封閉，用高純度干燥氮氣對儲罐進行干燥和置換并保持一定壓力[3]， 最后使用環境溫度下的LNG氣體對儲罐內的氮氣進行置換并對儲罐進行預冷試車。 圖1為儲罐干燥惰化分區劃分示意圖

1.1 干燥惰化工藝流程

按照氮氣置換先后順序，分為：(1）內罐、及拱頂空間（A區域）；(2）環形空間（B區域）；(3）上部罐底保冷（C區域）；(4）下部罐底保冷（D區域）；(5）工藝管道、罐內接管（E區域）。

1.2 干燥惰化目標控制要求

歐洲標準EN14620以及一般設計規定，干燥惰化目標控制要求如下表1所示。

圖1 儲罐干燥惰化（置換）分區示意圖

圖2 儲罐干燥惰化工藝流程圖

儲罐底部泡沫玻璃磚絕熱層上、下部都是混凝土找平層，罐底在氮氣置換過程中， 混凝土分子中不斷滲出水分子蒸汽，后期， 氮氣置換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態平衡，置換難度較大，因此需要合理的技術置換方案。

表1 大型LNG儲罐干燥惰化要求

2 LNG儲罐預干燥

儲罐在水壓試驗合格且排水完畢后， 罐內密閉空間將存在大量的游離水份和水蒸氣[4]，為了保證后期儲罐氮氣干燥、置換作業的質量和工期滿足要求， 在內罐壁板彈性氈和鋁平臺玻璃棉施工期間，首先對儲罐進行第一步預干燥：即使用大功率鼓風機進行對流通風， 將儲罐內部潮濕空氣與外界相對干燥空氣混合對流預干燥。也可采用大功率除濕機進行預干燥。預干燥作業目標將根據項目位置和氣候條件確定。

當儲罐內部所有機械施工完畢且檢查合格后， 封閉臨時施工洞口TCO，然后使用移動式空氣壓縮機、聯合儲氣罐和冷干機系統轉換的干燥空氣，進一步對儲罐進步預干燥：即冷干機出氣口與儲罐頂部的內罐置換管道N8連接， 將干燥空氣輸送到儲罐內部進行連續預干燥，儲罐壓力保持在7～10KPa，冷干機出氣口壓力每1h檢查記錄1次， 拱頂環形空間排氣口N10、N11和內罐底排氣口N13每4h監測記錄1次， 當連續監測3次露點溫度為5～8℃時,儲罐預干燥作業完畢，使用氮氣正式進行干燥和置換作業。

3 LNG儲罐氮氣干燥惰化

內罐和拱頂區域首先開始置換，帶珍珠巖的環形空間、頂部和底部保冷空間在內罐開始置換時也將開始進行氮氣置換，氮氣從拱頂通過環形空間被置換。置換開始后，對氧氣成分和系統中的露點進行監視，每4小時監視一次，直至氧氣含量、露點達到要求，檢查所有的讀數記錄在氮氣置換記錄單中。

3.1 內罐及拱頂（A區域）干燥惰化

在儲罐A區域干燥和置換過程前，檢查拱頂內罐所有工藝接管閥門都處于關閉狀態。

首先將干燥空氣接管拆除并安裝氮氣接管至N8內罐干燥置換接管上，打開N8管口上的閥門，將經汽化器汽化后的干燥氮氣引入內罐底部，對儲罐進行升壓作業，當儲罐壓力P1達到12KPa時，開啟N23排氣閥對儲罐內的空氣+氮氣混合氣體進行泄壓放空，然后調節進氣管N8流量和N23排氣閥的開啟度，使儲罐壓力維持在10±0.5KPa，開始采用持續吹掃干燥方式對儲罐A區域進行干燥和置換。

技術人員隨時檢查儲罐壓力表讀數保持在10±0.5KPa，同時每隔4h抽檢排放口N23氣體露點和氧含量參數并進行記錄比較和分析，當采用持續吹掃干燥方式效果不明顯時（一般露點為-10℃、氧含量8%左右時），即可轉換為采用間隔保壓法對儲罐A區域進行吹掃干燥。

采用間隔保壓法進行干燥置換時， 控制儲罐增壓速度小于1KPa/h，泄壓速度小于0.8KPa/h，同時觀察壓力表P1讀數，當罐內壓力達到15Kpa時（設計壓力為29KPa），保壓30min，然后打開罐頂排放管口N23上的排放閥門排放混合氣體，當排放到儲罐壓力為2Kpa左右時關閉N23閥門， 如此反復操作2到3回合，然后繼續采用持續吹掃干燥方式進行干燥和置換，如此反復交替采用兩種方法進行干燥和置換， 直到氣體取樣分析氧氣濃度≤4%， 露點低于-20℃時， 開始進行環形空間區域B的干燥和置換工作。

置換過程中，為了防止儲罐壓力過大，干燥氮氣的流量應滿足設計要求，一般開始前2h氮氣供應率≤500Nm3/h，檢查氮氣供應系統的運作情況， 然后緩慢增加氮氣供應率并應控制在≤2500Nm3/h。

3.2 環形空間（B區域）干燥惰化

打開N10、N11排氣閥門，開始對環形空間區域B進行干燥和置換。

在此過程中繼續監視N23排放出氮氣中的氧氣濃度和露點數據， 當N23位置排放氮氣的氧氣濃度≤4%， 露點低于-20℃時，即可關閉排放口N23閥門。

為了避免對外罐施加過多的壓力， 調節N8進氣口閥門開啟度，確保儲罐壓力維持在8±0.5KPa，另外由于環形空間珍珠巖已填充完畢，為了保證區域B的干燥和置換質量，避免產生隧道效應（干燥氮氣只穿過內罐壁板保冷玻璃氈區域），所以要求對環形空間進行緩慢置換和多次檢測工藝。

每隔2h檢查環形空間排氣口N10、N11氮氣中的氧氣濃度和露點數據，當氧氣濃度≤4%，露點低于-10℃時，開始進行內罐底板與熱角保護（TCP）二層底板間C區的干燥和置換工作。

3.3 上部罐底保冷（C區域）干燥惰化

打開N13排氣閥，引導B區的氮氣通過混凝土、保冷玻璃磚施工間隙滲透進入內罐壁板和TCP二層底板間的C區進行干燥和置換。

C區置換過程中，嚴格檢查和控制區域C與區域A間壓力表P2≤0.4KPa，防止儲罐底板變形損壞，當N13排放口氮氣的氧氣濃度≤4%時，露點低于0℃時，即可進行TCP二層底板與碳鋼襯里外罐底板間區域D的干燥和置換。

3.4 下罐底保冷（D區域）干燥惰化

開啟N5、N7、N12、N14閥門， 引導儲罐內部氮氣進入儲罐第二層罐底D區，打開N6閥門進行排氣，進行D區的干燥和置換。

在D區干燥置換過程中，繼續監測N13排放氮氣中氧氣濃度（要求≤4%），當N6、N13排氣閥氣體氧氣濃度都≤4%時，露點低于0℃時， 儲罐置換合格完畢， 通過調節氮氣供氣控制閥門，調節儲罐壓力保持在10～15Kpa，防止外界空氣進入儲罐內部， 每天對罐內氮氣壓力進行監測和記錄并使用外部氮氣源調節保持要求壓力范圍，直到儲罐與正式閥門和工藝管道連接。

3.5 工藝管道及接管（E區域）干燥惰化

在進行內罐空間區域A和環形空間區域B時，即可打開儲罐拱頂泵柱、 進液管、DCS系統等工藝管道的閥門進行干燥和置換工作。

管道干燥和置換時，按照每組工藝管線系統，先主管后支管的順序依次進行， 最后打開放空排凝以及壓力表的控制閥門進行干燥和排放該盲點內空氣， 排放點氧氣濃度和露點測試合格后關閉相應管口閥門。

每2h測量一次管口的氧氣含量和露點，當氧氣含量≤4%，露點溫度≤-20℃時，工藝管道吹掃完畢。

4 質量控制要求

LNG儲罐在氮氣置換和干燥完成后，將儲罐加壓至10kPa左右，并保持在這個壓力之下。 在保持壓力期間，安全閥和真空閥設備處于正常備用狀態。根據氣溫和氣壓的變化，罐內壓力微小變化是可以接受的。 氮氣置換過程中，確保以下要求：

(1)氮氣干燥和置換用設備儀表，在正式作業前經過標定或調試， 處于合格使用狀態， 且設備型號和能力完全滿足設計要求。

(2)氮氣溫度、露點、純度等技術參數應滿足設計要求且具有氣體檢測報告。

(3)氮氣干燥和置換臨時管線型號、布置工藝及氣密和強度試驗結果滿足要求。

(4)儲罐干燥和氮氣置換過程，嚴格執行設計要求的工藝流程，并對儲罐壓力和溫度監測，確保作業過程處于受控狀態。

(5)確保所有操作人員正確使用氧含量和露點檢測儀，在置換過程中對儲罐各區域氧氣成分和露點進行監視， 并將所有參數進行記錄分析。

(6)先對儲罐進行氮氣干燥，然后進行氮氣置換，連續3次取樣氣體檢測數據都滿足設計要求后，才允許進行下一步工作。

(7)考慮到儲罐容量大和結構復雜性，初次吹掃和干燥不可能完全均勻到位，這就要求在對儲罐干燥置換后，仍需要定期進行露點和氧含量檢測，如果發現露點或氧氣含量不合格，需要繼續進行干燥和置換工作。

5 結論和建議

以國內某已建大型LNG儲罐干燥惰化為例，期間儲罐與接收站連接管道罐頂關斷閥全部關閉， 儲罐罐體置換達到要求用了20～22d左右達到規范要求罐內露點≤-20℃、 環形空間≤-10℃要求； 氧氣濃度在置換開始9d左右達到設計要求4%要求。

但罐底保冷層區域（C、D區域）干燥效果較差。 氮氣回路雖然在混凝土上表面流通過程不斷攜帶混凝土中自由水（以及結合晶體水），但是混凝土里面的結合水不斷散出量和外表面攜帶出去量后來逐漸達到動態平衡， 因為混凝土中結合水很難在常溫置換中干燥， 所以后期效果不太理想， 露點也很難降下來。考慮實際過程中各種因素的影響， 針對底部保冷層和混凝土找平層置換效果不佳的情況，提出以下幾點建議:

(1)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，避免出現過大的通孔。 底部混凝土找平層盡量在完全干燥后進行下一道工序作業。

(2)罐底玻璃磚上表面找平層可以改成干沙結構；罐底保冷結構可以改為內罐二層底上面布置承壓環梁結構， 這樣上部中心區域找平層也可以用干沙代替，降低了氮氣置換階段難度。

1 李海潤， 徐嘉爽， 李兆慈.全容式LNG儲罐罐體溫度場計算及分析[J].天然氣與石油.2012,6(04):15-19.

2 吳旭維，吳志星，胡云峰．大型LNG 低溫儲罐的干燥與置換[J].煤氣與熱力.2012,32(7):B04-B07.

3 王冰等．大型低溫LNG 儲罐設計與建造技術的新進展[J].天然氣工業.2010,30(5):108-112.

4 蘇娟，周美珍，余建星，魏會東，泄露工況下大型LNG預應力混凝土儲罐低溫分析[J],低溫工程.2010,176(4):47－52.