液化天然氣儲罐氮氣干燥置換施工工藝探討

堵 佩

中海油江蘇天然氣有限責任公司 江蘇鹽城 224500

液化天然氣儲（LNG）罐機械竣工后需要對其進行水壓試驗、氣體正負壓試驗、干燥、置換、預冷等一系列試驗準備工作，其中干燥和置換是LNG 儲罐投料前的最后一道工序[1]。既要保證干燥置換的技術指標滿足設計和規范的要求，又要保證干燥置換用液氮氣化的安全操作，須妥善處理干燥置換過程中儲罐各區的壓力控制，防止罐體部件變形等問題。

1 LNG 儲罐氮氣干燥置換的原理及特點

1.1 工藝原理

LNG 儲罐的干燥和置換選用液氮氣化后的氮氣作為操作介質，用持續吹掃的方式進行。

根據理想氣體狀態方程（式1）及氮氣密度方程（式2），可得到式（3）。

式中：n——氣體摩爾數；

R——常數，8.314

由式（3）可知，氮氣密度與溫度呈反比。液氮通過氣化器氣化后的干燥置換氮氣溫度約比環境溫度低5℃。利用氣體溫差的比重原理，即低溫氮氣的比重比常溫空氣混合氣體略重的原理，將低溫氮氣注入儲罐底部；低溫氮氣與罐內的常溫混合氣體因溫度差而達到氣體分層效應，使罐內的空氣混合氣體從罐頂部接管排出；通過持續循環，利用氮氣稀釋儲罐內的混合氣體，從而達到對儲罐干燥和置換的目的。

1.2 工藝特點

（1）氮氣的露點溫度為- 60℃，氧含量為0，能快速有效地干燥和置換出罐內的濕氣及混合氣體，短時間內達到儲罐干燥和降低氧氣濃度的目的。

（2）利用大功率的氣化器將液氮氣轉化成氣體，保證氮氣量可以滿足現場的氮氣使用要求，避免因氮氣供應量的間斷造成工作的停滯，確保施工進度安全平穩推進，減少隱患區域操作的頻率。

（3）與空氣干燥相比，氮氣干燥置換操作工序簡單，人員固定，干燥置換同時降低儲罐的露點溫度和氧氣含量。同時，減少空氣壓縮機、干燥機等設備的租賃成本和人工成本，提高了項目的經濟效益。

2 LNG 儲罐氮氣干燥置換的施工程序

2.1 工藝流程

儲罐氮氣干燥置換工藝流程為：儲罐干燥置換前條件確認→干燥置換前的準備→干燥置換相關閥門狀態確認標識粘貼→干燥置換A 區→干燥置換B 區→干燥置換C 區→干燥置換D 區→罐頂管道置換→儲罐封閉72h 驗收。

儲罐干燥置換分區和各區合格標準[2]分別如圖1 和表1 所示。

圖1 儲罐干燥置換分區圖

表1 儲罐干燥置換合格標準

2.2 儲罐A 區氮氣干燥置換

氮氣從管口（N10）進入儲罐，混合氣體（空氣和氮氣）從穹頂放空口（N9）排出儲罐，通過調節氮氣入口流量和穹頂放空口上的閥門開度，使儲罐內壓力維持在4～10kPa。注入的氮氣溫度應比罐內空氣溫度低5℃以增強分層效應。為防止儲罐壓力過低，當內罐壓力低于5kPa時，關閉儲罐頂部放空口，使用便攜式測試儀在穹頂放空口處檢測氣體的氧含量和露點。干燥置換過程中每4h 測量并記錄一次氮氣進口溫度、內罐壓力、氧含量和露點。當氧含量和露點達到表1 的規定值時，儲罐A 區置換完成。此時可逐漸減少氮氣流量并減小穹頂放空口的閥門開度。儲罐A 區干燥置換示意圖見圖2。

圖2 儲罐A 區干燥置換示意圖

2.3 儲罐B 區氮氣干燥置換

緩慢打開B 區放空口（N11A/ B）閥門，并密切觀測，避免由于氮氣流量過大造成珍珠巖從放空口溢出。如果發生珍珠巖溢出，應降低氮氣流量并調節B 區放空口閥門開度，直到珍珠巖停止溢出。

氮氣從內罐區域進入環形空間，混合氣體從環形空間放空口排出，通過調節氮氣入口流量和環形空間放空口上的閥門開度，使儲罐內壓力維持在4～10kPa。每4h 在環形空間放空口處測量一次氧含量和露點。當氧含量和露點達到表1 的規定值時，儲罐B 區置換完成，并關閉環形空間放空口上的閥門。儲罐B 區干燥置換示意圖見圖3。

圖3 儲罐B 區干燥置換示意圖

2.4 儲罐C 區氮氣干燥置換

氮氣從內罐進入環形空間后，進入罐底上部保溫層，混合氣體通過罐底上部保溫層放空口（N12）排出。由于這些管道與內罐和環形空間是連通的，因此罐底上部保溫層在內罐置換時已開始置換。且C 區空間較小，所需的置換時間較短，需要時刻監測放空口的氧含量和露點。當氧含量和露點達到表1 的規定值時，罐底上部保溫層置換完成，關閉放空口上的閥門。詳見圖4。

圖4 儲罐C 區干燥置換示意圖

2.5 儲罐D 區氮氣干燥置換

氮氣從內罐進入環形空間后，經壓力平衡管嘴（氮氣1A- D、N14A- D）引入罐底下部保溫層。混合氣體應從罐底下部保溫層放空口（N13）排出。由于這些管道與內罐和環形空間是連通的，因此罐底下部保溫層在內罐置換時已開始置換，且D 區空間較小，所需的置換時間較短，需要時刻監測放空口的氧含量和露點。當氧含量和露點達到表1 的規定值時，罐底上部保溫層置換完成，關閉放空口上的閥門。儲罐D 區干燥置換示意圖見圖5。

圖5 儲罐D 區干燥置換示意圖

2.6 泵筒氮氣干燥置換

在內罐干燥和置換完成后，開啟低溫泵管線氮氣管線閥門，使氮氣從開啟的低溫泵底閥進入，再通過上述管線接管排出。在接管出氣口測量氧含量和漏點溫度，達到表1 的規定值時，泵筒干燥置換完成。關閉該管線閥門，繼續充氮氣，達到保壓值。

2.7 罐頂管道氮氣干燥置換

罐頂管道置換界線為罐頂一次閥門，待內罐及夾層空間置換合格后開始罐頂管道置換。置換通過閥門的跨接管線進行，拆開上游端閥門，通過開啟閥門排出主管管道內混合氣體，連續釋放主管管道內氣體，使其氧含量和露點溫度達到表1 的規定值，罐頂管道置換合格。

LNG 儲罐氮氣置換全部完成后，應升壓到10kPa 并維持在此壓力下。在保壓期間，安全閥和儀表處于待用狀態。內罐壓力可依據空氣溫度和大氣壓力在一定范圍內變化。

3 LNG 儲罐氮氣干燥置換效益分析

采用液氮氣化用氮氣干燥置換施工工藝，通過改變操作程序及操作方法，提前切換儲罐各區域干燥置換操作，改進置換壓力均衡的控制措施，同時有效避免了因雨天及霧天等空氣濕度大而導致空氣壓縮機干燥不徹底而停工的現象。根據某工程項目16 萬方LNG 儲罐干燥置換數據統計，采用本施工工藝單臺儲罐可節省工期約4d（占8.5%），節約液氮約240t（占18%），具有較好的經濟效益。

4 結論

（1）LNG 儲罐氮氣干燥置換過程中應嚴格控制內罐壓力，使內罐壓力始終維持在4～10kPa。

（2）LNG 儲罐氮氣干燥置換用氮氣應比空氣溫度低5℃，使低溫氮氣與罐內的常溫混合氣體因溫度差而達到氣體分層效應，提高置換效率。

（3）LNG 儲罐氮氣干燥置換應嚴格控制B 區混合氣體的排放量，以排放口無珍珠巖排出為合格，防止過大的排放量將罐內珍珠巖排放出罐體或造成珍珠巖移動。

（4）LNG 儲罐氮氣干燥置換應嚴格控制D 區的氮氣注入量，確保D 區的氮氣注入壓力小于A 區的壓力，且不得超過10kPa。并安排專人監測，防止D 區壓力超過A區壓力導致罐底變形。