中型单容LNG储罐在珠海天然气液化装置的应用

袁 清 姜伟强

(中海石油广东液化天然气有限公司)

中型单容LNG储罐在珠海天然气液化装置的应用

袁 清 姜伟强

(中海石油广东液化天然气有限公司)

单容LNG储罐在中小型天然气液化装置中应用广泛,且造价低廉,但其安全性较低。静态日蒸发率的高低及压力控制系统是否能够控制储罐压力在正常范围内是衡量单容罐性能优良与否的重要表征。珠海天然气液化装置拥有两座相同的中型单容LNG储罐,从该装置的实际运行情况出发,测算了储罐的静态日蒸发率随充满率的变化情况,并分析说明造成储罐压力快速变化的原因以及压力控制系统的控制效果。

LNG 储罐 单容 液化天然气 静态日蒸发率 压力控制

液化天然气是目前世界上应用越来越广泛的一种清洁能源,是天然气净化和液化处理后形成的液态产品,主要成分是甲烷。常压下的温度约为-162℃,体积约为标准状况下气态的1/625,通常储存于压力稍高于大气压的LNG储罐中。由于甲烷的易燃易爆危险性以及LNG的超低温特性,作为天然气液化厂及LNG接收站用于大量储存低温液化天然气产品的容器,LNG储罐要求必须具有良好的安全性和绝热性能。就安全性而言,除按照规范要求设计必须的消防设施以及满足抗震要求外,还须设计有效的压力控制系统;而就储罐的绝热性能来说,衡量其好坏的重要指标是储罐的静态日蒸发率。

1 LNG储罐的类型

通常按储罐的容积划分类别[1],如表1所示。按储罐的结构形式,一般可分为单容罐、双容罐和全容罐[2],3种形式储罐的优缺点如表2所示。

表1 低温LNG储罐按容积划分的类别Table 1 Category of low temperature LNG storage tank divided by capacity

表2 3种形式储罐的优缺点Table 2 Advantages and disadvantages of three types of tank

2 装置的LNG储罐结构参数

珠海天然气液化装置是一座LNG日产量为365 t的基本负荷型液化装置。考虑7天的储存能力,需要一台容积为7 000 m3左右的LNG储罐,但是考虑到建造难度、安全性、投资以及消防能力,最终选择修建了两台结构完全相同的中型单容罐并列布置,其容积均为3 850 m3。该装置储罐于2007年建成并投入使用,是当时国内自行设计建造的最大的LNG常压储罐。

2.1 储罐结构

储罐为立式圆筒形、双层壁、平底及拱盖结构,采用珠光砂粉末正压堆积绝热。设备主要由内罐、外罐、绝热层、平台梯子、阀门仪表及基础平台等组成。设备结构如图1所示。

内罐主要由顶盖、筒体和底板组成,均采用奥氏体不锈钢。罐体设有顶人孔和侧人孔(工艺人孔),检查内罐时,须从顶人孔进入,通过罐内直梯可到达内罐底板上。

外罐主要由外顶盖、外筒体和外底板组成,材质为16MnR(外罐体底圈壁板为不锈钢)。外罐也与内罐一样,设置有顶人孔和侧人孔,以利于检修、维护。外罐底板铺设在基础平台上,底板上铺设泡沫玻璃砖及负荷分配板,内罐底板则铺在负荷分配板上,内罐及液体重力通过负荷分配板均匀分布在玻璃砖上,内罐四周通过42个锚带紧固,防止内罐在举升力作用下,底部产生外凸变形。底部泡沫玻璃砖厚度为800 mm。

储罐采用正压堆积隔热[3],在内罐和外罐之间的夹层充填珠光砂,厚1 150 mm。为使绝热材料干燥,夹层充以干氮气保护,保证储罐具有良好的绝热性能和较低的日蒸发率。

2.2 储罐技术参数

LNG储罐技术参数见表3。

表3 珠海天然气液化装置LNG储罐技术参数Table 3 LNG storage tank technical parameters of Zhuhai natural gas liquefaction plant

3 储罐的静态日蒸发率

LNG储罐绝热性能的一个重要技术参数为静态日蒸发率,即储罐装有LNG时,静置达到热平衡后,24 h内自然蒸发损失的LNG液体质量和储罐内LNG液体质量的百分比。本储罐设计要求在有效充装容积完全充满LNG的情况下,其静态日蒸发率须小于0.14%,即满罐情况下每天LNG静态蒸发量小于2.24 t。

储罐的绝热损失包括3部分:①夹层珠光砂绝热损失Q1;②储罐底部泡沫玻璃砖绝热损失Q2;③进排液(气)管、人孔、内罐拉带的绝热损失Q3。

利用文献[4]的模型假设条件及稳态导热方程可计算出上述3部分的绝热损失,进而算得满罐条件下的日蒸发率为0.11%。通过统计实际运行中的参数可知,实际满罐条件下日蒸发率约为0.10%,接近计算值。实际蒸发率(蒸发量)与充满率的关系见图2和图3。

从图2和图3可以看出,随着储罐充满率的增大,其日蒸发率随之降低,但是降低速率逐渐减小。如果将日蒸发率换算成日蒸发量,却可随充满率的增大而增大。这是因为储罐液相与环境的温差△T1大于气相与环境的温差△T2,充满率越高时,△T1的面积越大,绝热损失越大,导致蒸发量越大。

4 储罐的压力控制系统

不难想象,无论超压还是负压,对储罐均会构成严重的威胁。因此,压力安全保护系统的设计十分关键。储罐的压力控制系统如图4所示。

本装置两台储罐分别设计有两套压力检测系统、两级高压保护措施以及三级低压保护措施,并针对两台储罐的不同工况,分别设计有进液储罐和非进液储罐的压力保护逻辑,可以实现不同储罐在同一压力条件下触发不同的保护措施,确保储罐安全。在高压保护中,选择两套压力检测系统中压力较高的信号进行控制,而在低压保护时,选择检测压力较低的信号进行控制,降低因压力传感器的检测偏差导致压力保护措施动作滞后引起事故的概率。而安全阀完全由机械系统控制,当内罐实际压力达到安全阀的设定压力时阀门自动打开。

4.1 储罐超压

LNG储罐内储存的LNG为饱和液体,温度在-160℃左右。尽管低温储罐有良好的绝热性能,但仍有多种可能会引起储罐超压,尤其是在储罐液位较高,气相空间较小的情况下,造成储罐超压的情况主要有如下几种:

(1)初始进液:进液管线温度较高,进料LNG快速蒸发。

(2)进液切换:当由一个储罐进液切换至另一储罐进液时或者在储罐的上下进液之间进行切换时,都有可能造成储罐压力快速上升;当操作幅度较大且储罐液位较高时,储罐压力能在10 s之内上升3 k Pa之多,即由正常操作压力(15 k Pa)上升至安全阀打开的压力(18 k Pa)。

(3)LNG泵(罐外泵)启动:LNG泵后回流管线如果长期未使用,其温度相对LNG会很高。LNG突然大量进入会快速蒸发,造成储罐压力快速上升。

(4)BOG压缩机故障吸气量减小或停止运行。

(5)工艺系统窜压:如由于工艺系统大量气体排放入火炬,造成火炬压力升高,气体反窜入LNG储罐。

(6)LNG翻滚:造成翻滚的原因是因为储罐中的LNG发生了密度分层,当两层不同密度的LNG快速混合时产生大量的闪蒸气,造成储罐超压。

实际运行中,由(2)和(3)造成储罐压力快速上升的情况时有发生,并曾造成过安全阀起跳泄压,但只要操作速度放缓,一般都能由压力调节阀控制储罐压力在安全阀起跳压力以下。

4.2 储罐失压

造成储罐压力快速降低甚至负压的情况较少,主要有如下几种:

(1)进液切换:当储罐有较长时间没有新鲜LNG注入时,由于轻组分的蒸发,其储存的LNG会逐渐老化,密度及饱和温度会逐渐升高;当温度及密度更低的新鲜LNG起初由上部注入储罐时,储罐原有LNG的温度会降低,且由于混合,二者的密度会趋于一致。但由于热量传递较质量传递速度更快,当储罐中下部的温度下降时,其组分变化更为缓慢,这样就使得这部分LNG由饱和态变成了过冷态[5-6]。当由上进液切换至下进液时,储罐下部的过冷LNG遇到进料的饱和LNG,过冷LNG温度上升的同时会降低饱和LNG的温度,使其闪蒸BOG量大幅减少;当底部LNG全部呈饱和态后,产生的BOG上行遇到储罐中部存在的过冷LNG后,仍然会被冷凝为液体,在这段时间内几乎没有进料BOG的产生,储罐压力会迅速下降;当储罐中过冷LNG温度全部上升到饱和温度时,其进料BOG产量即恢复正常,但由于下进液的背压高,产生的BOG量要小于上进液。

(2)BOG压缩机吸气量超过储罐BOG产量。

(3)LNG泵排液速度过快。

实际运行中,由第1种情况造成储罐压力快速下降的现象时有发生,可通过调整BOG压缩机的负荷或由压力控制系统控制装车BOG或净化后的天然气进行补压,以提高储罐压力,避免压力降低触发关断,甚至储罐抽空失稳[7]。

5 结语

采用正压堆积隔热的单容式LNG储罐的静态日蒸发率随充满率的增大而降低,但是降低速率随充满率的增大而减小。在进行储罐进出液切换等操作时要格外注意,防止操作过快导致储罐压力上升过快。正常操作时,储罐的压力控制系统能起到有效的调压作用,控制储罐压力在正常工作范围以内。

[1]王冰,陈学东,王国平.大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业,2010,30(5):108-112.

[2]张晓东,李积杰.单容式大型LNG低温储罐设计[J].通用机械. 2009,6:69-70.

[3]顾安忠.液化天然气技术.北京:机械工业出版社,2004.

[4]王武昌,李玉星,孙法峰,等.大型LNG储罐内压力及蒸发率的影响因素分析[J].集输工程,2010,30(7):1-6.

[5]陈雪,李明.LNG储罐内BOG动态模拟研究[J].油气储运, 2008,27(11):36-40.

[6]陈帅,田士章,胡文江,等.LNG储罐冷却过程中BOG回收量探讨[J].石油与天然气化工,2013,42(4):373-377.

[7]张奕,艾绍平.液化天然气气化站中BOG压缩机运行的动态模拟与优化[J].石油与天然气化工,2012,41(1): 53-57.

Application of medium-sized single capacity LNG storage tank in Zhuhai natural gas liquefaction plant

Yuan Qing,Jiang Weiqiang
(CNOOC Guangdong Liquefied Natural Gas Company Limited,Zhuhai 519060,Guangdong,China)

Single capacity LNG storage tanks are widely used in small and medium-sized natural gas liquefaction plants.The cost of tank is low,but the security is poor.The discretion of the static daily evaporation rate and whether the pressure control system can control the tank pressure within the normal range are the important characterization to evaluate the performance of single capacity tank.Zhuhai LNG plant includes two medium single LNG storage tank with the same size,based on the practical operation of the device,the change of static daily evaporation rate with filling level were measured,the cause of the rapid change of the tank pressure was analyzed,and the control effects of pressure control systems were demonstrated.

LNG,storage tank,single capacity,liquefied natural gas,static daily evaporation rate,pressure control

TE626

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.008

2014-03-14;

2014-03-31;编辑:康 莉

袁清(1985-),男,工程师,主要从事液化天然气工厂生产技术管理工作。地址:(519060)广东珠海香洲区横琴新区环岛北路1680号。电话:0756-8921000。E-mail:yq2513@163.com