一種C型儲罐預冷流程的優化方式

摘" " 要：天然氣船舶是近年來的主流綠色船舶，需求量大幅增加。本文針對目前C型LNG儲罐加注較慢的問題，通過預冷流程和時間分析，創新并實踐了一種迅速預冷儲罐，達到加注溫度的方法，與目前常用的預冷流程對比，具有加注時間短費用低的效果，并在某型液貨船上成功應用。

關鍵詞：C型罐加注；預冷方法；LNG加注

中圖分類號：U674.13+3.3 " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

An Optimization Method for Pre-cooling Process

of Type C Storage Tank

YU Zhigang，" MA Ke，" YANG Chongyang，" RAO Jianrong

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" Guangzhou 510725， China ）

Abstract： Natural gas carriers are the mainstream green ships built in recent years， with significant increase in demand. In this paper， to solve the problem of rather slowly filling into Type C storage tank at present， we have invented a new method and practiced to precool the tank quickly through analysis of the precooling process and time， so as to obtain a method for filling temperature. In comparison with the precooling process currently in use， it has the effect of short filling time and low cost， which is successfully used in a LPG carrier.

Key words： type C tank filling;" precooling way;" LNG filling

1" " "引言

近年來，隨著液化天然氣（LNG）的普及，LNG正在取代柴油成為船舶的主要燃料。與柴油相比，LNG燃點更高，爆炸極限也更高。完全燃燒的情況下，僅排放出二氧化碳和水，為世界公認的清潔能源，在氨燃料大面積商用前，價格更便宜、燃燒更高效的LNG燃料依舊是近年來雙燃料動力船舶首選燃料。

LNG運輸船舶中，LNG儲罐是核心之一，該罐主要用于儲存和運輸LNG的作用。由于LNG的溫度為零下163 ℃[1]。常溫條件下直接加注LNG的話，罐內外溫度差可達190 ℃，在如此巨大的溫差之下，如果直接充裝LNG，巨大的溫差將使罐壁及相關管道產生極大的溫度應力，必定會導致儲罐及管道結構被破壞，管路變形，儲罐外部絕緣被破壞甚至儲罐底部變形；此外，由于受到低溫作用導致管道及儲罐焊接處以及閥門處可能產生松動變形，引起 LNG 的泄漏等嚴重事故，因此，研究 LNG 儲罐的預冷工藝十分必要[1]。

2" " "儲罐預冷方法

自2018年以來，我司已成功進行十余次LNG加注，總結了許多經驗，但目前通用的C型儲罐加注LNG的流程較為粗放，溫度變化較難掌握，為減少預冷加注周期的效果，節約船舶建造時間，將LNG加注時對生產作業的影響降到最低，需要構思一種新的儲罐預冷思路來降本增效。

加注前通常采用液氮和LNG進行儲罐預冷。其加注流程如下：

1）首先用液氮槽車（見圖1），通過外置的加熱器或汽化器將液氮加熱至氣態常溫狀態，使用常溫氮氣將罐內的干燥空氣全部通過安全透氣系統排出，直到罐內幾乎全部都是氮氣為止，罐內氧氣濃度需小于2%；

2）罐內干燥空氣已全部置換成氮氣后，再使用罐內的氮氣對所有管路進行惰化，混合氣體由安全透氣系統排出，直到透氣出口處含氧量低于2%；

3）氮氣置換空氣完成后，使用汽化器將液態的液氮汽化，汽化成低溫的氮氣進入管路中，通過加注使用的液相管進入儲罐里，再通過使用天然氣的氣相管排出，再通過加注的安全透氣系統，將多余氮氣排出，使罐底部保持流水型的冷卻模式。罐中冷態氮氣的流向如圖1所示[2]；

4）底部溫度到達零下120 ℃時，再使用液態的LNG通過噴淋管路進行降溫，將儲罐內的溫度繼續下降，并且可以使氣態的LNG置換掉儲罐內的氮氣，最終儲罐底部達到零下140 ℃后，才可以直接加注液態的LNG；

5）加注完LNG后，關閉加注閥門，內部閥門不關，保證管路內殘余的液態LNG可以將儲罐作為膨脹緩沖空間使用。最后用氮氣吹掃加注連接處管路和外部管路，進行管路惰化作業，該作業完畢，進行管路拆解，檢查合格后方可宣告加注結束。

根據能量守恒定律，在預冷階段，可以通過公式（1）計算出一個預冷的理論時間，在滿足使用和規范要求下（每小時溫降變化小于10 ℃[2]），預冷時間理論最快為16小時。

式中：Cp為比熱容；H為總焓；Kt湍流熱傳導率；Sh化學反應的熱量，也就是所用氮氣傳導到底部吸收到的罐壁的熱量。

根據預冷作業配置的槽罐車、貨罐的體積、貨罐裝貨管路的管徑、加注管的管徑、加注管路的壓力、貨罐的壓力等數據，可計算出單位時間內氮氣的輸送體積。根據裝貨管路進口溫度、貨罐底部溫度、貨罐艙溫度、貨罐內部溫度，可得到熱量差值。

舉例：管徑300 mm的進貨管路，在管路壓力0.6 bar、罐內溫度-40 ℃、進管溫度-100 ℃、罐艙溫度-20℃（有絕緣保溫層）的情況下，每小時溫降理論上最高可達15 ℃。而實際生產中，達不到該理論值。原因如下：

1）根據規范要求，每小時溫度變化應小于10 ℃；

2）預冷過程持續時間長，內外溫差大，需求的熱量為指數式，難以控制；

3）天氣、管材質量、空氣濕度等無法控制。

3" " "改進方案及措施

通過討論和現場實踐，我們將加注流程從原來的方式一改進為方式二，如圖2所示。

改進后的方式二詳解如下。

1）首先用液氮槽車，通過外置的加熱器或汽化器將液氮加熱至氣態常溫狀態，使用常溫氮氣將罐內的干燥空氣全部通過安全透氣系統排出，直到罐內幾乎全部都是氮氣為止，罐內氧氣濃度需小于2%。

2）罐內干燥空氣已全部置換成氮氣后，再使用罐內的氮氣對所有管路進行惰化，混合氣體由安全透氣系統排出，直到透氣出口處含氧量低于2%。

3）氮氣置換空氣完成后，使用汽化器將液態的液氮汽化，汽化成低溫的氮氣進入管路中，通過加注使用的液相管進入儲罐里，再通過使用天然氣的氣相管排出，再通過加注的安全透氣系統，將多余氮氣排出，使罐底部保持流水型的冷卻模式，這個階段并不需要打開吹掃管。此時罐內的溫度分布如圖3所示。

在整個罐子預冷的過程中需要時刻關注避免出現以下幾種狀況，對罐內相關參數要時刻進行調整：

（1）罐底和罐頂的溫差大于30 ℃；

（2）罐底溫度下降速率低于3 ℃/h；

（3）管路上的溫度傳感器確定可以正常工作，并且誤差不超過0.4 ℃；

（4）槽罐車可以穩定供給氮氣，并且汽化器可以穩定供給較長時間的恒溫恒壓氣體；

（5）罐內吹掃管路可以正常使用，其材質與加注管路材質要相同。

4）判斷可以使用新工藝后，可按方式二操作，打開吹掃管，將槽罐車的流量減小，減少后汽化器出口的氮氣溫度會回升，保持儲罐進口氮氣的溫度，低于儲罐底部10 ℃以內，穩定供氮氣一段時間后（具體時間按槽罐車的出口壓力、管路長度預冷管路的長度計算，需要考慮預冷時吹掃管（僅閥門到底部的長度即可）和外部冷態氮氣溫差產生的BOG消耗量）。

（2）

式中：Q1為熱負荷；ρ為密度；s為管路面積；C為比熱容；ΔT為預冷前和預冷后的溫差。

（3）

式中：Q2為流量；μ為流量系數，與閥門或管子的形狀有關；A為面積；P通過閥門前后的壓力差（由于罐內一直排氣，可默認為罐內壓力為0）；ρ為流體的密度。

在進行公式（2）計算過程中，主要是對方式一和方式二間進行對比，主要的差值在于的計算，方式一在計算中需要考慮氮氣（出口管路管口距傳感器距離為1000mm）的密度和鋼材比熱容，但是方式二中氮氣出口管路管口距傳感器距離為10 mm，流體經過的路程變長了，熱量逸散更多，所以會有較大的差距。根據氮氣的熱傳導率，在50-100 K之間為0.45 W/m.k，所以，方式二可減少大量所需熱量。

5）底部溫度到達-120 ℃時，判斷目前打開吹掃管后的溫降趨勢，如果符合計劃時間，例如每小時3-5℃，且在上午時間段，則可以繼續使用吹掃管預冷和保冷。如果時間在晚上，需要盡量減少時間，則可以使用LNG噴淋預冷來節約時間，在-120 ℃時實船的罐內外壁面及罐內溫度分布如圖5所示。

在儲罐底部達到零下140 ℃后，滿足加注液態LNG要求。通過方式二加注LNG后，在第一次使用LNG供氣時，會出現轉換失敗的情況，原因是燃氣中含氮量比正常使用燃氣時要高一些，但是使用過一次以后，后面就正常了，并不會產生后續影響。

6）加注完LNG后，關閉加注閥門，內部閥門不關，保證管路內殘余的液態LNG可以將儲罐作為膨脹緩沖空間使用。最后用氮氣吹掃加注連接處管路，和外部管路，惰化完畢后，才算完成加注。

4" " "預冷管路走向對比

如圖5與圖6所示，改進后，增加了冷態氮氣的進口，可以進入更多的氮氣，由于冷態氮氣進入的位置距離傳感器更近，可以更詳實反饋儲罐預冷的實時溫度數據。

5" " "實驗結果

在兩種流程下，某型液貨船兩種方式的預冷曲線預估（氮氣供給量相同，氮氣供給溫度大致相同）溫度曲線如圖7所示。

該曲線變化的主要原因為：

1）前期溫度差距過大，熱量熵值差距過大，每小時產生的溫度變化易大于10 ℃，導致前期溫變速率快。后期罐殼內鋼材與氮氣熵值接近，加大氮氣量后，單位時間氮氣流速過快。熱交換效率差，導致后期曲線偏向平緩；

2）熱交換的面積增加，導致熱交換的效果增強，在預冷過程中，有更多的氮氣參與熱交換中，提升了值（湍流熱傳導率）；

3）對比吹掃管的進氣管口和下進液管的管口，吹掃管的管口距離貨罐底部溫度傳感器的距離更近，減少了同等溫度變化所需的（總焓）值，更容易引起貨罐底部的溫度變化；

4）由于貨罐裝貨管路的設計原因，該管路溫度設計為-165 ℃貨物專用，該管路進入的氮氣溫度最低只能達到-165 ℃，在流量最大的情況下，對比方式一和方式二：方式二熱交換的接觸面積更多，熱交換的熱量熵值更大，抵抗貨艙熱交換的能力更強。

在方式二使用后，冷態氮氣的使用率會更高，在同等流量下，可以更快更好的滿足預冷罐殼的需求。按照目前加注LNG的溫度要求，達到-124 ℃，方式一需要46 h、方式二僅需要27 h，效率提升41.3%，按照熱交換定律，時間越長，損失到空氣中的熱量越多，使用的氮氣越多。按照40 t液氮可以使用12 h來算，僅預冷到-124 ℃，方式二已節約63.3 t液氮，約節約1 700×63.3=107 610元。

6" " "結論

方式一與方式二的優缺點對比如表1所示。

表1" 優缺點對比

方式一在預冷過程中，氮氣出口到罐底的距離較遠，導致在預冷時的熱交換量不高，但絕大多數液貨罐的溫度監測點在罐內凹坑和罐底部的前后，所以會出現罐底凹坑的溫度反而會高于罐底部前后的溫度，這就是熱交換不充分，但是在加注過程中，液態的LNG會流向貨罐的最低位置-凹坑處的，貨罐最低溫度在凹坑處，該溫度是否達標是判斷允許加注的充分必要條件。方式二就是利用了吹掃管管口距離凹坑最近，熱交換的效率最高來保證預冷過程更加順利，能效最高，從而節省時間和成本。但由于熱交換效率過高，勢必需要在后期投入更多的精力來維持高效的預冷狀態，難度上會比方式一更高一些。

通過兩種方式的對比，從現場實際操作情況來看，方式二較方式一的難度要大很多，但是在預冷過程中，該方法較高效、耗時少、成本也較低。

參考文獻

[1]徐艷華，彭文山，李金娟，等.大型LNG儲罐預冷數值模擬[J].石油與

天然氣化工，2018，47（1）：51-59.

[2]濮春干.淺談液化天然氣系統[J].深冷技術，2001（6）：5-9.