液化天然气低温储罐吹扫干燥方法及应用探讨

贺 彬，郭正东

(合肥燃气集团有限公司，安徽 合肥 230000)

天然气是一种绿色能源。我国天然气行业发展起步较晚，2018年天然气在一次能源中的占比仅7.5%。为了提高能源普及率，国家能源局提出未来几年将天然气作为我国重点培育的主体能源之一，力争2020年一次占比达到10%，这为天然气行业提供了极为广阔的发展前景。

天然气液化后体积大幅缩小，方便运输。液化天然气(LNG)一般存储于储罐中。LNG储罐[1]可以作为沿海大型LNG接收站、内陆地区LNG调峰站及液化厂等的储存站。文中以合肥燃气集团有限公司104m3双壁低温常压LNG储罐为例，介绍LNG储罐吹扫、干燥方法及其使用过程中的问题及采取的解决方法。

1 LNG储罐概况及分区吹扫要求

该104m3双壁低温常压LNG储罐外罐材质Q345R，内罐材质9%镍钢，内罐底部安装泡沫玻璃砖，内、外罐间夹层填充膨胀珍珠岩。储罐安装完毕后正式投入使用前，要求进行吹扫干燥和预冷调试。储罐吹扫分区见图1。

图1 LNG储罐吹扫分区示图

图1中所示的A区包括储罐的内罐和罐顶，B区为夹层环形空间，底部绝热空间无吹扫要求。根据GB/T 26978—2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造》[2]制定吹扫和干燥操作技术指标，见表1。

表1 LNG储罐各区吹扫和干燥技术指标

2 LNG储罐吹扫干燥方法要点讨论

2.1 干燥置换介质

安装合格的储罐进行吹扫操作前，先要进行水压试验。若水压试验与储罐吹扫间隔时间短，则储罐内有可能存在大量的水蒸气和游离水[3]，这时如果单独用氮气进行吹扫干燥，氮气消耗量会较大。如果采用空气+氮气相结合的吹扫方案，即先用热干空气预吹扫干燥，当测得储罐内混合气体露点达到10 ℃后再用氮气进行吹扫干燥，则可以提高吹扫速度，减小氮气用量，节约成本。

执行此方案需要对空气进行品质优化和参数控制，主要包括[4]：①除油。为预防带油空气对储罐设备、管道的污染，压缩机选择无油空压机，并在空压机出口安装过滤器(除油)进行双层保险。②加热。为提高吹扫干燥效率，可以对空气进行加热处理。选取干燥和空气加热相结合的方式获得干燥的高温空气。③流量。单位时间内进入储罐的干空气流速越快，其达到露点合格需要的时间相对就短，从压缩机的性能、经济性综合考虑，选择体积流量为2 500 m3/h(标准状态)。

2.2 干燥置换方式

储罐吹扫有2种常用方法，一种是持续吹扫法，另一种是升压式吹扫法。持续吹扫[5]的特点是保持储罐在一定压力下，调节储罐氮气进气阀和出气阀，保持进、出气处于平衡状态。升压式吹扫的特点是关闭储罐排气口，持续对储罐进行升压，待达到一定压力后保持稳定，让罐内气体充分混合后再进行储罐降压，持续反复进行储罐升压、降压，并定时检测露点。LNG储罐吹扫一般采用持续吹扫法+升压式吹扫法。储罐吹扫过程分为前后2个阶段[6]，以检测到储罐内空气露点约-5 ℃为划分界线。第一阶段为干燥阶段，采用持续吹扫法实施干燥，使用的介质为干空气。第二阶段为置换阶段，采用升压式吹扫法实施干燥和置换，使用的介质为氮气。文中重点讨论第二阶段的氮气升压式干燥、置换过程。先进行储罐A区吹扫干燥，待露点合格后再进行B区露点吹扫、干燥。

2.2.1氧气置换计算

用氮气置换储罐内空气时，要监测储罐内氧气含量[7]，确保氧含量降低到规范值，防止在进行置换过程中出现安全隐患。操作时，首先进行储罐升压，待达到20 kPa时稳压静置约1 h，假设稳压静置后储罐内氮气与原气体充分混合，打开储罐放散阀迅速释放储罐压力至约1 kPa，重复这样的升压、混合、泄压操作，来达到置换氧气的目的。罐内的氧气体积分数可用式(1)表示[8]。

Cn=C0(p0/p1)n

(1)

其中

p1=p0+Δp

式中，Cn为进行n次升压置换后的氧气体积分数，C0为储罐内氧气的初始体积分数，一般取21%。p0为储罐内初始压力，p0=101.3 kPa；p1为充入氮气后储罐内的绝对压力，Δp为充入氮气后储罐内的相对压力，一般取20 kPa。经计算，理论上经过7次置换后氧气体积分数大约为6%，但实际操作时氮气置换过程中很难达到完全混合，实际的置换次数会比理论值大。

2.2.2区域A吹扫要点

LNG储罐区域A的吹扫操作示意图见图2。

图2 LNG储罐区域A吹扫方式示图

吹扫要点和要求包括6点[9]，①干燥、置换期间监控储罐内压力，严禁超过30 kPa。②置换期间确保环形空间吹除气出口阀V129关闭。③氮气吹扫前，检查氮气露点，保证氮气露点不大于-60 ℃，打开内罐吹除气进口阀V121(全开)，氮气进入内罐进行升压。④当内罐压力达到20 kPa时关闭内罐吹除气进口阀V121，静置混合一段时间后，打开罐顶吹除气出口阀V133(全开)，将置换氮气放入大气。⑤初次吹扫速度要慢，待释放氮气2次后，可按700 m3/h(标准状态)体积流量进行吹扫。⑥在罐顶吹除气出口阀V133处检测氧气体积分数和排放的氮气露点，当氧气体积分数和氮气露点接近要求值时，进行下一步操作。

2.2.3区域B吹扫要点

LNG储罐区域B的吹扫操作示意图见图3。

图3 LNG储罐区域B吹扫方式示图

吹扫要点和要求包括4点，①待区域A干燥、置换合格后，开始置换B区域。②打开内罐吹除气进口阀V121(全开)，氮气进入内罐进行升压，关闭其他出气口阀门。③当内罐压力达到20 kPa时关闭内罐吹除气进口V121，静置混合一段时间后，打开环形空间出气口阀门V129(全开)，将储罐内气体放散到空气中。④控制吹扫速度，定期检测环形空间吹除气出口阀V129处排放气体体积分数和氮气露点，当氧气体积分数和氮气露点接近要求值时，进行下一步操作。

2.2.4底部绝热层吹扫要点

LNG储罐底部绝热层的吹扫操作示意图见图4。

图4 LNG储罐底部绝热层吹扫方式示图

现场安装好底部绝热层管线后[10]，打开底部绝热层吹除气出口阀V127和V128、底部绝热层吹除气进口阀V130，缓慢由底部绝热层吹除气进口阀V130通入干燥氮气，观测底部绝热层吹除气出口阀V127和V128及内罐底板。依据底部绝热层中通道堵塞会引起干燥、置换底部绝热层时的压力升高，并造成内罐底板及其与内罐筒体连接处的破坏。判断底部绝热层是否存在堵塞情况。

若是发现储罐底部绝热层堵塞，则执行GB/T 26978.5—2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造 第5部分：试验、干燥、置换及冷却》第5.2、5.3条规定，干燥、置换时对罐底绝热空间不做要求，即不干燥、置换底部绝热层。

若底部绝热层没有堵塞，则按以下3个步骤执行底部绝热层的干燥和置换，①打开底部绝热层吹除气出口阀V127(全开)和V128(全开)、底部绝热层吹除气进口阀V130(1/10圈开度)，开始置换底部绝热层。②在底部绝热层吹除气出口阀V127和V128处检测氧体积分数和排放氮气的露点。③当底部绝热层吹除气出口阀V127和V128处氧体积分数和排放氮气的露点12 h无变化时，关闭底部绝热层吹除气进口阀V130、底部绝热层吹除气出口阀V127和V128。

3 LNG储罐吹扫干燥实施及整改措施

3.1 吹扫干燥过程及存在问题

在该LNG储罐吹扫干燥过程中，内罐及罐顶的吹扫过程较为顺利，按照操作流程约1周时露点就达到-20 ℃、氧体积分数低于2%。为保证储罐整体的保冷效果，防止底部泡沫玻璃砖残存游离水，对底部绝热层进行吹扫干燥。但底部吹扫干燥一直未达标，持续15 d的吹扫(每天消耗液氮20 m3)，底部出气口检测的露点下降不明显，仅从18 ℃下降到14 ℃。经初步分析，认为底部泡沫玻璃砖处可能存在过多水分，短时间内露点难以达标[11]。进一步的排查和分析主要从2个方面展开，①LNG内罐底板存在漏点。在对储罐进行水压沉降试验时，有水渗透到罐底。但在水压沉降试验前，对内罐底板(焊缝及底板板面)进行真空箱查漏和渗透检测，均合格，水压试验后又进行了一次查漏，均未发现漏点，故排除了内罐泄漏的可能。②储罐底部在施工过程正值合肥梅雨季节，雨水多，湿气大，存在罐底积水的可能性，加之底部泡沫玻璃砖等绝热材料在施工过程中吸收了环境中的大量水分且不易挥发，这有可能是储罐底部露点下降不明显的原因。

3.2 整改措施及实施效果

3.2.1提高氮气进气温度

保持一定的吹扫流量，在储罐底部氮气入口处增加1组加热装置，提高氮气温度至80 ℃，以增加底部区域水分挥发和提高气体运动活力，整改效果见图5。从图5可以看出，提高吹扫氮气温度前，露点随着时间的延续总体呈缓慢下降趋势，数值在13～18 ℃变动；提高吹扫氮气温度后，露点随着时间的延续呈先升后降，数值在6～20 ℃变动，说明加热后的氮气可以较快带走罐底的水分[12]。

图5 提高吹扫氮气温度前后储罐内露点随时间变化曲线

3.2.2加大氮气吹扫流量

保持内罐压力、氮气温度不变，提高氮气吹扫流量，加快氮气在储罐底部的运动速度，整改前后效果对比见图6。从图6可以看出，加大氮气流量前，随着时间的延续，露点值总体在6 ℃附近浮动，最大值与最小值相差不超过1 ℃；加大氮气流量后，随着时间的延续，露点总体呈下降趋势，最大值与最小值相差超过8 ℃，说明加大氮气吹扫流量对底部的干燥有一定的效果[13]。

图6 加大氮气流量前后储罐罐内露点随时间变化曲线

4 结语

储罐吹扫、预冷调试是储罐安全运行的重要保证。单一氮气吹扫干燥方式的氮气消耗大[14]，很难准确计算氮气用量。先用热干空气吹扫干燥，待露点达标后换氮气吹扫，采取持续式和长压式相结合方式，必要时采取加热氮气和提高氮气流量的措施，可达到较理想的吹扫效果。采用加热氮气和提高氮气吹扫流量的方法吹扫干燥储罐底部时，内罐与底部的压差不宜过大[15]。底部的吹扫流量并不是越大越好，要根据具体的结构分析底部吹扫口处泡沫玻璃砖的局部受力情况，以防止底部局部受力过大给内罐底板带来额外的应力损伤。