浅谈LNG低温储罐预冷技术

(合肥燃气集团有限公司，安徽合肥230000)[摘要]在LNG储罐进液前，为保证储罐设备及管道系统安全可靠，同时检查阀门、安全阀及法兰连接处的密封情况，可以用低温液体对LNG管道及储罐系统进行预冷操作。本文以某新建10000m3的LNG场站为基础，研究其预冷后管道、储罐系统的安全性与稳定性，同时对法兰连接处进行冷紧处理，为LNG进液铺垫基础；本文对整个LNG储罐的预冷系统进行了详细分析，包括预冷前提、三种不同预冷方式、预冷流程、注意事项，同进进行了基于冷量热平衡下预冷介质用量的分析，通过计算可得出预冷所需介质的最大、最小用量，为其他LNG储罐工程预冷介质的选择提供了计算依据。[关键词]LNG；预冷；储罐；热平衡[中图分类号]TQ[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2019)18-0126-02贺彬，郭正东

DiscussiononPreCoolingTechnologyofLNGCryogenicStorageTank

HeBin,GuoZhengdong(HefeiGasGroupCo.,Ltd.,Hefei23000,China)Abstract:Inordertoensurethesafetyandreliabilityofstorageequipmentandpipelinesystem,andtocheckthesealingconditionofvalves,safetyvalvesandflangejoints,theLNGpipelineandstoragetanksystemcanbepre-cooledbycryogenicliquidbeforetheLNGtankisinjected.Basedonanewlybuilt10000mGongLNGstation,thispaperstudiesthesafetyandstabilityofthepipelineandstoragetanksystemafterpre-cooling.Atthesametime,theflangeconnectioniscold-tightenedtolaythefoundationforLNGliquidintake.Thispapermakesadetailedanalysisofthepre-coolingsystemofthewholeLNGtank,includingpre-coolingpremise,threedifferentpre-coolingmodes,pre-coolingprocessandprecautions.ItisclearthattheLiquidNitrogenPrecoolingmethodwechooseisstableandfeasible,andcanbeusedasareferenceforotherLNGtankprojects,simultaneouslybasedontheanalysisoftheamountofpre-coolingmediumunderthebalanceofcoolingandheat,themaximumandminimumamountofpre-coolingmediumcanbeobtainedbycalculation,whichprovidesabasisfortheselectionofpre-coolingmediumforotherLNGstoragetankprojects.Keywords:LiquidNaturalGas；precooled；storagetank；heatbalance1概述

合肥市城市建设大发展导致对天然气能源的需求急剧增加,为保障合肥市天然气供应的安全、稳定、可靠，合肥燃气集团在北城建立LNG应急调峰气源工程，提高了合肥市储气和应急调峰能力。新建LNG工程，包括卸车系统、储罐系统、气化系统、调压系统、BOG系统等，其中储罐系统处于核心地位，主要用于存放LNG，由于LNG是一种低温、易燃、易爆的介质，故在正式进液前，需要对储罐及其附属管道进行吹扫、预冷，以确保储罐运行中系统稳定性及安全性。3预冷注意事项

2储罐结构

本文所述储罐为双层金属结构[1]，储罐容积为内罐10000m3，外罐直径为27000mm，高度为215mm；内罐直径为25000mm，高度22000mm，外罐材质Q345R，内罐材质为S30408，外罐为拱顶，内罐为吊顶，内外罐夹层间填充珠光砂，底部夹层铺垫泡沫玻璃砖，内外罐顶部空间用矿物岩棉覆盖，整个储罐总重量为950000kg，如图1所示。图1LNG储罐Fig.1LNGstoragetank[收稿日期][作者简介]3.1预冷前准备工作储罐在运行过程中，由于LNG低温性(沸点在-165℃左右)，超低温下金属材料及焊缝会产生收缩变形，同时焊缝的残余应力及其他载荷引起的应力共同作用下，有可能引起焊缝产生裂纹，给储罐后续的运行带来安全隐患，这就要求在预冷过程中，严格控制预冷介质用量及储罐冷却速度。在储罐进行预冷前，需要确保达到以下一些条件[2]：(1)确保所有工程基本完工，包括土建工程、电气、仪表工程、工艺系统、消防系统等，所有工艺管道完成强度试验、气密性试验；(2)整个储罐系统(包括储罐本体、各条管线系统)进行吹扫、置换；因为LNG低温性，故在其进行储罐后，若储罐内部未干燥，会造成水气结冰现象，给储罐、阀门带来严重损害；(3)仪控系统运行可靠，储罐上呼入阀、呼出阀等可控，EAG放散系统畅通；(4)液氮供应充足、防爆对讲机、相关仪器露点仪、氮气分析仪等准备齐全；3.2预冷目的及方式LNG储罐正式进液前需要进行预冷，主要是验收储罐及附属管道、阀门安装过程中的质量性及低温下产品性能能否达到设计要求：(1)检查低温下阀门、法兰的密封性及可操作性；(2)检查管道焊缝低温下的质量特性；(3)检查管道系统是否满足保冷及应力冷缩变形的要求；(4)检查储罐在预冷过程中有无变形、异常情况。LNG储罐的预冷一般有三种方式[3]：液氮预冷：液氮的常压温度达到-195.8℃，而LNG通常储存在-162℃，未防止储罐温度过低，故在用液氮进行预冷的时候，在储罐温度达到-162℃左右时，即可停止；LNG预冷：由于LNG易燃、易爆，且LNG价格昂贵，如果用LNG进行预冷，成本太高，在出现泄漏的时候，还容易造成安全事故；液氮+LNG预冷：这种方式预冷一般分两步，首先用液氮预冷至一定温度后，再用LNG进行预冷，在一定程度上可减少成本及安全隐患。2019-07-15贺彬(1990-)，男(汉族)，安徽淮北人，硕士，主要从事天然气工程建设管理工作。2019年第18期第46卷总第404期广东化工www.gdchem.com·127·4预冷介质用量计算

LNG储罐在预冷过程中，预冷介质的消耗量与储罐内热量的平衡状态有很大关系，实际上，储罐若达到热平衡状态，需要很长时间甚至几个月的时间。通常情况下，我们在预冷过程中储罐绝热层是没有达到充分冷却的，是一种非热平衡状态，但在这里，我们假设储罐处于热平衡状态，用来计算预冷所需的最大介质量。LNG储罐预冷过程中的冷量来源于介质本身的能量，主要消耗用于内罐、绝热材料(夹层珠光砂、罐顶保温棉、底部混凝土、泡沫玻璃砖等)、罐内气体的温降及储罐的漏热。由物质吸收冷量计算公式：QMCpT(1)式中：M—表示物质的质量，kg；Cp—表示物质的比热容，kJ/(kg·K)；△T—表示预冷前后温度差；可得出Q总MiCiTiQ7，Q7i16出来的预冷介质量就少很多。我们取非热平衡状态下的介质量为最小量，热平衡状态下的介质量为最大量，通过计算，以在建的10000m3为例，我们得出液氮的最大用量约为最小用量的两倍左右。5预冷流程

本文所讲储罐预冷分为两个步骤：5.1液氮管线预冷液氮管线预冷一是防止液氮温度极低，冻伤人员；二是检查阀门、安全阀、法兰连接处等是否有泄漏，同时在法兰连接处进行冷紧处理。在进行预冷时，以两处阀门间的管道为一小节，一节一节向前推进进行预冷，避免预冷速度过快，给管道带来损伤。首先关闭这一小节管道的末端阀门、EAG底部根阀，打开EAG旁通阀门，然后缓慢打开液氮罐根部出口阀门进行管线预冷，待末端阀门处出现挂霜现象后，可打开此阀门，按上述步骤同样操作，进行下一节管线的预冷。5.2储罐预冷在液氮管线预冷完毕后，此时液氮已到达预冷进液阀V158处，此阀门为液氮管线进入储罐的根阀，示意图见图2。(1)缓慢打开阀门V158(1/5圈开度)让液氮进入储罐；(2)通过调节预冷进液阀V158(1/5圈开度逐步调整)开度来调节冷却速度，这里要注意在预冷时储罐要缓慢逐步进行降温，切忌温度下降过快，导致设备、钢板损伤，这里可控制降温速度在3~5℃左右，同时要控制罐壁或罐底上任两个相邻热电偶之间的最大温差在30℃以内；(3)在预冷过程中，中控室及现场都需要记录储罐压力，防止压力过高，待压力超过正常工作值时(这里储罐压力为25KPa)，要通过储罐放空阀进行放散，待储罐压力降至7KPa时，关闭放散阀，在继续进行液氮预冷。(4)继续由预冷进液阀V158所在管线注入液氮，待罐底温度达到-162℃，罐壁温度达到-140℃左右时，同时要检测储罐外壁温度，确认储罐绝热良好后，可停止预冷工作。tV

其中：α—储罐日蒸发率，%；γ—LNG气化潜热，kJ/kg；ρ—常压下LNG密度，kg/m3；V—内罐体积，m3；t—预冷时间，h。Q1为内罐吸收的冷量、Q2为罐底混凝土垫层吸收冷量、Q3为夹层珠光砂吸收冷量、Q4为罐底泡沫玻璃砖吸收冷量、Q5为罐顶玻璃棉吸收冷量、Q6为内罐气体吸收的冷量、Q7为抵消外界热量吸收的冷量。最后得出热平衡状态下的预冷介质用量：G总Q总'，γ’—预冷介质的汽化潜热，kJ/kg；当然在实际情况中，LNG储罐预冷时间很短，并不会要求各'绝热材料达到完全冷却状态，一般我们取Q总Q1Q2，这样计算图2预冷流程图Fig.2Pre-coolingflowchart6总结

预冷是LNG储罐安全运行的最后一道保护闸，要充分认识到预冷的重要性和危险性，在储罐预冷结束后要静置2~3天，观察储罐压力是否稳定，各个系统的管路、阀门、法兰等处是否有泄漏现象，同时要观察管道冷缩和管托的变化情况，是否有变形情况发生；根据工程特点及现场施工环境，合理调整预冷施工顺序，同时要注意保证施工人员的安全，做好应急预案工作。另外，预冷介质的用量受当地的气候、预冷速度、预冷时间等多种因素影响，我们在选择预冷方式的时候，要综合考虑这些影响因素，选择适合自己的最优预冷方案。参考文献

[1]张春方，张敏丹10000LNG储罐的置换与预冷操作[J]．广东化工，2014，41(23)：116-117．[2]王瑞日．LNG气化站液氮预冷技术探讨[J]．广东化工，2018，45(6)：122-123．[3]徐艳华．大型LNG储罐预冷规律研究[D]．中国石油大学，2016．[4]樊园园．LNG储罐预冷小结[J]．科技信息，2013，16．[5]贺永德．天然气应用技术手册[M]．北京：化学工业出版社，2009，12：34-38．m3

(本文文献格式：贺彬，郭正东．浅谈LNG低温储罐预冷技术[J]．广东化工，2019，46(18)：126-127)