上海LNG液氮储罐控制原理及改造

2012-02-07上海液化天然气有限责任公司耿荣君

上海煤气 2012年3期

上海液化天然气有限责任公司耿荣君

上海液化天然气有限责任公司坐落于洋山岛上，一期设计年输天然气量为40亿m3，目前已经投产。二期计划将输气量扩大一倍至年输天然气80亿m3。在一期中的主要设备为：一个LNG卸船码头、三个储量为16.5 万m3的LNG储罐、12台罐内LNG输出泵、5台高压输出泵、5台海水气化泵、4台中间丙烷介质气化器、2台蒸发气压缩机、各种消防设备、设施和公用系统，如氮气系统、淡水系统、压缩空气系统。氮气系统主要设备有：1个四川空分设备有限责任公司的CFL－20/1.6型低温液氮储罐(总容积为21 m3，有效容积为20 m3)，2台QQ－500/30型的空气气化器，每台设计气化量为500 m3/h，两台气化器为1备1用。

液氮储罐为双层圆筒形结构，内容器及其配管均用奥氏体不锈钢制造，外容器用Q235－B制造，夹层填充珠光砂，并抽真空。储罐有供各种操作的阀门，阀门全部布置于贮罐的底部周围，贮罐设有压力表、液面计等检测仪表。

1 液氮系统使用中存在的问题及原因分析

本公司氮气的用途：(1)为12台罐内泵和5台高压输出泵的动力接线盒提供氮封；(2)为4条卸料臂的旋转接头提供吹扫氮气；(3)为火炬提供日常微正压；(4)为蒸发气压缩机提供轴密封用气；(5)卸料臂使用前后置换。(6)各设备和管道维护检修提供吹扫和置换用氮气。

在以上各使用点中，第(2)、(3)、(4)点为连续使用，这三项使用量为27~32 m3/h(气相)。其它几点为只有需要时才使用，平常是不用氮气的。

1.1 液氮系统的流程及操作

液氮系统流程见图1。

图1 液氮系统流程示意

输出气化操作：正常液氮的输出气化操作是关闭V5，打开V2、V6、V7、XV1或XV2，则液氮流经V2进入气化器E1或E2，气化后经A4调压送入氮气管网各用气点。

氮气罐增压操作：如果氮气罐压力低于需求时，检查V4处于常关，V3处于常开，打开V1，一小股液氮流经V1进入增压气化器Pr中，气化后经V3流至液氮储罐顶部，储罐的压力就会上升。

液氮系统的安全设置：本液氮系统有一套完善的自动压力控制系统，设有A1、A2、A3、A4四个自立式压力调压阀。A1为压关式压力调压阀，当阀后压力达到设定点时，会自动关闭，以防液氮储罐压力超过需求的压力。A2为压开式压力调压阀，当阀前压力达到设定点时，会自动开启，从而把压力向阀后释放经单向阀C进入排液管道。A3为自立式压力调压阀，当液氮储罐压力升高到其设定点时，此阀会自动打开把压力释放到大气中，从而保证储罐的安全。A4为压关式调压阀，当其后压力达到设定点时，此阀会关闭，当其后压力低于设定点时，此阀处于开启状态，从而保持氮气管网的压力相对稳定。

4个调压阀的设定点如下：A1为0.825 MPa；A2为0.85 MPa；A3为1.25 MPa；A4为0.75 MPa。

由以上叙述可知，正常操作下，液氮贮槽压力应维持在0.82~0.85 MPa之间。

1.2 使用中存在的问题

本公司在使用中液氮存储及气化工艺存在长期超压问题，储罐压力不能控制在0.825~0.85 MPa之间，尤其是在夏季，当罐压已经上升到0.95 MPa时，A2阀还没有气相通过从而把罐压降下来。为了安全操作员只有通过打开V4阀对空排放的方式给储罐降压，浪费了氮气。

储罐压力超过设定值存在以下问题：

(1)氮气管网压力超压，超过设定值0.75 MPa，这一方面导致火炬吹扫用氮气量大幅增加，浪费了氮气，另一方面超过了罐内泵和高压泵输出泵动力接线盒氮封的设计压力(0.75 MPa)，引起在DCS上的报警。

(2)如果罐压超高，可能会引起事故，如法兰泄漏、仪表连接螺纹漏气、安全阀启跳、爆破片漏气或破裂等事故。

关于储罐超压的原因最初认为A2阀或单向阀C出了故障，不能正常工作，后经连续观察记录，当罐液位高于70%时，没有气相通过A2和C阀，当液位降到70%时开始有少量气相间断从A2阀通过，当液位低于50%就有大量气相从A2阀连续通过，此时液氮储罐的压力是可以控制在所设定的0.825~0.85 MPa之间的。

1.3 对问题产生原因的分析

根据上文对液氮系统工艺的说明和4个调压阀压力的设定可知，A2阀的作用是为了节约用气和降低罐压，其原理为当内罐顶部气相的压力超过A2阀的开启压力时(0.85 MPa)，A2阀打开，罐顶的气相通过A2和单向阀C，经V2阀排入氮气管网，同时截断液相流，从而降低罐内压力，避免了当罐压超高时通过手动打开V4对空排放而浪费氮气的情况；当内罐顶部气相的压力小于A2阀的开启压力时，A2处于关闭状态，V2阀排放液相。那么造成使用过程中罐压力超高，不能控制在设定范围之间的原因是什么呢？

经过分析其原因是在罐液位高时调压阀A2和单向阀C(即图2中A、B两点)前后的压力差不足以克服此两阀对流体的阻力降即排气点到储罐液面的液柱静压力pH。

式中：pB—B处压力，MPa；

p—气相空间压力，MPa；

pH—排液管顶端到液面的液柱静压力，MPa；

p2—管路阻力，MPa。

式中：PA—A处的压力，MPa；

p—气相空间压力，MPa；

p3—管路的阻力，MPa。

由于管内流体的流速很低，管路阻力p2、p3可以忽略不计。所以：

A2阀和单向阀C前后的压力差：

由以上分析可以看出A2阀和C阀前后的压力差的大小与罐液位高低有直接关系，液位高时压力差就小，反之压力差就大。

图2 原因分析

当液位高于 70%的时候，排气点到液面的液柱静压力较小，即A2阀和C阀的前后压力差不足以克服 A2阀和 C阀对流体的阻力(将此阻力记作Δp2)，所以即使罐压大于A2阀的设定点0.85 MPa，气相仍不能通过，也就不能自动降低罐的压力。当罐液位低于50%时Δp1一直大于ΔP2，气相始终能通过A2和C；当液位在50%与70%之间时，Δp1刚大于ΔP2，有气相通过A2后，A处的压力下降，Δp1又小于或等于 ΔP2了，所以有少量间断气相通过A2阀。

2 液氮系统的改造方案探讨

由上面的分析可知，造成我公司液氮系统在使用中的压力不可自动控制(贮槽液位高于 70%时)的原因是调压阀A2和单向阀C前后的压力差太小，不足以克服调压阀A2和单向阀C自身对流体的阻力。

为了使液氮储罐系统更好的工作，能自始至终自动控制自身压力在0.825~0.85 MPa之间，提出以下改造方案。

改造方案中增加 3个手动阀、3个调压阀、3个单向阀和1个减压阀。

具体方案见图3。

图3 液氮系统改造方案及原理

图3中灰底阀件和管线表示是改造增加的，其中A5是型号和A2一样的调压阀，C1是型号和C一样的单向阀，在输出管线V2阀后加装减压阀A6，经改造后工艺流向和控制为：正常气化时，液氮流经V2，经减压阀A6减压后经过气化器E1或E2气化升温给氮气管线供气。在贮槽压力低于 0.825 MPa时，A1阀自动打开，一小股液氮经增压气化器Pr气化后经A1、V3返回贮槽顶部给贮槽增压，当槽顶部压力达到0.825 MPa时A1阀自动关闭，停止增压。如果贮槽压力异常高于0.85 MPa后调压阀A5打开，贮槽顶部气相经V3、V9、A5、C1、V5进入输出管线，从而降低贮槽的压力，当贮槽压力降到0.85 MPa以下时A5阀关闭，贮槽顶部气相不再流向输出管线。这样贮槽压力就会维持在0.825~0.85 MPa之间。

为了实现上面的改造设想，我们在输出管线上增加了一个减压阀A6，这样：

A5阀前压力＝贮槽顶部气相压力p；

C1阀后压力p2＝p-pH-减压阀A6的压力p3；

A5和C1的前后压差ΔP= p-p2= pH+p3。

只要我们通过合理设定A6后的压力，就可以保证ΔP不管贮槽液位如何，始终大于A5和C1对流体的阻力降。

经与液氮贮槽厂家技术人员联系，给出的 A5和C1对流体的阻力降都约为10 kPa。经过观察记录得出的实际数据分析，在ΔP为14 kPa(储罐液位在70%)时有少量断续的气相通过A2和C阀，在ΔP为22 kPa(储罐液位在50%)时始终有气相通过A2和C阀。也就是只要A6阀提供22 kPa的减压量就可以实现改造设想。所以只要将A6阀后压力设定在0.8 MPa就能始终保证ΔP始终大于A5和C1对流体的阻力降。