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            首頁 > 行業資訊

            【論文精選】小型LNG氣化站預冷方法對比分析

            專題網友投稿2022-08-13A+A-

            【論文精選】小型LNG氣化站預冷方法對比分析

            原創 賴家俊,等 煤氣與熱力雜志
            煤氣與熱力雜志

            GAS-HEAT1978

            《煤氣與熱力》始于1978年,創刊于1981年,中國核心期刊,中國土木工程學會燃氣分會會刊。篩選燃氣供熱行業最有價值的技術信息,新聞分類整理、政策標準、熱點討論、投稿查詢、論文檢索、寫作指導、編委風采、精品會議……

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            http://www.gasheat.cn/Periodical/index.html

            者: 賴家俊,馬志先

            第一作者單位:中海石油氣電集團

            摘自《煤氣與熱力》2021年7月

            參考文獻示例

            賴家俊 ,馬志先 .    小型 LNG 氣化站預冷方法對比分析 [J].    煤氣與熱力, 2021,41(7) :B12-B15.

            相關推廣

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            1    概述
             
            預冷是 LNG 氣化站 1-2 投產前的重要步驟。 LNG 接收站及城市 LNG 儲配站由于儲罐容積較大、現場工藝管道較長、項目施工期長,傳統上采用氮氣干燥、低溫氮氣預冷、液氮預冷的分階段預冷方式(以下稱氮氣、液氮分階段預冷方式)。氮氣、液氮分階段預冷方式對人員設備的協作要求較高、耗時較長,應用于小型 LNG 氣化站時操作頻繁且預冷效果不理想。
             
            小型 LNG 氣化站設備小型化、橇裝化、集成化,并配套遠程數據采集系統,實現了遠程氣源調度,部分已實現遠程控制、無人值守 2-3 ,預冷方法仍沿用常規氣化站的氮氣、液氮分階段預冷方式。由于小型化橇裝設備已在廠家完成壓力試驗,現場施工期短,施工階段殘留雜質水分少,本文針對小型 LNG 氣化站的特點,在實踐基礎上探討更適合小型 LNG 氣化站的預冷方式 4-5 。
             
            2    小型 LNG 氣化站的特點  
            2.1   小型 LNG 氣化站
             
            小型 LNG 氣化站是在燃氣管道未覆蓋區域,滿足用戶終端天然氣用氣需求的主要方式,提高終端用氣應急保障能力,也是近幾年 LNG 銷量增加的主要渠道。小型 LNG 氣化站工藝流程簡單,設備橇裝化、集成化、智能化,建設期短,站內管道短,由于 儲罐 較小,其溫差引起的伸縮形變量較小。
             
            2.2   小型 LNG 氣化站預冷的目的
             
            預冷是在系統壓力試驗合格后,為防止 LNG 裝卸 過程中管道、儲罐急劇降溫引起收縮,從而造成管道設備損壞,測試管道設備在低溫工況下的性能。預冷的目的包括:檢驗低溫材料質量是否合格;檢驗焊接焊縫在低溫工況下運行情況;檢驗管道冷縮量和管托支撐變化;檢驗低溫閥門、設備的密封性;在低溫工況下檢驗法蘭連接、螺紋連接的密封狀況;使儲罐達到工作狀態,測試儲罐真空隔熱性能。
             
            3    小型 LNG 氣化站預冷方法
            3.1   氮氣、液氮分階段預冷方式
             
            ①操作流程
             
            常規 LNG 氣化站由于罐容積比較大( 100 m 3 、 150 m 3 或更大),為了將預冷過程中的罐體溫差、形變、應力控制在許可范圍內,通常采取氮氣、液氮分階段預冷方法。首先利用儲罐出廠時的余壓反向吹掃干燥工藝管道(儲罐出廠時有氮氣保持罐內正壓),清除施工過程中管道內殘留的水分雜質;然后開始低溫氮氣冷卻流程,向儲罐充入低溫氮氣至預定壓力(儲罐工作壓力),靜置冷卻 10 30 min 后從頂部氣相管排放,檢查氣相管溫度,反復充入低溫氮氣和靜置、排放,直至氣相管表面結霜(或溫度低于 -50 ℃)時,進入液氮預冷流程;緩慢從儲罐頂部充入液氮,并開啟氣相管道連續排放氮氣,液氮在儲罐內氣化,當氣化量超過排放量時儲罐升壓,升壓至 0.5 MPa 時,關閉進液閥停充液氮,通過連續排放靜置降壓,如此循環操作;直到隨著儲罐溫度的降低,充入液氮維持儲罐 0.2 MPa 時,逐漸打開進液閥門,充裝液氮達到儲罐容積的 5 %時靜置保冷,完成預冷。
             
            ②應用效果分析   
             
            氮氣、液氮分階段預冷應用于小型 LNG 氣化站存在如下問題:
             
            a. 實際操作過程中,小型儲罐低溫氮氣預冷效果不理想,難以降到預定溫度。由于卸車橇連接軟管、槽車管道閥門以及橇裝設備連接法蘭等位置沒有保冷層,低溫氮氣途經時被加熱升溫,小型儲罐每次充氣量較少,低溫氮氣經進氣管道加熱后,實際攜帶冷量減少,導致低溫氮氣預冷效果不理想。大型儲罐進低溫氮氣時,進氣量較大,連續時間較長,少量未做保冷的管段表面結霜形成隔熱層。
             
            b. 小型 儲罐 罐體較小,因此,靜置過程換熱的時間相對短,進而導致充氣、放氣操作頻繁。
             
            c. 進入液相預冷階段,小型儲罐升壓較快,因此需要多次停充、降壓與繼續進液的反復切換操作。
             
            d. 此預冷方法應用于小型 LNG 儲罐預冷,操作繁瑣,易導致現場操作人員忽略一些操作程序,存在一些隱患。
             
            3.2   液氮頂部進液預冷方式
             
            ①預冷前準備工作
             
            a. 檢查站內工藝管道的所有閥門,確認所有閥門處于關閉狀態,放散管路盲板拆除。
             
            b. 檢查確認儲罐余壓與進場時的壓力一致,儲罐無泄漏。
             
            c. 打開所有安全閥的根部閥,打開調節閥的前后閥,打開儲罐氣相根部閥。
             
            d. 自動保護系統測試完好,全部投用。氣動閥用的常溫氮氣系統投用,緊急切斷閥全部打開。
             
            e. 壓力表根部閥全部打開,儲罐液位計根部閥、氣液平衡閥打開。
             
            ②預冷主要步驟
             
            a. 吹掃降壓過程:檢查卸車管道,先用儲罐余壓吹掃進液管道,之后打開放散管路將儲罐壓力放散至微正壓。
             
            b. 液氮槽車升壓進液:連接卸車軟管,液氮槽車自帶系統將液氮槽車壓力升高至 0.3 MPa 。儲罐氣相閥門開啟連續放散;緩慢打開儲罐頂部進液閥,緩慢打開液氮槽車液相閥至較小開度;由于管道系統處于常溫狀態,先預冷管道設備,使液氮從儲罐頂部緩慢進液。
             
            c. 冷卻過程:進液過程中,儲罐內部液氮迅速氣化,壓力波動較大,當儲罐壓力升至 0.3 MPa 時,關閉進液閥門,通過氣相連續放散降壓,降低至 0.1 MPa 再開啟進液,如此反復,直至儲罐氣相出口開始結霜時,關閉儲罐液位計氣液平衡閥,使儲罐液位計投入使用。當儲罐內液氮達到預定量(儲罐容積的 5 %)時進液結束,靜置儲罐。
             
            d. 收尾記錄:進液結束后,關閉液氮槽車液相閥門、進液閥門、放散閥,利用儲罐內的液氮對增壓器、主氣化器及儲罐出液管道進行預冷及測試。進液結束初期,罐內因溫度不均勻升壓,需要密切觀察記錄儲罐壓力,達到 0.5 MPa 時,手動放散至 0.2 MPa 繼續觀察。
             
            ③應用效果分析
             
            頂部進液有一定噴淋效果,液氮頂部進液與罐內常溫氣體換熱迅速氣化,罐內壓力波動比較大,需要停止進液、降壓切換操作。特點是置換需求液氮量比底部進液多,需要停止進液、排氣切換操作,預冷過程中儲罐壓力波動較大,由于液氮與罐內氣體進行熱交換,儲罐溫度下降比較平穩。
             
            3.3   液氮底部進液預冷方式
             
            ①預冷前準備工作
             
            與液氮頂部進液預冷方式相比,除預冷操作中打開閥門次序和操作步驟不同,其他預冷前準備工作相同。
             
            ②預冷主要步驟
             
            a. 吹掃降壓過程:檢查卸車管道,先用儲罐余壓吹掃進液管道,之后打開放散管路將儲罐壓力放散至微正壓。
             
            b. 液氮槽車升壓進液:連接卸車軟管,液氮槽車自帶系統將液氮槽車壓力升高至 0.3 MPa 。儲罐氣相閥門開啟連續放散;緩慢打開儲罐底部進液閥,緩慢打開液氮槽車液相閥至較小開度。由于管道系統處于常溫狀態,先預冷管道設備,前 5 min 進液閥門間歇性開啟,使預冷前期液氮在管道內氣化成低溫氮氣,隨后液氮從儲罐底部緩慢進液。
             
            c. 冷卻過程:底部進液冷卻過程罐內氣體沒有強烈對流,底部氮氣逐步置換上層常溫氮氣,常溫氮氣從頂部氣相管放散,儲罐壓力較為平穩。當儲罐氣相出口開始結霜時,關閉儲罐液位計氣液平衡閥,使儲罐液位計投入使用。當儲罐內液氮達到預定量(儲罐容積的 5 %)時進液結束,靜置儲罐。
             
            d. 收尾記錄:進液結束后,關閉液氮槽車液相閥門、進液閥門、放散閥,利用儲罐內的液氮對增壓器、主氣化器及儲罐出液管道進行預冷及測試。進液結束初期,罐內因溫度不均勻升壓,需要密切觀察記錄儲罐壓力,達到 0.5 MPa 時,手動放散至 0.2 MPa 繼續觀察。
             
            ③應用效果分析
             
            液氮底部進液預冷過程中,低溫氮氣在罐內與常溫氮氣分層,上層常溫氮氣通過頂部氣相管道進入放散塔排空。特點是置換需要液氮量最少,沒有反復切換操作,流程簡單,預冷過程中儲罐壓力波動較小,由于液氮直接進入儲罐,儲罐進液口附近溫度降低快。
             
            在實際操作過程中,由于進液管道設備是常溫的,通過前期降低液氮槽車壓力,減小進液閥門開度(或間歇性開啟),使得液氮在管道內流速放緩,在預冷管道中氣化成低溫氮氣,預冷進程是先低溫氮氣、后液氮。在某網球廠 LNG 30 m 3 儲罐預冷中采用此流程操作,運行平穩。
             
            3.4   氮氣、液化天然氣分段預冷
             
            ①預冷前準備工作
             
            a. 檢查站內工藝管道的所有閥門,確認所有閥門處于關閉狀態,放散管路盲板拆除。
             
            b. 檢查確認儲罐余壓與進場時的壓力一致,儲罐無泄漏。
             
            c. 檢測 LNG 儲罐內氧氣體積分數是否小于 1 %,如大于等于 1 %,須改用液氮預冷。
             
            d. 打開所有安全閥根部閥,打開調節閥的前后閥,打開儲罐氣相根部閥。
             
            e. 自動保護系統測試完好,全部投用。氣動閥用的常溫氮氣系統投用,緊急切斷閥全部打開。
             
            f. 壓力表根部閥全部打開。儲罐液位計根部閥、氣液平衡閥打開。
             
            g. 小型 LNG 氣化站投產前的手續已經辦理完畢。
             
            ②預冷主要步驟
             
            a. 置換降壓過程:檢查卸車管道完好清潔,先用儲罐余壓吹掃進液管道,檢測罐內氣體含氧量;用儲罐內氮氣置換增壓器、主氣化器等站內管道設備,之后打開放散管路將儲罐壓力放散至微正壓。
             
            b.LNG 槽車升壓進液:連接卸車軟管,將槽車壓力升高至 0.3 MPa 。儲罐氣相閥門開啟連續放散;緩慢打開儲罐底部進液閥,緩慢打開 LNG 槽車液相閥至較小開度;由于管道系統處于常溫狀態,先預冷管道設備,前 5 min 進液閥門間歇性開啟,使預冷前期 LNG 在管道內氣化成低溫氣體,然后 LNG 從儲罐底部緩慢進液。
             
            c. 冷卻過程:底部進液冷卻過程中罐內氣體沒有強烈對流,底部 LNG 逐步置換上層常溫氮氣,常溫氮氣從頂部氣相管放散,儲罐壓力較為平穩;當儲罐氣相出口開始結霜時,關閉儲罐液位計氣液平衡閥,使儲罐液位計投入使用。
             
            d.LNG 進液:從底部進液,同時對照 LNG 槽車液位下降和儲罐的液位上升情況,當 LNG 進液量達到儲罐容積 40 %左右時,進液結束,靜置儲罐。
             
            e. 收尾記錄:進液結束后,關閉 LNG 槽車液相閥門、儲罐底部進液閥門、放散閥;開啟頂部進液閥門,避免管道憋壓;進液結束初期,罐內因溫度不均勻升壓,需要密切觀察記錄儲罐壓力,避免儲罐壓力超過最高工作壓力,超壓前手動放散。
             
            ③應用效果分析
             
            氮氣、液化天然氣分段預冷過程中,低溫天然氣置換上層常溫氮氣,上層常溫氮氣通過頂部氣相管道,進入放散塔排空。特點與液氮底部進液預冷基本一致,預冷前期通過降低 LNG 槽車壓力,控制進液閥門開度,使得 LNG 在進液管道中氣化,實現先氣相預冷后液相預冷的效果。
             
            氮氣、液化天然氣分段預冷在某酒廠 LNG 30 m 3 儲罐中進行應用,運行平穩,與液氮底部進液預冷效果一致。在實際操作過程中,氮氣、液化天然氣分段預冷與 LNG 首次進液連續進行,預冷后小型 LNG 氣化站達到投產狀態。
             
            4    預冷方法對比分析
             
            4 種預冷方法下罐內平均溫度變化曲線見圖 1 。氮氣、液氮分階段預冷的儲罐罐容為 100 m 3 ,其他 3 種預冷方式的儲罐罐容為 30 m 3 。
             
            1   4 種預冷方法下罐內平均溫度變化曲線
             
            ①氮氣、液氮分階段預冷方法: 適用于較大 LNG 儲罐( 100 m 3 以上)預冷,或站內工藝管道設備比較復雜的應用場合,預冷前段低溫氣相冷卻過程平穩,罐內溫度梯度較小,降溫過程中站內設備、接口出現漏氣或者異常情況時,易于中斷維修。操作流程較為復雜,分工協作要求較高,液氮消耗量大,且預冷過程耗時( 300 min )長達其他 3 種方法的兩倍以上。采用液氮預冷后,氮氣體積分數大于 99 %,氧氣體積分數小于 1 %,罐內溫度降至 93 K ,低于 LNG 儲罐正常工作溫度。
             
            ②液氮頂部進液預冷方法: 適用于 100 m 3 以下小型 LNG 儲罐,且氣化、調壓設備橇裝化程度較高的應用場合。液氮頂部進液與罐內常溫氣體換熱后迅速氣化,預冷前段降溫迅速且罐內壓力波動比較大,儲罐溫度梯度較小,液氮消耗量低于氮氣、液氮分階段預冷方式,耗時為氮氣、液氮分階段預冷的 50% 。采用液氮預冷后,氮氣體積分數大于 99 %,氧氣體積分數小于 1 %,罐內溫度降至 93 K ,低于 LNG 儲罐正常工作溫度。
             
            ③液氮底部進液預冷方法: 適用于 30 m 3 以下小型 LNG 儲罐,氣化、調壓設備橇裝化程度高,且現場組裝的工藝管道設備少的應用場合。液氮底部進液預冷過程中,低溫氮氣在罐內與常溫氣體分層,上層常溫氮氣通過頂部氣相管道進入放散塔排空。置換需求液氮量最少,流程簡單,預冷過程中儲罐壓力波動較小, LNG 儲罐內溫度梯度較大且降溫速率明顯高于其他 3 種方法, 耗時為 120 min 。采用液氮預冷后,氮氣體積分數大于 99 %,氧氣體積分數小于 1 %,罐內溫度降至 93 K ,低于 LNG 儲罐正常工作溫度。
             
            ④氮氣、液化天然氣預冷方法: 適用于出廠時罐內留有氮氣保壓的小型 LNG 儲罐,氣化、調壓設備橇裝化程度高,且現場組裝的工藝管道設備少的應用場合,適用條件較高。氮氣、液化天然氣預冷過程中,低溫天然氣置換上層常溫氮氣,上層常溫氮氣通過頂部氣相管道,進入放散塔排空。特點與液氮底部進液預冷基本一致,但無需消耗液氮,且預冷過程中儲罐壓力波動較小。氮氣、液化天然氣預冷與 LNG 首次進液連續進行,預冷后小型 LNG 氣化站達到投產狀態。采用氮氣、液化天然氣預冷后,天然氣積分數大于 99 %,氧氣體積分數為 0 ,罐內溫度降至 126 K ,接近 LNG 儲罐正常工作溫度。耗時為 120 min 。
            參考文獻:
            1 ]李持佳,王慶余,杜可心,等 撬裝 LNG 氣化站在新農村的應用研究[ J 城市燃氣, 2017 7 ): 6-11.
            2 ]劉波,石磊城鎮中小型 LNG 氣化站的模塊化與標準化設計[ J 煤氣與熱力, 2017  6 ): B18-B22.
             
            3 ]黃軍,黃相迪,姚三三 . LNG 箱式橇裝加注裝置流程及控制系統[ J 煤氣與熱力, 2018  10 ): B85-B89.
             
            4 ]郭宗華,程玉排,田紅梅小型 LNG 氣化站的過程安全和事故過程安全[ J 煤氣與熱力, 2018  1 ): B28-B33.
             
            5 ]顧安忠,魯雪生,金國強,等液化天然氣技術手冊[ M 北京:機械工業出版社, 2010 346-389. 
             
            (本文責任編輯:林國真)
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