＊付红艳

（中海油石化工程有限公司 山东 250101）

LNG是液化天然气的英文简称，与压缩天然气和成品油相比更加安全，同时也更加便于运输，加之天然气是一种更为高效的清洁型能源，使得LNG贸易已经成为当今能源市场的焦点。基于此，本文以大型LNG储罐的结构特点为切入点，在深入研究预冷方案的基础上，以8×104m3的双壁金属LNG储罐为例，对预冷过程中存在的各类影响因素进行了深入分析，以期为大型LNG储罐预冷工作的有序开展提供有价值的理论基础。

1.大型LNG储罐结构特点

目前广泛应用的大型LNG储罐主要由内罐和外罐、内壁内侧底部的热角保护系统、内罐与外罐之间的绝热层、工艺管线和配套的仪表部件等组成。在LNG罐内，一般采用1Ni9型低温钢制造，外部罐体一般为碳素或预应力混凝土[1]。

绝热系统包括罐体底部绝热层、罐壁绝热层以及吊顶绝热层等三大部分。大型LNG储罐中较为常用的绝热材料有玻璃布（棉）、弹性纤维毡、膨胀珍珠岩以及泡沫玻璃砖 等[2]。通过合理使用弹性毡能够为膨胀珍珠岩提供一定的弹性，能有效地阻止由于内部容器在低温作用下的收缩而引起的内部塌陷，同时也能防止由于膨胀引起的内部容器受到外部压力而不稳定。吊顶保温层铺设有弹性玻璃毛毯；由于储罐底部对于承压能力要求较高，因此通常选择泡沫玻璃砖作为绝热材料。为了安全，所有的接头都是在储罐的顶端设计的。为了确保储罐的正常使用，应在储罐上安装警报和应急停止设施。罐底地基一般是由架空混凝土承台或带电伴热系统为基础，其目的是防止罐体底部由于低温而结冰，从而危及罐底和大角焊缝的安全。如果储罐是安装在有通风的钢筋混凝土立柱上，那么就不需要另外设置电加热设备。

2.LNG储罐预冷方案及分析

(1)预冷方案分析

①经济性。从预冷介质消耗量、完成预冷期和其它操作费用等方面对其进行了评价。在预冷过程中，不仅要利用其蒸发潜热，也要充分利用它的冷蒸气的显热。由于LNG和液化氮在蒸发潜热以及显热两个方面存在一定差异，这就使得预冷过程中两者的消耗量存在一定差异，但是LNG的市场价格比液态氮要高，因此采用液氮进行预冷，其费用是LNG预冷的1/5[3]。

②安全性。采用LNG对储罐进行预冷作业时，由于使用的预冷介质为单一的LNG，因此整个工艺过程中，都会有一些危险。这是由于储罐和附属管道在受冷时会发生一定程度的收缩，并在接头处发生液体渗漏。当液化天然气发生泄漏时，液化天然气的体积比空气要小，因此，当它在一定范围内吸收了大量的热能，并将其汽化，一旦遇上明火，极有可能引发爆炸，后果不堪设想。但若仅使用液氮对储罐进行预冷作业，因液氮温度为-196℃，从而容易导致储罐罐体材料的强度与屈服强度迅速降低，极易对储罐强度和安全性产生影响[4]。

表1为液氮预冷和LNG预冷的对比：

表1 液氮预冷和LNG预冷的对比

为综合上述两种预冷介质的优点，国内某些LNG接收站同时采用LNG和液氮对储罐进行预冷，并成功的取得了预期的效果。采用LNG和液氮联合预冷可以将价格较高且具有一定危险性的LNG部分替换成价格低廉、不易燃易爆的液态氮，从而降低了LNG的预冷成本，降低了LNG的泄漏风险，防止了储罐的材质在预冷过程中发生过冷，使储罐自身的安全性能得到大幅提升。

(2)预冷过程控制要求

①温度控制。为了避免罐体内部的热应力过大，必须在一定的温度下降速率下进行缓慢的预冷，并对罐体顶部的冷却介质进行精确的控制。根据工艺规程和生产实践，为确保预冷效果和工艺的安全，必须对储罐进行实时的温度记录，根据实际温降速度进行调节，并通过流量计对低温液体流量流进行监控[5]。利用内罐底板、内罐内壁温度计以及内罐多点温度计来对预冷过程中储罐不同部位的温度变化情况进行精确测量，从而实现对冷却过程的实时监测，从而达到了均衡、低速率、灵活调整生产运行的要求。

②压力控制。每台LNG储罐都配有压力计。为降低外部气压变化对储罐压力控制所产生的影响，采用绝压变送器来实现对BOG压缩机的控制；在正常工作条件下，采用BOG压缩机回收BOG，将储罐的压力控制在安全范围，当发生超压时，将主管道上的压力调节阀打开，将BOG接至火炬进行焚烧。如储罐内部压力仍然持续升高，当罐内压力值超过安全阀设置时，为了对储罐进行减压防护，此时的安全阀应迅速跳开。对预冷工艺进行了详细的控制描述：首先将内罐的温降速率设置为为3K/h，并对罐内任意点的电阻式温度计进行严格的控制，最大温降速率不得大于5K/h。其次是罐体和内罐底板上任何一处的最大温差为20K，而内罐任何两处的温度差均在50K以下，当温度差大于规定时，应立即停止进料，当温差达到安全范围时，才能进行预冷。最后是预冷却工艺对LNG储罐的压力进行了严格的控制，其控制的压力目标值为10kPa（表压），而环隙与内罐间的压差均应小于0.3kPa。通过罐底各测温点温度计测量的温度均下降到 -160～-158℃之间，并且无任何变化，说明此刻的预冷工作已基本结束，这时可以从顶部进料口向下输送少量的液体。当液面到达500mm时，表示储罐已经预冷完毕，可以投入使用。

(3)预冷过程注意事项

首先是在预冷过程中，环隙空间的温度计和底板监测点的温度计需要进行随时不定期监测，确保这处温度在-25℃到常温之间，若发现存在泄漏情况应及时关闭预冷却阀，并将泄漏问题处理完毕后方可继续对储罐进行预冷作业；其次是在预冷过程中，维持储罐的压力值在10kPa(G)，以避免储罐的超压。储罐预冷后的温度与预冷前相比相差很大，为了确保储罐的安全运行，应对储罐的温度、压力降速率等进行严格的控制，以避免储罐系统失效；最后是LNG罐体在冷却时易发生管道变形，造成管道及管件连接破损、泄露等问题，因此，在LNG罐体完成预冷之前，若由于管路布置不当或内部阀门的内部渗漏，使LNG提前进入罐体，将造成内箱底板的破坏。另外，在检查进料阀内泄漏、泵出口管路预冷过程等方面，也要注意防止LNG失控进入罐体，导致罐体材料急剧收缩而损坏。

3.大型LNG储罐预冷过程影响因素分析

(1)计算模型

本文采用的计算模型为双壁金属储罐，储罐体积为8× 104m3，储罐的设计压力为-1kPa(G)至29kPa(G)，设计温度为-165～65℃。内罐直径为58m，材质为1Ni9低温合金钢，外罐直径为60.2m，罐储罐壁高度为36.5m。罐壁为堆叠式绝热结构，内罐和外罐之间用膨胀珍珠岩和弹性毡隔热，内罐与基座间用使用泡沫玻璃砖砌筑保温，顶部与内罐间的空隙由玻璃钢毛毡密封，以避免夹心珠光砂等杂物渗漏。储罐内部装有3个带有套管的抽油井，用于安装LNG低压泵。根据GB/T 26978.1-2011标准，为了防止出现严重的内罐渗漏，在罐体的顶部设置了连接管。内、外罐之间装有一套低温泄漏检测装置，可对内罐进行实时检测。此储罐的基本结构详见图1。

图1 储罐结构示意图

(2)大型LNG储罐预冷过程影响因素分析

①不同进口喷淋流量的影响

通过设置不同的喷头流量，研究了不同入口喷头流量对预冷却效果的影响。以LNG为介质进行预冷，设置上料口流量（单位：kg/h）分别为2000、3000、3500、4000、4500、5000以及6000时储罐内温度、温降速率及时间变化的关系如图2和图3所示。由图可知，当质量流量增大，冷却速率加快，缩短了到达目标温度的时间。设置的喷头流量为6000时，经过约40h储罐温度降低至111K，而设置的喷头流量为2000时，预冷所需要的时间大于60h。图3显示温降速率随储罐温度的下降而下降。综合分析，在预冷初期储罐内部温度接近环境温度，而与喷淋进罐的LNG温度差别较大，因此进入储罐的LNG能够充分气化。随预冷过程进行，储罐温度不断下降，储罐与喷淋进罐的LNG温差逐渐减小，因此蒸发量也会随之降低，而内罐与外部环境的温差也会使泄漏热量持续上升。

图2 不同喷淋量下储罐温度随时间变化

图3 不同喷淋量下温降速率趋势图

当质量流量增大时，温度下降速度也相应提高。在喷淋流量为2000kg/h的情况下，冷却温度下降速度小于3K/h，大大提高了冷却时间。当喷淋流量超过4500kg/h时，在预冷的前10个小时内，温度下降速度超过5K/h，会引起罐内和其它附属设备的过高温度应力，从而对罐体造成无法弥补的损伤，从而影响到储罐的正常运行。在预冷初期，只要有少量的质量流量，就能达到温降的要求，而在降温过程中，降温速度会变慢，为了达到一定的降温效果，在实际的预冷过程中，应该逐步加大预冷喷射量，以确保一定的预冷效果。

②不同温降速率的影响

为了探讨温度下降速度对预冷工艺的影响，采用了不同的温度降速方法。在图4中，给出了在-3K/h、-3.5K/h、-4K/h、-4.5K/h以及-5K/h的情况下，喷淋质量流速和预冷时间的关系。在一定的温降速度下，随预冷进行储罐温度下降，所需的LNG的喷射流量逐步增大。随着温度下降速度的增大，需要冷却的喷淋速度也随之增大。

图4 不同温降速率下LNG喷淋量随时间变化

表2所示为在不同温降速率下完成整个预冷过程需要喷淋的LNG总质量及所需要的时间。从表中可以看出，随着温降速度增加，LNG的消耗量会增加，整个预冷时间也会缩短。分析其主要原因是：LNG的质量流量随着温度的升高而不断增大，但是在降温初期，由于低温流体的完全蒸发，产生了很大的反压，而减压阀打开，使低温气体无法与罐中的气体进行充分的交换而排出。

表2 不同温降速率计算结果

③储罐初始温度对预冷过程的影响

以-4K/h的温降率为例，在保持罐压10kPa(G)的情况下，当初始温度分别为303K、293K、283K以及273K时，LNG喷射量与LNG的消耗情况见图5和表3。

图5 不同初始温度下LNG喷淋量随时间变化

表3 不同初始温度下计算结果

从图5和表3可以看出，当预冷起始温度提高时，需要的LNG总量和总的预冷时间都会增大。在实际操作中，由于储罐内部的初始温度与外界环境温度存在一定的温度差，温差越大储罐从外界环境中吸入的热量也就越多，从而会对储罐的实际预冷效果产生影响，因此为减少预冷时所使用的LNG喷淋总量，应在环境温度较低时考虑对储罐进行预冷作业。

4.结束语

LNG储罐是LNG储运的主要设备，其预冷工作的成功与否对储藏LNG的安全和整个储罐运行过程的正常进行有着十分重要的作用。本文以某型号LNG储罐为例，研究了预冷工艺中的喷射流量、消耗量、预冷时间、温降速率和储罐温度的关系。研究发现，在预冷过程中，温度下降速度会逐渐降低，为了达到一定的预冷效果，需要不断提高预冷喷射流量。随着喷射流量的增大，所需要的预冷时间也相应缩短。